基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維礦井漫游演示系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

郭兵兵 趙廣興

（河南工程學(xué)院安全工程系，河南省鄭州市，45119 1）

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維礦井漫游演示系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

郭兵兵 趙廣興

（河南工程學(xué)院安全工程系，河南省鄭州市，45119 1）

介紹了三維礦井漫游演示系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要開發(fā)工具以及關(guān)鍵技術(shù)步驟。用三維動畫軟件Maya建模和三維游戲軟件Unity3D整合驅(qū)動完成的三維礦井漫游演示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井工業(yè)廣場、井下主要巷道和采掘工作面的實時漫游演示。該系統(tǒng)對礦區(qū)工人和技術(shù)人員進(jìn)行上崗前的教育培訓(xùn)、安全培訓(xùn)以及在煤礦企業(yè)安全管理中具有重要的應(yīng)用價值。

虛擬現(xiàn)實技術(shù) 三維礦井 漫游演示系統(tǒng) 安全培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種在多項技術(shù)集成的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、能夠逼真模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的人機界面技術(shù)。井工煤礦具有生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、作業(yè)分散、設(shè)備設(shè)施多、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣以及不安全因素多等特點，自然災(zāi)害和生產(chǎn)事故的危險因素始終影響和制約著煤礦的安全生產(chǎn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國煤礦中的應(yīng)用研究正在從最初的展望階段走向?qū)嶋H應(yīng)用研究階段，主要包括綜采工作面的虛擬研究、礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸的模擬研究、地質(zhì)情況的模擬、煤礦人員安全教育和技術(shù)培訓(xùn)、礦山爆破工藝上的應(yīng)用以及礦山設(shè)計等。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，介紹了三維礦井漫游演示系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

1 三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司王行莊煤礦為演示系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)實依據(jù)，利用專業(yè)的開發(fā)工具對其工業(yè)廣場、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、井下各種機電設(shè)備、巷道以及采煤工作面進(jìn)行建模和虛擬場景的導(dǎo)入整合及驅(qū)動，用鍵盤或鼠標(biāo)控制漫游演示和進(jìn)入每個場景，并在屏幕或投影儀上呈現(xiàn)演示畫面，三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 三維礦井漫游演示系統(tǒng)的研究開發(fā)

2.1 前期資料準(zhǔn)備

國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司王行莊煤礦三維礦井漫游演示系統(tǒng)演示的內(nèi)容主要包括地面建筑物、井上和井下生產(chǎn)系統(tǒng)以及機械設(shè)備等，所需用到的資料包括工業(yè)廣場布置圖、煤礦地形圖、井上和井下對照圖、初步設(shè)計說明書以及地面建筑物有關(guān)的結(jié)構(gòu)圖紙、照片、視頻、圖紙以及現(xiàn)場觀察所得等資料，經(jīng)過整理后涉及的主要演示場景和設(shè)備分為以下3類：

圖1 三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（1）工業(yè)廣場。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的井上主要建筑物有宿舍樓、綜合辦公樓、職工食堂、機修車間、篩分樓、地磅房、鍋爐房、木料場、瓦斯抽放站、空壓機房、變電所、主井、主井絞車房、輔助房、副井井口房、副井絞車房、污水處理設(shè)施、主干道、地面窄軌鐵路、綠化等。

（2）井下生產(chǎn)系統(tǒng)。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的井下生產(chǎn)系統(tǒng)資料包括有關(guān)的設(shè)計圖紙 （開拓平面圖、巷道布置圖、巷道斷面圖冊、回采工藝平面布置圖、初步設(shè)計說明書等）、生產(chǎn)圖紙 （采掘工程平面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、避災(zāi)路線圖等）、設(shè)備情況 （采掘設(shè)備、運輸設(shè)備、提升設(shè)備、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備等）以及生產(chǎn)情況 （采煤工藝、作業(yè)規(guī)程等）。

（3）機械設(shè)備。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的機械設(shè)備包括液壓支架、雙滾筒采煤機、刮板輸送機、膠帶運輸機、綜合掘進(jìn)機、單體液壓支柱、絞車、礦車、電機車、局部通風(fēng)機及風(fēng)筒、乳化泵站、移動變電站、防爆開關(guān)等設(shè)備。

2.2 主要開發(fā)工具

三維演示系統(tǒng)主要的開發(fā)工具為三維建模軟件和實時場景驅(qū)動軟件，目前專業(yè)的建模軟件有3DMax、Maya、Multigen Creator等，實時場景驅(qū)動軟件有Unity3D、Virtools、Vega等。經(jīng)過分析比較，三維礦井漫游演示系統(tǒng)采用Maya進(jìn)行建模，利用Unity3D進(jìn)行整合驅(qū)動實現(xiàn)漫游。

（1）Maya三維動畫軟件。Maya是美國Au-todesk公司出品的三維動畫軟件，具有功能完善、工作靈活、易學(xué)易用、制作效率極高以及渲染真實感強等優(yōu)點，是電影級別的高端制作軟件，是目前用來進(jìn)行數(shù)字和三維制作的首選。除了一般三維和視覺效果制作的功能外，Maya還與先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運動匹配技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用對象為專業(yè)的影視廣告、角色動畫以及電影特技等。

（2）Unity3D三維游戲軟件。Unity3D是由丹麥Unity公司開發(fā)的一款多平臺的游戲開發(fā)工具，具有優(yōu)越的效果和更高的擴展空間，對Direct X和OpenG L擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道。Unity3D支持較多的主要文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作，低端硬件也可流暢運行廣闊復(fù)雜的場景。Unity3D引擎具備開發(fā)過程技術(shù)要求高、高級渲染效果和用戶定制支持遠(yuǎn)等優(yōu)勢，非常適合產(chǎn)品虛擬展示在交互訪問和逼真表現(xiàn)的需求。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)步驟

要實現(xiàn)三維礦井漫游演示系統(tǒng)，首先應(yīng)該實現(xiàn)工業(yè)廣場模型、巷道模型以及機械設(shè)備模型的建模，模型建模后需要進(jìn)行模型的導(dǎo)入整合、場景模型的驅(qū)動以及可執(zhí)行程序的生成等關(guān)鍵技術(shù)步驟，三維礦井漫游演示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)步驟流程圖如圖2所示。

圖2 三維礦井漫游演示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)步驟流程圖

2.3.1 建立幾何模型

Maya的建模方式主要有曲面建模、多邊形建模和細(xì)分建模3種方式，其中多邊形建模是三維制作中最容易掌握且應(yīng)用最為廣泛的建模方式，建立的模型特點都是點、邊、面3個元素組成，對點、邊、面三元素進(jìn)行修改就可以改變模型的形狀。在三維礦井漫游演示系統(tǒng)中，Maya多邊形建模方式可以建立的幾何模型包括機械設(shè)備模型、建筑物模型以及巷道模型。經(jīng)過Maya多邊形建模方式建立的辦公樓幾何模型圖和液壓支架幾何模型圖如圖3和圖4所示。

為了降低計算機的配置要求和減少系統(tǒng)運行的負(fù)擔(dān)，建模時要分清主次，對看不到或不需要突出表現(xiàn)的物體進(jìn)行簡化處理或者不建模，充分利用Maya軟件的功能對模型優(yōu)化，用貼圖體現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)以節(jié)省模型場景面片。另外單個模型建完后要“打組”，以便后期導(dǎo)入整合后能夠迅速的選取單個模型進(jìn)行修改。模型建立后要仔細(xì)檢查確保無多余面，并與實際相符。

2.3.2 模型的導(dǎo)入整合

單個模型建立后，需要整合在一起形成不同的場景，把做好的貼圖用到模型的不同位置上形成形象模型，合理安排場景中機械設(shè)備和建筑物的布局，并進(jìn)行整體規(guī)劃、細(xì)節(jié)修改、位置調(diào)整以及比例大小調(diào)整。在場景中通過命令添加燈光并調(diào)節(jié)燈光的位置、強弱和顏色，使其與現(xiàn)場實際相符合。工業(yè)廣場整合貼圖后效果圖如圖5所示，巷道局部貼圖后效果圖如圖6所示，液壓支架貼圖后效果圖如圖7所示。

2.3.3 場景模型的驅(qū)動

場景模型是相對獨立的，沒有實現(xiàn)真正意義上的聯(lián)系，需要通過實時場景驅(qū)動工具開發(fā)，從而使用戶能以任意角度對虛擬場景中的對象進(jìn)行觀察，最終產(chǎn)生身臨其境的感覺。將建好的場景模型用Unity3D軟件進(jìn)行驅(qū)動，根據(jù)場景的需要把視角放在合適的位置上，同時尋找貼圖與模型之中存在的問題，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試和修改。

2.3.4 可執(zhí)行程序的生成

場景模型驅(qū)動完成后，結(jié)合一些開發(fā)工具添加語言介紹和音效并用菜單驅(qū)動，將作品打包生成單一的可執(zhí)行文件后就可以在Windows平臺直接運行。

3 三維礦井漫游演示系統(tǒng)演示運行及應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)制作完成后，通過菜單選擇不同的場景，使用鼠標(biāo)或者鍵盤上的方向鍵對視角和運動方向進(jìn)行控制從而進(jìn)行漫游，三維礦井漫游演示系統(tǒng)運行界面及部分漫游效果如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

圖11 綜采工作面漫游效果圖

4 三維礦井漫游演示系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 教學(xué)應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)可以在 《采礦學(xué)》、《井巷工程》、《采煤概論》等專業(yè)課程教學(xué)中應(yīng)用，可以在教學(xué)中讓學(xué)生初步建立煤礦生產(chǎn)的概念，了解煤礦生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)和煤礦生產(chǎn)各種機械設(shè)備，從而增強學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。三維礦井漫游演示系統(tǒng)還可以供采礦工程和安全工程等煤礦主體專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行認(rèn)識實習(xí)，這不僅使學(xué)生身臨其境地對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)有一個整體的認(rèn)識，還達(dá)到了降低學(xué)習(xí)費用、縮短教學(xué)時間和直觀教學(xué)的目的。

4.2 培訓(xùn)應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)可以對礦區(qū)的工人和技術(shù)人員進(jìn)行上崗前的教育培訓(xùn)，被訓(xùn)練者通過身臨其境的體驗?zāi)軌蜓杆偈煜っ旱V生產(chǎn)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，不僅可以提高工人和技術(shù)人員的培訓(xùn)效率，而且還可以提高工人和技術(shù)人員的安全生產(chǎn)意識。非煤礦行業(yè)人員以及非采礦專業(yè)學(xué)生也可以通過此系統(tǒng)了解煤礦生產(chǎn)的真實情形。

5 結(jié)語

三維礦井漫游演示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井地面工業(yè)廣場、井下主要巷道及采掘工作面的實時漫游演示，該系統(tǒng)能夠在礦業(yè)類專業(yè)的課程教學(xué)、現(xiàn)場實習(xí)、煤礦企業(yè)人員的安全培訓(xùn)以及煤礦企業(yè)的安全管理中發(fā)揮重要作用。作為一種探索，三維礦井漫游演示系統(tǒng)目前還屬于初次成型產(chǎn)品，還不能完全虛擬煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場，與理想的煤礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還有差距，在以后的開發(fā)中將繼續(xù)加以完善。

［1］ 曾偉，姜本琦，鄭確等 .基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)礦井人員培訓(xùn)系統(tǒng) ［J］.煤礦安全，2008（5）

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Development andapplication of 3Dmine roaming demonstrationsystem based on virtual reality technology

Guo Bingbing,Zhao Guangxing
((Department of Safety Engineering,Henan Institue of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China)

The overall structural design,developing tool and key technical steps of 3Dmineroaming demonstration system were introduced.This demonstration system,based onmodelingof 3Danimation softwaremaya and driven by 3Dgame software Unity 3D,achieved the real-timeroaming demonstration of industrial square,themain underground roadways and working face.Virtual reality technology will be of great practical value in the field of professional education,safety training and coalmine safetymanagement.

virtual reality technology,3Dmine,roaming demonstration system,safetytraining

T D－4

A

book=72,ebook=142

郭兵兵 （1982－），男，河南洛陽人，碩士，2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在河南工程學(xué)院安全工程系從事礦業(yè)工程教學(xué)與科研工作。

（責(zé)任編輯 路 強）

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