基于Unity3D的虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

修春華 孫秀娟 苗 坡 車德福

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250003)

基于Unity3D的虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

修春華1孫秀娟2苗 坡1車德福1

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250003)

針對(duì)三維虛擬礦山系統(tǒng)在高逼真度、強(qiáng)交互性和跨平臺(tái)等方面的不足，提出了一種基于Unity3D平臺(tái)的三維虛擬礦山的實(shí)現(xiàn)方法。其主要過程：采集礦山的地形地質(zhì)等三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，建立礦山三維模型，并導(dǎo)入到Unity3D引擎中，對(duì)數(shù)字礦山進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染并實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)與二維空間數(shù)據(jù)整合，在此基礎(chǔ)上利用C#語言編寫腳本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，最后將虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)移植到多個(gè)平臺(tái)上。根據(jù)唐山錢家營煤礦的測試結(jié)果，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在3種平臺(tái)(Windows、安卓智能手機(jī)、Web網(wǎng)頁)上均流暢運(yùn)行，畫面真實(shí)，界面友好，實(shí)現(xiàn)了虛擬礦山漫游仿真以及礦山屬性信息的查詢等功能。

虛擬礦山 漫游仿真 Unity3D 跨平臺(tái)

數(shù)字地球(Digital Earth，DE)是將各種與地球相關(guān)的信息集成起來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的數(shù)字化、可視化表達(dá)，以及多尺度、多分辨率動(dòng)態(tài)交互。處于世紀(jì)之交信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的浪潮中，對(duì)于古老的采礦業(yè)而言，其機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，采礦業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展——數(shù)字礦山成為必然趨勢[1]。虛擬礦山就是將地理信息數(shù)據(jù)融合到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行可視化再現(xiàn)仿真，包括地質(zhì)體、工作面、巷道、管線、斷層、材料供應(yīng)倉庫、材料裝車線、降壓站、配電站、辦公樓、職工宿舍、澡堂、食堂等[2]，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山地理信息的查詢、分析等。

三維地學(xué)建模和虛擬礦山系統(tǒng)是數(shù)字礦山戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)[3]，而漫游仿真又是虛擬礦山系統(tǒng)的重要組成部分。因此，礦區(qū)地表地物三維建模、可視化技術(shù)、漫游仿真技術(shù)，對(duì)于完善數(shù)字礦山工程，完善MGIS具有重大的意義。而跨平臺(tái)的數(shù)字礦山軟件使得數(shù)字不再僅僅局限于桌面程序，軟件的網(wǎng)絡(luò)化和移動(dòng)化將提高數(shù)字礦山軟件的生存能力，以便更方便，更快速地為礦山企業(yè)服務(wù)。

1 數(shù)字礦山基礎(chǔ)

數(shù)字地球和數(shù)字中國戰(zhàn)略的提出，以及數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字海洋、數(shù)字交通、數(shù)字長江、數(shù)字城市等一系列數(shù)字工程的實(shí)施，不斷激勵(lì)廣大礦業(yè)科技工作者去做關(guān)于礦山信息化和傳統(tǒng)礦山創(chuàng)新發(fā)展的思考[4]。

從數(shù)字地球與數(shù)字中國概念得到啟發(fā)，在礦山GIS(Mine Geographical Information System，MGIS)研發(fā)與礦山信息技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，吳立新等一批中國學(xué)者開始形成了數(shù)字礦山的理念和設(shè)想。1999年11月，在北京召開的“首屆國際數(shù)字地球會(huì)議”上，吳立新教授率先提出了數(shù)字礦山的概念，并圍繞礦山空間信息分類、礦山空間數(shù)字組織、礦山GIS等問題進(jìn)行了分析和討論。何謂數(shù)字礦山，簡言之，數(shù)字礦山是“對(duì)真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的同一認(rèn)識(shí)與數(shù)字化再現(xiàn)，是一個(gè)硅質(zhì)礦山，是數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字中國的一個(gè)重要組成部分”[1]。

2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境介紹

2.1 Unity3D簡介

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視景仿真、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。Unity3D類似于Director，game engine，Virtools和Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件，其編輯器運(yùn)行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布開發(fā)產(chǎn)品至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺(tái)。它也可以利用Unity web player插件發(fā)布用戶所開發(fā)的產(chǎn)品，同時(shí)也支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽[5]?；赨nity的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)場景逼真，交互自如，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，這就為VR技術(shù)在教育應(yīng)用和普及創(chuàng)造了條件[6]。

Unity是一款完整的游戲開發(fā)引擎和工具，其核心是C/C++語言。Unity的開發(fā)環(huán)境是Microsoft Windows和OS X，所用的開發(fā)工具是Visual Studio(在Windows系統(tǒng)上開發(fā))和Xcode(在蘋果機(jī)上開發(fā))。它的渲染系統(tǒng)是基于Direct3D、OpenGL、OpenGL ES，以及單機(jī)系統(tǒng)的API。Unity內(nèi)的游戲邏輯腳本基于一個(gè)開源的.NET架構(gòu)Mono。Unity也集成了許多優(yōu)秀的插件，如PhysX、Lightmapping、Occlusion Culling、Pathfinding等。

Unity3D的視覺編輯特點(diǎn)是所見即所得，根據(jù)實(shí)際需要而組成一些相關(guān)的場景。其優(yōu)勢包括Unity3D帶有給予用戶便利性的物理引擎來幫助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的重力等物理現(xiàn)象和場景中所需的逼真絢麗特技，所以它較適合快速開發(fā)虛擬環(huán)境下的仿真系統(tǒng)。在本研究涉及的虛擬礦山場景編輯中，需要編輯大量的模型數(shù)據(jù)，在所有的GameObject對(duì)象中都有屬于它的特定屬性，同時(shí)把Unity3D的腳本(javascript、c#、boo)綁定在對(duì)象物體上來控制它的運(yùn)動(dòng)，且又能在游戲視窗中看到的場景內(nèi)事物由綁定在場景中攝像頭的角度體現(xiàn)出來。

2.2 GeoMS3D簡介

GeoMS3D軟件是一款針對(duì)數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ)系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)分為4個(gè)層次[7]：礦山空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、礦山三維建模與可視化平臺(tái)、礦山空間查詢與分析平臺(tái)、礦山專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

(1)礦山空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫的管理、轉(zhuǎn)化、存貯、輸出，提供鉆孔、剖面和等高線等空間數(shù)據(jù)管理工具，為三維空間建模做好準(zhǔn)備。

(2)礦山三維建模與可視化平臺(tái)：根據(jù)數(shù)據(jù)源不同及建模對(duì)象不同對(duì)地質(zhì)體、工程體、地面地形構(gòu)筑物等提供了多種建模工具，是GeoMS3D的核心。

(3)礦山三維查詢與分析平臺(tái)，基于建立的空間模型，可以對(duì)其實(shí)施多種空間查詢與分析，如查詢空間任意點(diǎn)的坐標(biāo)、任意2點(diǎn)距離、開挖量、拓?fù)浞治龅取?/p>

(4)在以上3個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了多種專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)，以滿足不同專業(yè)部門、不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的特色應(yīng)用需求。

3 虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用Unity3D對(duì)工業(yè)廣場、地面生產(chǎn)系統(tǒng)、井下各種機(jī)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(dòng)，用鍵盤或鼠標(biāo)控制漫游演示和進(jìn)入礦山的各個(gè)地方，并能進(jìn)行屬性查詢。

3.1 模型數(shù)據(jù)的獲取

三維模型的來源主要是利用Sketchup、3DMAX等三維模型制作工具制作的，但對(duì)于擁有海量數(shù)據(jù)的礦山并不是特別適用，用這些軟件繪制的模型數(shù)據(jù)太大，不僅占用過多的硬盤空間，運(yùn)行時(shí)也要消耗很多的內(nèi)存等，從而影響系統(tǒng)的效率。而GeoMS3D可以在模型不失真的情況下導(dǎo)出體積更小的模型格式，Unity3D使用該格式可以提高虛擬礦山的運(yùn)行效率。GeoMS3D中辦公樓模型如圖1所示。

圖1 GeoMS3D中辦公樓模型

gdmx模型是GeoMS3D軟件的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式。其主要內(nèi)容為模型的名稱、模型ID、貼圖和顏色數(shù)組、頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組、三角形數(shù)組、UV坐標(biāo)數(shù)組等。

頂點(diǎn)坐標(biāo)主要包含了頂點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，可以用這些坐標(biāo)決定模型在世界坐標(biāo)中的絕對(duì)位置。

三角網(wǎng)構(gòu)成了模型的骨架，三角形數(shù)組可以用來構(gòu)建模型的三角網(wǎng)，其信息為頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組的索引。

UV貼圖是將2D紋理映射到3D物體最靈活的一種方式。在這個(gè)過程中三維曲面網(wǎng)絡(luò)的XYZ被展平到一副二維(XY或者說UV)圖片中，這樣圖片中的顏色就被映射到曲面網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)的面得以體現(xiàn)相應(yīng)的顏色。UV貼圖可以提供較使用程序生成的材質(zhì)和紋理所不能達(dá)到的真實(shí)感。利用貼圖和UV坐標(biāo)，就可以生成比較真實(shí)的模型。

3.2 Unity3D讀取gdmx文件接口實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建1個(gè)模型的數(shù)據(jù)主要包含點(diǎn)線面貼圖等信息，利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和C#類的組織方法，組織建立起1個(gè)基本矢量圖形系統(tǒng)的圖形元素類。它能夠處理點(diǎn)類、三角面類、模型類等圖形元素，針對(duì)每類圖形元素組織建立起對(duì)其進(jìn)行管理的C#類。管理矢量圖形系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)的方法即文檔管理機(jī)制。其思路是：每個(gè)圖形元素是圖形元素類創(chuàng)建的1個(gè)對(duì)象，在創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象時(shí)得到指向這個(gè)對(duì)象的指針，建立1個(gè)對(duì)象指針數(shù)組來管理這些指針，以達(dá)到管理所有圖形元素對(duì)象的目的。C#提供了多個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組結(jié)構(gòu)如ArrayList，List，Vector，Map等。由于List不能在iPhone中使用，考慮到軟件的跨平臺(tái)功能，不作考慮。綜合考慮效率和安全選擇ArrayList作為容器保存各種不定數(shù)量的數(shù)據(jù)。

(1)創(chuàng)建mesh。通過讀取gdmx模型數(shù)據(jù)可以新建mesh類，這是Unity3D提供的一個(gè)API以方便程序員用代碼控制模型。網(wǎng)格(meshes)包括頂點(diǎn)和多個(gè)三角形數(shù)組，三角形數(shù)組是頂點(diǎn)的索引數(shù)組，每個(gè)三角形包含3個(gè)索引。每個(gè)頂點(diǎn)可以有1條法線，2個(gè)紋理坐標(biāo)，及顏色和切線。雖然這些是可選的，但是也可以去掉。所有的頂點(diǎn)信息是被儲(chǔ)存在單獨(dú)的同等規(guī)格的數(shù)組中，比如說1個(gè)網(wǎng)格(mesh)有10個(gè)頂點(diǎn)，同樣應(yīng)該有大小為10的數(shù)組來存儲(chǔ)法線和其他屬性。新建立1個(gè)網(wǎng)格，應(yīng)該按照這個(gè)順序來做：①為頂點(diǎn)數(shù)組賦值；②為三角形數(shù)組賦值。

(2)生成材質(zhì)(Material)。為了保證模型的高精度和高質(zhì)量，在建模之前必須要確定各模型的材質(zhì)[8]。Unity3D提供Material類來修改模型材質(zhì)，可以利用它來設(shè)置自定義Shader著色器，紋理貼圖，顏色，材質(zhì)通道等信息[9]。同樣的這些信息都可以從gdmx文件中獲得，并通過MeshRenderer(網(wǎng)格渲染器)進(jìn)行渲染。

(3)添加物理屬性并顯示模型。一個(gè)模型不僅要有Mesh和Material還需要添加物理信息，如Collider(碰撞器)，Rigidbody(剛體)。如果沒有碰撞檢測，當(dāng)虛擬人物在三維場景中漫游或者行走時(shí)，會(huì)“穿墻而過”，而不會(huì)產(chǎn)生碰撞效果，這在現(xiàn)實(shí)中是不存在的[10]。

Unity3D提供了MeshCollider(網(wǎng)格碰撞器)類來檢測網(wǎng)格和物體之間物理碰撞。MeshCollider的碰撞精度很高，但是相應(yīng)的這也會(huì)消耗很多性能，為了提高系統(tǒng)效率，可以利用BoxCollider(立方體碰撞器)，SphereCollider(球體碰撞器)，CapsuleCollider(膠囊碰撞器)等對(duì)真實(shí)世界的碰撞進(jìn)行近似處理。

最后將生成的模型放到指定的位置，并指定模型的空間角(歐拉角)。

Unity3D讀取gdmx模型顯示效果如圖2所示。

圖2 Unity3D中礦山工業(yè)廣場顯示效果

3.3 虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)漫游功能。虛擬礦山漫游系統(tǒng)漫游功能分為3種情況：①鍵盤控制，類似于游戲中控制角色移動(dòng)，ASDW鍵控制視角移動(dòng)，方向鍵旋轉(zhuǎn)；②鼠標(biāo)控制，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊選擇目標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行漫游；③根據(jù)漫游路徑進(jìn)行漫游。礦山漫游效果如圖4所示。

圖4 井下漫游效果

(2)查詢功能。通過點(diǎn)擊屏幕獲取交點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)物體的名稱查詢物體的屬性信息，部分信息可能要通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示，運(yùn)行效果如圖6所示。

圖5 屬性信息獲取

圖6 屬性查詢結(jié)果

3.4 跨平臺(tái)軟件應(yīng)用

跨平臺(tái)概念是軟件開發(fā)中一個(gè)重要的概念，既不依賴于操作系統(tǒng)，也不信賴硬件環(huán)境。一個(gè)操作系統(tǒng)下開發(fā)的應(yīng)用，放到另一個(gè)操作系統(tǒng)下依然可以運(yùn)行。廣義而言，一般的計(jì)算語言都可做到跨平臺(tái)，開發(fā)商只需要提供各種平臺(tái)下的Runtime/中間件環(huán)境即可。嚴(yán)格而言是指用某種計(jì)算機(jī)語言編制的程序只需要做少量的修改，編譯之后即可在另外一種平臺(tái)下運(yùn)行，此時(shí)并不提供Runtime/中間件環(huán)境。

Unity3D擁有非常強(qiáng)大的跨平臺(tái)功能，把同一款應(yīng)用發(fā)布到不同的平臺(tái)，在同一個(gè)編輯器中就可以完成，可以非常方便地發(fā)布至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8、Android、Web平臺(tái)。利用Unity3D將虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)發(fā)布了3個(gè)版本：Windows版、Web版、Android版。

Android版和Web版運(yùn)行效果如圖7、圖8所示。

圖7 Android版運(yùn)行效果

4 結(jié) 語

圖8 Web版運(yùn)行效果

虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)可以對(duì)工人和技術(shù)人員進(jìn)行教育培訓(xùn)，通過身臨其境的體驗(yàn)快速熟悉礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以提高工人和技術(shù)人員的培訓(xùn)效率，提高工人和技術(shù)人員的安全生產(chǎn)意識(shí)。非行業(yè)人員以及學(xué)生也可以通過此系統(tǒng)了解礦山生產(chǎn)的真實(shí)情形。

虛擬礦山系統(tǒng)是數(shù)字礦山戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，而漫游仿真又是虛擬礦山系統(tǒng)的重要組成部分，因此虛擬礦山漫游仿真系統(tǒng)對(duì)于完善數(shù)字礦山工程，完善MGIS具有重大的意義。而跨平臺(tái)的數(shù)字礦山軟件使得數(shù)字不再僅僅局限于桌面程序，軟件的網(wǎng)絡(luò)化和移動(dòng)化將提高數(shù)字礦山軟件的生存能力，可以更方便、更快速地為礦山企業(yè)服務(wù)，為礦產(chǎn)資源評(píng)估、礦山規(guī)劃、開拓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全和決策管理進(jìn)行模擬、仿真和過程分析提供新的技術(shù)平臺(tái)和強(qiáng)大工具。該系統(tǒng)是建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化基礎(chǔ)上的，綜合考慮了生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，可以使企業(yè)實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，提高其整體效益、市場競爭力及適應(yīng)能力的目的，最終實(shí)現(xiàn)礦山的綜合自動(dòng)化。

[1] 吳立新．?dāng)?shù)字礦山技術(shù)[M]．長沙：中南大學(xué)出版社，2009：10-20． Wu Lixin.Technology for Digital Mine [M]．Changsha：Central South University Press，2009：10-20.

[2] 郭玉社．礦井測量與礦圖[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：64-79． Guo Yushe.Mine Survey and Mine Map [M]．Beijing：Chemical Industry Press，2007:64-79.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Design and Implementation of Virtual Mine Roaming Simulation System Based on Unity3D

Xiu Chunhua1Sun Xiujuan2Miao Po1Che Defu1

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.GeoogicalSurveying&MappingInstituteofShandongProvince，Jinan250003，China)

In view of some shortcomings in a three-dimensional virtual mine system，like high fidelity，strong interaction and multi-platform，a method based on Unity3D platform to realize 3D Virtual Mine is provided.The primary process includes acquiring the three-dimensional coordinate data and attribute data of topography and geology，establishing three-dimensional model of mine，and importing the model into the Unity3D engine.Digital mine can realize real-time rendering，and integrate three-dimensional data with two-dimensional spatial data.Based on these，C# language is used to write the script to realize the function of the system.The virtual mine roaming simulation system is embedded into multiple platforms finally.According to the tested results of Qianjiaying Coal Mine in Tangshan，the system has run smoothly in 3 platforms (Windows，Android smartphone and the Web).The system is realistic and has friendly interface.The system owns the functions of the virtual roaming simulation and mine attribute-information query and others.

Virtual mine，Roaming simulation，Unity3D，Multi-platform

2015-03-04

修春華( 1972—) ，女，實(shí)驗(yàn)師。通訊作者 車德福( 1970—) ，男，教授,博士。

TD178

A

1001-1250(2015)-04-262-05