煤礦井下漫游系統(tǒng)的探索與實現(xiàn)

潘淑慧　齊運瑞

摘 要：該文針對目前煤礦培訓方面的現(xiàn)狀，結合3D技術產(chǎn)品的特點，提出了煤礦井下安全培訓的一種新思路，即煤礦井下漫游及交互式教學管理系統(tǒng)。文中分析比較了幾種實現(xiàn)技術，同時介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的思路和方法，對Unity3D技術的使用要點也進行了闡述，并針對實現(xiàn)過程中用到的技術點進行了詳細剖析。

關鍵詞：井下漫游 交互式教學 安全培訓 實操模擬 Unity3D

中圖分類號：TD672 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0061-02

目前，我國煤礦生產(chǎn)安全問題仍不容樂觀。在教育上，雖然加大了培訓和管理力度，但由于我國井下作業(yè)人員基礎文化素質(zhì)整體偏低，生產(chǎn)任務較重且機械化程度不高，以至于為了完成生產(chǎn)任務而降低考核門檻，且院校式培訓枯燥乏味、理論多于實踐，許多新的專業(yè)知識涉及文化程度較高，且不具備趣味性，使很多學習者無法接受甚至厭學，所以取得的成效并不明顯，還有很多仍停留在形式上[1]，并不能很好地解決向工人傳授新知識的問題，對于未下過井的新員工更是難以直觀地理解所講到的煤礦井下設備和專業(yè)知識。煤礦井下漫游系統(tǒng)可以讓未下過井的人員以第一人稱或第三人稱的形式參與到系統(tǒng)場景中，通過在虛擬的井下巷道內(nèi)漫游，直觀地了解井下巷道構建、設備管理、安全注意事項等知識；同時也可以模擬真實操作機械設備的動作，這種交互式的教學體驗能讓學習者有真實的在井下操作設備一樣的體驗。

1 三維交互的出現(xiàn)—VRML

1.1 VRML簡介

VRML[2]是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言，被廣泛地應用于網(wǎng)頁的基礎交互。但用VRML建立復雜的三維模型是相當繁雜和困難的，而且毫無直觀性可言，所以如果要實現(xiàn)三維的虛擬與交互功能，就需要在3D制作軟件中制作三維場景模型。作為三維制作軟件中的翹楚，3Ds Max早期所在的Discreet公司當然也認識到了其中巨大的商機，并在程序中提供了大量的技術支持。

1.2 VRML在3Ds Max中的基本運用

在3Ds Max中完成場景模型的建立后，在導出時選擇VRML97格式便可導出后綴名為WRL的文件，在瀏覽器中安裝相關插件后，便可在瀏覽器中進行了觀察。

在3Ds MaxCreate面板的次級面板Helpers中，選擇下拉選項中VRML97選項，3Ds Max提供了12種幾乎包含所有虛擬現(xiàn)實功能的特有造型。比如：Anchor用來創(chuàng)建虛擬空間中的一個錨點造型，它用于VRML世界之間的鏈接；TouchSensor用來創(chuàng)建虛擬空間中的一個接觸傳感器造型；Inline是一種虛擬空間構造技術，它允許其在分離的VRML文件中創(chuàng)建VRML世界中的每一個造型，然后其可以將這些造型組織起來構造出相當復雜的VRML世界。Inline類似于模塊化的設計思想，它使得你不必進行某些重復性的工作，從而極大地減輕了開發(fā)負擔。

2 強大的3D交互制作軟件

雖然VRML已經(jīng)具備了基本的虛擬與交互功能，但對于我們比較復雜的煤礦井下整體架構的表現(xiàn)，如復雜模型、燈光、材質(zhì)、角色等都還很難表現(xiàn)得完整，如要實現(xiàn)更復雜的碰撞檢測、GUI等更是有所欠缺。尤其對于開發(fā)者，其非交互式的開發(fā)更是難以操縱。

目前三維虛擬現(xiàn)實制作軟件種類繁多，但目前市場上最活躍的虛擬現(xiàn)實軟件當應屬Unity Technologies開發(fā)的unity3d，Unity是一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director、Blender game engine、Virtools或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，其編輯器運行在Windows 和Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android平臺。也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。unity3d作為后起之秀，完美總結了前輩們的開發(fā)經(jīng)驗，其強大的地形功能可以讓其快速地創(chuàng)建完美的地形場景，雖然unity3D以做游戲著稱，但如果用其制作我們所需要的煤礦井下漫游及設備教學等方面卻是游刃有余，尤其對于懂編程的人員非常容易上手，其自帶的MonoDevelop編程工具功能也是異常強大。目前可以完美地支持C#、javascript、Basic.NET、CIL、C與C++等。

3 井下漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

要實現(xiàn)在井下巷道內(nèi)的動作事件，首先需要在三維制作軟件中（3ds max、maya等）做出基本的巷道場景模型，通過導出后綴名為FBX格式的文件，再導入Unity3D場景中便可。（需要注意的是，Unity3D不支持中文名，所以，在三維軟件中制作場景模型時，其文件夾存放地址和貼圖文件命名都必須要使用英文或字母，貼圖可在三維制作軟件中調(diào)整好UV后烘焙出來，在Unity3D中可以直接拖入模型使用[3]。導出時也需要適當設置，如是否加載動畫、導出后模型的朝向等。）

3.1 導入場景（模型）

在Unity3D中，導入模型有很多種方法，即可以通過Assets菜單的Import Package命令導入；也可以通過直接拖入Assets視口中導入；還可以將文件直接復制到Unity項目文件中的Assets目錄的相關文件夾下，Unity3D會自動將其轉換為自身的文件。

3.2 導入角色及動畫

在導入Unity3D中含有動畫角色時，不需要導入含有單個動作的多個模型，只需要在一個模型上建立完整的多個動作，便可在Unity3D中以幀為節(jié)點將每段動畫保存為單獨的一個動作片段。

導入角色后，在Assets視口選擇此模型，然后在Inspector視口中將Rig菜單項的Animation Type下拉選項卡選擇為Legacy，點擊Apply應用后動畫模型才能生效。接著進入Animations菜單項設置動畫片段，如果要應用動畫，必須勾選“Import Animation”）點擊Clips選項下的“+”“-”按鈕可添加或刪除一個動畫片段，并可在下面的字符框中更改動畫名稱，選擇其中一個片段，設置其起始幀（“Star”“End”）便完成了一段動畫的定義，點擊Apply應用設置[4]。

現(xiàn)在假設在我們需要在按下“W”鍵后這個模型會沿著自己軸向前運動，同時播放一段已經(jīng)定義好的走路動畫“walk”，按下“S”鍵后向后走，按下“A”和“D”鍵會向左或右旋轉（定義其行走方向），那么我們只需要很簡單的幾行代碼就可以實現(xiàn)。（在做代碼之前，我們需要先在Assets面板新建一個javascript，將其命名為move，雙擊會自動打開Unity3D自帶的編程工具Monodevelop，如果不能自動打開，需對其進行設置：Edit-Preferences-ExternalTools）

//定義移動和旋轉的速度

var MoveSpeed：int=5；var RotateSpeed：int=2；

function Update（）{//如果按下W鍵

if （Input.GetKey（KeyCode.W））

{//模型位置向前移動5

this.transform.Tanslate（Vector3.forward*MoveSpeed*Time.deltaTime）；

//播放動畫片段walk

this.animation.CrossFade（“walk”）；}

if （Input.Getkey（KeyCode.S））

{this.transform.Translate（Vector3.forward*-MoveSpeed*Time.deltaTime）；

this.animation.CrossFade（“walk”）；}

if （Input.Getkey（KeyCode.A））

{this.transform.Rotate（Vector3.up*RotateSpeed）；}

if （Input.Getkey（KeyCode.A））

{this.transform.Rotate（Vector3.up*RotateSpeed）；}}

要在Unity3D中運用這段代碼，只需將代碼文件move拖放到（人物）模型文件上即可。

將模型（人物）拖進調(diào)試窗口，按下播放鍵。此時，當按下鍵盤上預先設定的A、D、W、S鍵時，（人物）模型便會按我們代碼的設定進行動作。

3.3 Unity3d中的剛體

煤礦井下巷道空間封閉性相對較強，為了讓我們的人物模型穿墻而過或掉落地面，也就是出現(xiàn)穿幫的非現(xiàn)實世界可能出現(xiàn)的那類鏡頭，還必須為場景設置剛體，通過Unity3d的剛體檢測功能來實現(xiàn)我們需要的很多交互功能。

要實現(xiàn)簡單的剛體碰撞，只需要選擇需要參與碰撞檢測的模型，然后點擊Inspector面板的Add Component，在Physics選項中為其選擇適當?shù)膭傮w碰撞類型即可，此時參與碰撞的兩個物體就會像真實世界里的物體一樣發(fā)生仿真碰撞，而不會出現(xiàn)進入某個實心物體內(nèi)部的現(xiàn)象，可以增加碰撞的真實性。

3.4 Unity3d中數(shù)據(jù)的交互

有數(shù)據(jù)交互才會有真實體驗的感覺，所以，在使用Unity3d創(chuàng)建模擬場景時都要加入對數(shù)據(jù)庫的操作。通過定義connectionString字符串、創(chuàng)建SqlConnection對象，我們可以在Unity3d中操作數(shù)據(jù)庫，以便實時展示數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息。這樣在漫游的同時也可以實時查看各個設備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)及參數(shù)。比如：當瓦斯探測儀的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過傳感器提取了到數(shù)據(jù)庫中，而交互系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫也建立了連接，則當體驗用戶走到該瓦斯探測儀跟前時，如果探測儀數(shù)值超過了預先設定的界限，則會聽到探測儀的報警，進而采取相應的應急措施。

4 結語

不論是從教育還是體驗來說，一個三維虛擬、交互的場景都具有非常強大的吸引力，目前我們已經(jīng)制作出了基礎的井下漫游和簡單的設備交互及數(shù)據(jù)實時展示，結合強大而日益完善的設計制作軟件，我們將實現(xiàn)更高級的動畫體驗及交互。針對我們煤礦工人這個特殊的群體，制作出以第一人稱或第三人稱游戲娛樂為主要形式的教育教學工具，讓其感受主動式的操作和毫無防備的知識技能滲透，所提供知識的接受率會大大提高。在培訓和教育上也會上到一個新臺階。

參考文獻

[1] 陳靜.我國煤礦安全培訓管理體系的現(xiàn)狀及存在問題研究[D].云南大學，2013.

[2] 蔣文燕，欒汝朋，朱曉華.基于VRML_ArcGIS的虛擬旅游景觀設計與實現(xiàn)[J].地理研究，2010（9）：1715-1723.

[3] 干建松.基于Unity3d的室內(nèi)漫游的關鍵技術研究[J].鹽城工學院學報：自然科學版，2011（4）：56-59.

[4] 王樹斌.淺析Unity3d開發(fā)游戲流程及常用技術[J].電腦知識與技術，2012（22）：5351-5352.