VR技術(shù)在采礦實踐教學(xué)中的應(yīng)用

陳 爽，王 強

(中國礦業(yè)大學(xué) 職業(yè)與繼續(xù)教育部， 江蘇 徐州市 221008)

VR技術(shù)在采礦實踐教學(xué)中的應(yīng)用

陳 爽，王 強

(中國礦業(yè)大學(xué) 職業(yè)與繼續(xù)教育部， 江蘇 徐州市 221008)

由于煤炭企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重，安全生產(chǎn)責(zé)任大，事故隱患多，學(xué)生到煤礦往往不能深入到生產(chǎn)一線頂崗實習(xí)，致使煤炭高校的實踐教學(xué)計劃難以落實，為了解決這一問題引入了先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)，開發(fā)了交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)。利用3Ds Max軟件進行三維建模、貼圖及渲染烘托，利用VRPlatform進行交互性設(shè)計及平臺的融合，設(shè)計了虛擬礦井教學(xué)系統(tǒng)；并對設(shè)計制作過程中遇到的問題提出了解決方案。

三維虛擬礦井；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；3Ds Max；VRP

為了跟隨新型工業(yè)化發(fā)展的步伐，適應(yīng)能源生產(chǎn)與消費革命的新要求，煤礦行業(yè)走綠色、安全、高效開采之路已經(jīng)成為共識，作為煤炭高校必須進行教育改革，培養(yǎng)出適合新形勢發(fā)展的實踐與創(chuàng)新能力強的高等技術(shù)人才。然而在搭建實踐教學(xué)能力培養(yǎng)平臺的過程中，由于煤炭企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重，安全生產(chǎn)責(zé)任大，事故隱患多，學(xué)生到了煤礦，不能深入到生產(chǎn)一線頂崗實習(xí)，致使煤炭高校的實踐教學(xué)計劃難以落實，為了解決這一問題，應(yīng)用先進的虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)了交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生搭建了一個良好的反映復(fù)雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的實習(xí)平臺。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，利用計算機仿真生成一個與真實情況相同的三維空間的虛擬世界讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實充分運用計算機三維建模技術(shù)、3D立體顯示技術(shù)、對用戶身體部位動作的跟蹤技術(shù)、 立體聲等多種技術(shù)，使用戶達到身臨其境的感覺[1￣14]。

目前，虛擬現(xiàn)實平臺種類繁多，比較知名的有Virtools、Quest3D、Converse3D、ShiVa3D、 WebMax、unity 3D等,本人主要采用由國內(nèi)虛擬現(xiàn)實開發(fā)廠商中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的Virtual Reality Platform軟件(簡稱VRP)作為開發(fā)平臺；采用功能強大，集成3D建模、動畫和渲染解決方案的軟件Autodesk 3Ds Max 2010作為3D建模工具；利用微軟公司開發(fā)的C語言作為開發(fā)工具。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以教學(xué)礦井為設(shè)計模型，建立包括礦井工業(yè)廣場、信息調(diào)度指揮中心、空壓機房、井筒絞車房等地面建筑和井筒、井底車場、硐室、大巷、采掘工作面、主要采掘設(shè)備等井下主要建筑和設(shè)備的虛擬礦井模型，能夠在虛擬礦井模型中實現(xiàn)礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)的模擬仿真、各類礦井災(zāi)害事故仿真與分析、井上下虛擬漫游等功能。在采礦等相關(guān)專業(yè)需要進行認(rèn)識實習(xí)或者煤礦工人進行崗前培訓(xùn)時，能夠在一個舒適安全的環(huán)境中進行真實礦井系統(tǒng)環(huán)境的講解、瀏覽及學(xué)習(xí)培訓(xùn)，避免現(xiàn)場實習(xí)影響企業(yè)安全生產(chǎn)。

系統(tǒng)利用相機拍攝礦井實際環(huán)境照片，采集信息， 利用Potoshop圖像處理軟件處理照片內(nèi)容，修整處理，使之能為后期3Ds Max軟件建模時候的紋理貼圖所用；整體的虛擬礦井系統(tǒng)基于煤礦生產(chǎn)的CAD圖紙，使用3Ds Max軟件基于采掘工程平面圖的真實坐標(biāo)搭建虛擬世界, 在虛擬交互平臺軟件VRP中對場景進行進一步的處理，優(yōu)化并設(shè)置各部分設(shè)備的動畫設(shè)定、添加培訓(xùn)時需要講解的內(nèi)容資料、設(shè)備動畫展示及礦井的瀏覽路徑等。

1.1 基礎(chǔ)資料的采集整理

虛擬礦井建設(shè)前期需要采集現(xiàn)場工業(yè)廣場、井筒、硐室、大巷、工作面等場所和設(shè)備的照片以及采掘工程平面圖、井上下對照圖等礦圖文件。

采集照片是為了在3Ds Max中搭建模型的時候進行貼圖的制作，為了提高虛擬場景的真實性，用真實的場景照片經(jīng)過處理后賦予搭建好的場景模型，會產(chǎn)生真實的外觀效果。

基于采掘工程平面圖、井上下對照圖等礦圖文件去搭建模型場景，能更好的在虛擬的世界中還原真實的場景內(nèi)容。

1.2 三維虛擬場景的建立

由于系統(tǒng)在制作的時候要考慮到新場景的真實及客觀性，在場景搭建的時候用3Ds Max建模軟件基于采掘工程平面圖完成。在這個時候有一個問題，真實的礦井CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Ds Max之后，由于CAD的真實坐標(biāo)數(shù)據(jù)一般不會產(chǎn)生在空間坐標(biāo)的(0,0,0)坐標(biāo)點上，所以在模型的制作初期可能會產(chǎn)生模型、線框及三維點的晃動。

此處的解決方法有兩種：一種是把導(dǎo)入的CAD礦圖進行打組，并移動到3Ds Max空間坐標(biāo)系的原點處；另外一種方法就是在模型的基礎(chǔ)框架搭好之后把需要詳細制作的模型另存，然后在新保存的3Ds Max文件中把模型移動到中心，制作詳細的內(nèi)容然后再導(dǎo)回到3Ds Max整體文件中，一個整體的礦井內(nèi)容包括地面工業(yè)廣場部分及井下巷道及采礦設(shè)備等部分，制作的過程中如果發(fā)生內(nèi)存不足或者處理器占用過高的情況，可以分開來制作，在后期導(dǎo)入進VRP的過程中再合并為一個整體。制作效果見圖1。

圖1 虛擬礦井三維模型

1.3 礦井設(shè)備的動畫制作

綜采一次采全高工作面一般采用雙滾筒采煤機落煤，刮板輸送機運煤，自移式液壓支架進行頂板支護方式實現(xiàn)工作面的連續(xù)開采。在制作采煤機系列動畫的時候，需要用到3Ds Max中的“曲線編輯器”及“動畫控制器”來設(shè)置割煤機的各個部件的剛體動畫關(guān)鍵幀(見圖2)。

3Ds Max場景中所有的對象在創(chuàng)建之始都帶有一個默認(rèn)的動畫控制器，所有的常規(guī)動畫參數(shù)都記錄在動畫控制器里。所有的動畫效果都由動畫控制器記錄，添加新的動畫控制器，實際上是將原有的動畫控制器更改為其他的更為合適的動畫控制器，如果在編輯過程中認(rèn)為新動畫控制器不適用，可以重新更換為原有的默認(rèn)動畫控制器。

在動畫模型的制作過程中，需要注意的是：添加有重復(fù)關(guān)鍵幀動畫的模型不可以用鏡像復(fù)制的方法來代替,每一個模型文件必須單獨制作并添加動畫關(guān)鍵幀文件及腳本內(nèi)容。如果是鏡像復(fù)制的模型，則會在導(dǎo)入進VRP時出現(xiàn)動畫模型在空間中“亂飛”的現(xiàn)象。解決這一問題的方法可以在3Ds Max軟件中給相關(guān)的模型添加一個“重置變換”屬性，在添加了“重置變換”屬性之后，在材質(zhì)球編輯器中給模型貼圖添加上“雙面”的參數(shù)，這樣在導(dǎo)入進VRP后就不會再出現(xiàn)上述問題。

圖2 綜采設(shè)備剛體動畫設(shè)置

1.4 虛擬系統(tǒng)在VRP中的設(shè)定

VRP編輯器在安裝的時候有功能插件可以直接適配到3Ds Max 2010版本中，在安裝了VRP導(dǎo)出插件的3Ds Max中，可以把制作好的模型直接導(dǎo)出為VRP所支持的文件格式。

模型導(dǎo)入進VRP編輯器后需要根據(jù)實際情況來判斷模型在VRP空間中的物理碰撞屬性、動態(tài)光照的開啟及模型貼圖的再次修改(見圖3)。

圖3 VRP中交互設(shè)置

在場景模型都設(shè)置好屬性之后，可以開始錄制動畫相機路徑。

VRP支持在自身編輯器中直接錄制路徑動畫相機，也支持3Ds Max中設(shè)置好的路徑動畫相機。路徑動畫相機的錄制應(yīng)當(dāng)遵循虛擬教學(xué)礦機在運行講解的時候所行走的路徑，或者按照既定的順序來依次錄制。

錄制的過程中應(yīng)隨時調(diào)節(jié)鏡頭的參數(shù)，以適應(yīng)不同的地質(zhì)模型環(huán)境。VRP中的相機分為行走相機、飛行相機、繞物體旋轉(zhuǎn)相機、角色控制相機等各種不同屬性的相機，這個可以按照制作的虛擬礦井的模型實際來選擇相應(yīng)的相機。

相機錄制完成后按照順序即可以在運行時自動播放。

在VRP中添加實際生產(chǎn)礦井中所用到的基礎(chǔ)設(shè)備模型，并添加模型設(shè)備的參數(shù)信息面板。通過VRP自帶的腳本編輯器來編寫程序，達到路徑動畫相機在靠近采礦設(shè)備的時候停止當(dāng)前動畫相機的播放并彈出相關(guān)設(shè)備的參數(shù)信息面板；在實現(xiàn)面板被點擊關(guān)閉以后當(dāng)前動畫相機能自動繼續(xù)播放的效果。

1.5 系統(tǒng)的發(fā)布及運行

當(dāng)搭建好的虛擬場景調(diào)試完成并添加了相應(yīng)的腳本文件之后就可以打包輸出場景。VRP編輯器支持直接生成EXE可執(zhí)行程序或者發(fā)布為VRPIE文件以便發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上共享使用。VRP編輯器生成的EXE可執(zhí)行程序自帶系統(tǒng)播放器，可以運行在任何平臺的WINDOWS系統(tǒng)上。本系統(tǒng)是針對在煤礦進行實習(xí)的與礦業(yè)有關(guān)專業(yè)的學(xué)生、煤礦新工人的崗前及安全培訓(xùn)使用而設(shè)計的。所以選擇發(fā)布為EXE格式的可執(zhí)行程序。

不過需要注意的是：系統(tǒng)的運行需要相應(yīng)的硬件環(huán)境支持, 否則運行效果將出現(xiàn)巨大差別, 出現(xiàn)這種問題的原因一方面與模型內(nèi)容的大小有關(guān), 另一方面與電腦的顯卡、內(nèi)存及處理器性能有關(guān)。

在發(fā)布EXE可執(zhí)行程序的時候可以設(shè)置加密或者直接運行；添加設(shè)置系統(tǒng)名稱、發(fā)布單位及信息，發(fā)布完成后即可在電腦上運行(見圖4)。

2 虛擬教學(xué)礦井系統(tǒng)的應(yīng)用

虛擬教學(xué)礦井系統(tǒng)通過基于偏振光的立體投影系統(tǒng)和人機交互設(shè)備，構(gòu)建高度沉浸感的互動虛擬教學(xué)礦井系統(tǒng)，用于采礦相關(guān)專業(yè)教學(xué)。

2.1 采礦工程專業(yè)認(rèn)識實習(xí)

通過認(rèn)識實習(xí)鞏固所學(xué)的理論知識，使理論更好的結(jié)合實際，使學(xué)生能夠建立對礦山的感性認(rèn)識，了解煤礦生產(chǎn)過程及各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，建立煤、機、電一體化的概念，樹立煤礦安全生產(chǎn)的理念，體會煤礦事業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位，了解采礦技術(shù)人員在煤礦所起的重要作用，為以后學(xué)好專業(yè)課程，奠定良好的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的認(rèn)識實習(xí)主要采用聽現(xiàn)場工程技術(shù)人員報告、井下及地面參觀、閱讀并討論有關(guān)資料等方式來實現(xiàn)。通過虛擬教學(xué)礦井系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了在3D實驗室使學(xué)生達到身臨其境的井下實習(xí)效果。

2.2 復(fù)雜知識點虛擬仿真教學(xué)

在采礦工程專業(yè)教學(xué)中，井筒、大巷、井底車場、上下山等錯綜復(fù)雜的巷道和地質(zhì)構(gòu)造、大型機械設(shè)備融在一起，使學(xué)生非常難以理解。傳統(tǒng)視頻的制作與多媒體教學(xué)的手段，不利于學(xué)生對井下巷道產(chǎn)生感性的認(rèn)識，而且多媒體手段也不允許教師自由探究某個局部巷道布置的細節(jié)，不允許對大型采掘機械實際操作演示。這些相對復(fù)雜的教學(xué)知識點，通過虛擬教學(xué)系統(tǒng)給學(xué)生一個動手能力和實際感性的認(rèn)識，并且在課堂上增加了最時尚和最前沿的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié) 論

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于3Ds Max 2010和VRP的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生實習(xí)提供了一種非常有效的手段。采用該技術(shù)開發(fā)的礦井虛擬仿真系統(tǒng)具有高仿真性、交互性和易實現(xiàn)等特點,能極大地提高相關(guān)專業(yè)實習(xí)、實踐教學(xué)的效果， 減少學(xué)生實習(xí)時間、提高實習(xí)效率, 保證實踐教學(xué)的安全及便捷。

該系統(tǒng)不僅可以供采礦、安全等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生生產(chǎn)實習(xí)，還可用于生產(chǎn)礦井對煤礦工人進行崗前培訓(xùn)及安全教育,為進一步實現(xiàn)煤礦行業(yè)走綠色、安全、高效開采之路奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：陳 爽(1962-)，女，黑龍江佳木斯人，高級工程師，主要從事計算機實驗教學(xué)工作,Email：89727546@qq.com。

仲 峰(1973-)，男，湖北宜昌人，碩士，高級工程師，研究方向為工程爆破技術(shù)與民爆裝備技術(shù)，Email：zfgege@sina.com。

2016￣10￣11)