基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的煤礦三維可視化展示系統(tǒng)設(shè)計

楊景峰

(陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤礦近年來大力推進(jìn)“兩化融合”“四化建設(shè)”工作，從數(shù)字化礦山逐步向智能化礦山邁進(jìn)[1-3]。智能化礦山就是對生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進(jìn)行主動感知、自動分析、快速處理的無人礦山。智能化礦山是本質(zhì)，礦山的數(shù)字化、信息化是智能化礦山建設(shè)的前提和基礎(chǔ)[4-6]。三維可視化礦山系統(tǒng)建立的前提，在于生產(chǎn)場景在管理平臺中的還原，使之具備可視化的基礎(chǔ)屬性。

煤礦三維可視化展示系統(tǒng)建設(shè)的最終目標(biāo)，是基于三維建模、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，建立煤礦的基礎(chǔ)三維地理數(shù)據(jù)制作與三維虛擬可視化展示系統(tǒng)的開發(fā)。最終完成一套能夠針對煤礦進(jìn)行漫游、瀏覽、工藝流程展示的三維可視化平臺。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真技術(shù)，它利用計算機(jī)生成一種交互式的三維動態(tài)視景，其實體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中[7-8]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合了計算機(jī)圖形技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，它在多維信息空間上創(chuàng)建一個虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。沉浸、交互、構(gòu)想是VR環(huán)境系統(tǒng)的3個基本特性，虛擬技術(shù)的核心是建模與仿真。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

系統(tǒng)包含三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與VR展示系統(tǒng)開發(fā)2個方面內(nèi)容。

三維建模與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理：內(nèi)容包括三維場景建模與煤礦主要設(shè)備建模2部分。三維模型建立的精度直接影響到場景展示的效果，采用傾斜攝影測量技術(shù)高效、高質(zhì)量的完成整個礦區(qū)地形模型建立；利用三維建模軟件也可快速完成大型生產(chǎn)設(shè)備的模型構(gòu)建。

VR展示系統(tǒng)開發(fā)：設(shè)計一套先進(jìn)、可擴(kuò)展的煤礦虛擬場景展示系統(tǒng)。通過VR平臺，構(gòu)建煤礦虛擬場景，采用飛行漫游的方式，擬定好礦區(qū)瀏覽展示路線，突出煤礦生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場的虛擬展示，可以全方位的了解礦山。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

煤礦VR展示系統(tǒng)組網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 煤礦VR展示系統(tǒng)組網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器，進(jìn)行交互數(shù)據(jù)的處理，并傳遞處理結(jié)果至展示終端，展示終端可以將接收到的交互數(shù)據(jù)，如采煤機(jī)割煤、安全提示等消息，通過可穿戴設(shè)備，展示在使用者眼中。

同時，可穿戴設(shè)備可以通過交互接收器，將下一步動作發(fā)送到處理終端并由統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器收集處理。圖2為煤礦VR展示系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖2 煤礦VR展示系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)實施過程中，需要實現(xiàn)兩個主要模塊，即統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器模塊和業(yè)務(wù)服務(wù)器模塊。在實現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器時，需要根據(jù)礦山實際情況，建立礦山1∶1，1∶3，1∶5，1∶10模型，由虛擬人物實現(xiàn)全礦山漫游數(shù)據(jù)的采集。統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器需要完成交互數(shù)據(jù)的接收，接收由業(yè)務(wù)展示器發(fā)送的交互信息，例如確認(rèn)采煤機(jī)附近安全，并開啟采煤機(jī)動作等。交互數(shù)據(jù)留存在服務(wù)器中，以便日后的操作流程追溯。業(yè)務(wù)服務(wù)器需要完成對交互信息的進(jìn)一步處理，統(tǒng)計生成異常操作點報告報表，以便針對異常多發(fā)點組織進(jìn)一步的安全實踐培訓(xùn)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計說明

場景交互漫游：場景交互漫游功能通過上帝視角與第一視角兩種瀏覽模式對整個礦區(qū)模型進(jìn)行漫游與瀏覽，實現(xiàn)手動可控制的位置瀏覽、位置變換功能，以位置的變換切換對不同設(shè)備或場所的瀏覽。同時，交互漫游也是開啟自動漫游、生產(chǎn)工藝流程回訪功能的入口。上帝視角模式中，提供對整個礦區(qū)的整體瀏覽功能，在礦區(qū)上空進(jìn)行宏觀層面的瀏覽；第一視角模式中，提供“走動”功能，由體驗者自行在可行動區(qū)內(nèi)行走、體驗。在場景中系統(tǒng)提供“游覽車”載具及“車站”，在第一視角模式中體驗者可與之互動乘坐，實現(xiàn)自動按照事先編輯路線進(jìn)行場景漫游。同時，提供“工藝流程介紹展板”，瀏覽者在場景中互動觸發(fā)后實現(xiàn)特定工藝流程場景的流程回放功能。

場景自動漫游：利用“游覽車”載具實現(xiàn)場景自動漫游功能，系統(tǒng)從第一視角模式啟動自動漫游功能后，可選擇事先制定的游覽路線，設(shè)置行進(jìn)速度等觀覽參數(shù)后進(jìn)行自動漫游功能。游覽過程中，將對涉及的地點進(jìn)行語音、文字或視頻介紹。

漫游路線管理：漫游路線管理功能，提供對自動行進(jìn)路線及相關(guān)語音、文字、視頻介紹內(nèi)容的編輯功能。

信息查詢：信息查詢功能主要提供系統(tǒng)展示場景內(nèi)相關(guān)設(shè)備的屬性查詢，包括基本外觀參數(shù)、技術(shù)參數(shù)、工作方式介紹、原始圖片資料等。

生產(chǎn)工藝流程展示(回放)：利用自動漫游中對游覽車中相關(guān)按鈕操作，或交互漫游中某一生產(chǎn)工藝流程展示區(qū)附近的工藝流程介紹展板操作可觸發(fā)生產(chǎn)工藝流程展示程序。利用VR技術(shù)將預(yù)編制的工藝流程自動執(zhí)行流程配以解說詞帶領(lǐng)參觀人員進(jìn)行身臨其境的沉浸式體驗。

生產(chǎn)工藝流程編制：本功能提供工藝流程的具體分解步驟、動作、動畫效果的編制。

設(shè)備模型管理：三維虛擬展示系統(tǒng)主要涉及場景模型與設(shè)備模型兩個方面，其管理功能主要完成模型的分類、查詢、導(dǎo)入、導(dǎo)出等一系列相關(guān)內(nèi)容。

操作權(quán)限管理：系統(tǒng)中需要區(qū)分管理權(quán)限，操作權(quán)限管理用來設(shè)置、分配人員的角色、權(quán)限。普通用戶不能操作生產(chǎn)流程編制、模型管理、權(quán)限管理等功能。

系統(tǒng)終端展現(xiàn)方式：①電腦PC端。利用鍵盤+鼠標(biāo)的方式進(jìn)行體驗，設(shè)置鍵盤的相關(guān)鍵作為“前進(jìn)”“后退”等動作，鼠標(biāo)控制行進(jìn)方向；②較少人參觀時的方式。利用VR頭顯+Touch手柄的方式進(jìn)行體驗，體驗者帶上VR頭顯設(shè)備進(jìn)行虛擬場景的交互體驗，其他人可通過大屏實時觀看體驗者的視角，從而了解煤礦相關(guān)情況；③較多人參觀時的方式?？衫谜{(diào)度室大屏幕，觀看煤礦3D動畫展示，同時為增強(qiáng)3D體驗的效果，可佩戴3D眼鏡進(jìn)行觀看。

3 三維模型建立及VR展示引擎應(yīng)用開發(fā)

3.1 虛擬場景及主要生產(chǎn)設(shè)備三維建模

三維建模采用國內(nèi)主流的傾斜攝影自動建模系統(tǒng)smart 3D進(jìn)行真三維模型的制作，該系統(tǒng)是基于攝影測量原理，對大重疊度的傾斜影像進(jìn)行空三加密、連接點密集匹配等過程，最終生成真三維模型。

精細(xì)建模采用DP-Modeler軟件，將整個實景三維模型加載，在此基礎(chǔ)上對每個設(shè)備單獨建模，實現(xiàn)模型的單體化，對復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)在3Dmax中進(jìn)行處理，最后對所有單體模型自動映射傾斜影像紋理，同時將現(xiàn)場拍攝的底商紋理賦予模型，得到測區(qū)的精細(xì)實景三維模型。

3.2 生產(chǎn)工藝流程腳本編制

生產(chǎn)工藝通過現(xiàn)場采集工藝流程，針對不同的流程，在模型中設(shè)置不同的流程動作觸發(fā)點。煤礦主要生產(chǎn)工藝流程包括：采煤機(jī)作業(yè)流程、綜掘機(jī)作業(yè)流程、主運輸皮帶作業(yè)流程等。

3.3 VR展示引擎應(yīng)用開發(fā)

VR展示部分使用Unity3D引擎，驅(qū)動模型進(jìn)行包括場景漫游在內(nèi)的所有內(nèi)容。圖3為Unity3D VR引擎界面。

圖3 Unity 3D VR引擎界面

Unity3D是目前市面上最常用的VR引擎之一，其高度的適配能力可以為礦山、工廠、機(jī)場等大型的戶外施工場地進(jìn)行模型驅(qū)動。開發(fā)過程中通過3Dmax進(jìn)行模型建立，在模型完成的情況下，使用Unity3D實現(xiàn)場景的漫游和交互。

4 結(jié)語

生產(chǎn)調(diào)度指揮中心是煤礦中樞部分，承擔(dān)著生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)宣傳、展示煤礦主要生產(chǎn)工藝流程的重要職能。通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的煤礦三維展示系統(tǒng)設(shè)計，完成煤礦實景真三維模型數(shù)據(jù)與礦區(qū)大型設(shè)備三維建模，完全滿足各項精度指標(biāo)要求，能滿足煤礦生產(chǎn)工藝展示，并滿足后期煤礦各項工作生產(chǎn)、設(shè)備監(jiān)控與調(diào)度以及規(guī)劃建設(shè)的需要，對提升煤礦信息化、智能化水平有著重要意義。