虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）在金昌市智能礦山中的應(yīng)用

田建榮，王斌儒

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 金昌 737100）

金昌市緣礦興企、因企設(shè)市，是典型的資源型城市，礦業(yè)經(jīng)濟在全市經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的支撐作用，隨著礦巷的不斷推進，結(jié)構(gòu)越來越錯綜復(fù)雜，安全性也存在極大的風險。近年來虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)高速發(fā)展，在各行各業(yè)均得到了廣泛的使用。本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與金昌市智能礦山結(jié)合起來，對礦井巷道虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，在選取合適的設(shè)備后，開發(fā)礦山漫游系統(tǒng)，對企業(yè)智能礦山可視化管理和安全規(guī)避均有一定的指導(dǎo)作用。

1 技術(shù)路線

本文通過前期的數(shù)據(jù)和資料的收集，結(jié)合其他較為成熟的專業(yè)資料設(shè)計本次方案，主要解決的問題集中在巷道的三維建模，生產(chǎn)系統(tǒng)的搭建以及交互式程序的開發(fā)。

本文的主要技術(shù)路線如圖1所示。具體研究內(nèi)容如下。

圖1 關(guān)鍵技術(shù)路線圖

（1）以Maya2019為基礎(chǔ)軟件，深入研究礦山礦井和巷道中的建模方法，尤其是拱形巷道以及巷道交叉部分，同時研究巷道的三維紋理建設(shè)的技術(shù)，提出最終建模方案。

（2）虛擬現(xiàn)實的交互技術(shù)和漫游技術(shù)。用戶佩戴眼鏡后，可以通過人體移動、手柄控制，對礦山中的各個巷道進行漫游，對相關(guān)的部件設(shè)備進行交互，從而更加了解礦山的細節(jié)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Maya三維建模技術(shù)

Maya是一款十分流行且功能齊全的三維動畫軟件，相對于3DMAX等三維軟件，其自身具有獨特的功能。Maya的操作平臺基于Windows NT這樣的操作更簡便。制作起來Maya相對來說比較穩(wěn)定，它對計算機的硬件利用率也比較高。Maya不僅有類似于3D Studio MAX等PC三維軟件的普通建模功能，同時也具備了其他軟件少有的NURBS建模功能。

2.1.1 多邊形建模

多邊形組件適用于頂點、邊和面組件層級，或是上述三者中的兩個層級，其中倒角、擠出、合并、變換命令較為常用，如圖2所示。

圖2 多邊形建模示意圖

具體功能有以下幾種。添加分段：該命令常用于面或邊組件層級，根據(jù)組件類型，可以按指數(shù)或線性方式對選定的組件進行細分或分割操作。倒角：沿當前選定的邊或面創(chuàng)建倒角多邊形，是最為常用的命令之一。橋接：該命令允許用戶在選定的成對邊界邊之間通過構(gòu)建多邊形的方式將選定邊連接起來，而生成的橋接多邊形網(wǎng)格與原始多邊形網(wǎng)格組合在一起，且它們之間的邊會進行合并。圓形圓角：將當前選定的組件（包括頂點、邊或面）重新組織為完美的幾何圓形，非常適用于直接從現(xiàn)有形狀構(gòu)建結(jié)構(gòu)。擠出：從選定的頂點、邊或面上拉出新的多邊形，用于變換和重新定形新多邊形。合并：將位于指定閾值距離內(nèi)的選定邊或頂點合并起來，如將兩個選定邊合并為一個共享邊。

2.1.2 細分曲面建模

該技術(shù)是Maya軟件先進的建模技術(shù)，主要解決多邊形建模中存在的缺點，具有良好的操作性和可編輯性。

2.2 三維建模的材質(zhì)技術(shù)

建模材質(zhì)的好壞決定了一個模型的真實性，如果沒有材質(zhì)技術(shù)，細節(jié)將缺失嚴重。常用的材質(zhì)有5種，分別是blinn（布林材質(zhì)）、Lambert（蘭伯特）、Phong（馮）、Phong E和Anisotropic。

2.3 Unity3D

Unity3D也稱Unity，是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個讓玩家輕松創(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。

3 三維建模

3.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)的采集決定了金昌市礦山虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的真實性，其關(guān)鍵之處在于獲取對象的三維空間位置，測量長度、走向等信息。本文主要通過收集平面CAD電子圖件確定參數(shù)。對于建模所需要的紋理數(shù)據(jù)，本文主要通過軟件自帶、網(wǎng)上查找和現(xiàn)場拍攝等方式獲得，盡量保證數(shù)據(jù)的真實性和準確性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本文中的數(shù)據(jù)處理主要是在滿足建模要求和細節(jié)表現(xiàn)的基礎(chǔ)上按照去繁就簡的原則進行處理，處理內(nèi)容主要包含空間數(shù)據(jù)處理，巷道數(shù)據(jù)處理和紋理數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包含斷面圖和尺寸等，紋理處理通過PS軟件進行處理，通過對尺寸、色彩、亮度和對比度進行調(diào)節(jié)，使其盡量負責實際的要求。

3.3 巷道和礦井三維建模

根據(jù)上述的技術(shù)要求，結(jié)合處理完成的數(shù)據(jù)，搭建礦井的整體結(jié)構(gòu)。由于巷道拓普關(guān)系復(fù)雜，常常出現(xiàn)上下、平面內(nèi)多個巷道、礦井交錯交叉的情況，這類模型的處理是本文研究的重點。針對這個特點難點，本文將巷道模型簡化為拱形模型，在Maya中生產(chǎn)出規(guī)范的模型之后，采用一個基于mel語言的Maya插件，實現(xiàn)了輸入?yún)?shù)就能實現(xiàn)生成相應(yīng)尺寸巷道的功能，大大簡化了制作流程。其他的模型主要是對其進行拉伸、頂點處理等，結(jié)合具體需要的巷道長度參數(shù)L制作，使其盡量符合實際情況。對于復(fù)雜的巷道交叉情況，先做出交叉拓撲模型，確定巷道交叉點之間的連接節(jié)點，再調(diào)整參數(shù)處理，進行賦值、旋轉(zhuǎn)等操作，如圖3所示。

圖3 巷道建模技術(shù)路線

對于整體生產(chǎn)系統(tǒng)，需要提前確定好巷道的坐標，具體可以在CAD平面圖上進行量取，也可以通過實地定位，也可通過平面和剖面圖的結(jié)合來進行，由于考慮到安全性，本文將采用第3種方法確定坐標，在保證時間的同時也可以保證精度。整體生產(chǎn)系統(tǒng)可以在Maya中的面選擇工具制作完成，如圖4所示。

圖4 巷道建模圖

3.4 三維模型的優(yōu)化

過多和過大的模型會消耗電腦的內(nèi)存和提升加載的時長，故為了保證其流暢度，可做以下的工作。先進行冗余邊的刪除，進而整合面文件；其次是刪除多余的面；再者就是通過模型調(diào)用副本的方式，也可以減少模型的體量。

3.5 貼圖技術(shù)

三維建模技術(shù)之后，為了保證其真實感，將對三維模型進行貼圖，貼圖時需要不斷選擇良好材質(zhì)，注意燈光效果，調(diào)節(jié)色彩。由于巷道中存在礦體巖石、設(shè)備、軌道等不同物件，光線的調(diào)節(jié)尤為重要。在對整體進行紋理處理時，也要注意貼材質(zhì)角度的問題，在Maya軟件中，提供了平面、援助、球體、自動、UV等5種映射放射，實際貼圖時根據(jù)需求進行選擇，不然會出現(xiàn)紋理差異很大的現(xiàn)象。對于比較規(guī)則的巷道，可以用自動映射的方式，先給三維模型進行網(wǎng)格貼圖，查看其平整度，如果UV不規(guī)整，選取自動模式，將網(wǎng)格貼圖映射到模型上，打開編輯器，通過拉伸、移動、縮放等方式進行調(diào)整。

4 虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

金昌礦山虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是在Maya軟件建模的基礎(chǔ)上，使用Unity3D軟件開發(fā)平臺技術(shù)進行虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的開發(fā)，該軟件可將上述的三維模型進行深度渲染，輔助以人機交互的指令開發(fā)。

4.1 需求和功能設(shè)計

為了實現(xiàn)用戶能夠漫游礦井巷道，查看礦井的細節(jié)，設(shè)計以下幾點需求：

（1）在構(gòu)建了真實的三維模型之后，需要構(gòu)建一個可以漫游、防碰撞和防穿透的場景，需要漫游角色通過VR眼鏡的手柄和人體移動來進行操作。（2）要具有深度的沉浸感，視點指引和真實世界具有很好的代入感。

4.2 嵌入模型

將Maya建設(shè)好的三維模型導(dǎo)出為FBX格式后，在軟件項目面板中創(chuàng)建Model（存放三維模型）、Scene（場景文件）、Script（腳本語言）3個模塊，將模型導(dǎo)入Unity3D軟件Model之中，自動生成文件夾存放材質(zhì)，需要注意的是要一并將素材貼圖導(dǎo)入。

在層次面板中建立空對象，將導(dǎo)入的三維模型放到對象紙上，提示導(dǎo)入成功。在Unity3D軟件中對三維模型的位置和常用屬性進行調(diào)節(jié)和查看，如果模型存在一定的穩(wěn)定，在Maya文件中重新進行處理，確認無誤后方可在Unity3D中繼續(xù)操作。

4.3 腳本制作

在制作腳本的時候必須先進行碰撞檢測，其主要的功能是對在場景中的物體發(fā)生碰撞時，能夠及時獲得反饋，如果2個模型出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，這是不容許的，需要進行處理，故該檢測對于場景的真實性具有一定的必要性。由于本場景中的模型多具有剛性屬性，故需要為其添加碰撞器組件。

做好上述處理之后，創(chuàng)建C#腳本，生成Start函數(shù)與update（）函數(shù)。Start函數(shù)主要用于腳本的中函數(shù)和變量的初始化；update（）函數(shù)用于系統(tǒng)和函數(shù)的更新，有相同的就覆蓋，在本文中該函數(shù)的作用是根據(jù)人物位置更改獲取實時位置，然后根據(jù)人物位置信息判斷是否在某個場景范圍內(nèi)，設(shè)置顯示字體。設(shè)置好腳本后，對軟件系統(tǒng)進行詳細開發(fā)。

4.4 系統(tǒng)的測試與發(fā)布

Unity3D軟件中提供Game視圖，對本次開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行測試。先檢查模型在系統(tǒng)中是否結(jié)合完好。再者就是檢查拓撲邏輯，查看操作響應(yīng)的靈敏度和反映的正確性。測試完成后，選擇Windows平臺下發(fā)布并生成可執(zhí)行文件。

5 結(jié)束語

（1）本文立足金昌礦山智能建設(shè)，結(jié)合先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過三維建模、需求分析、功能設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)，深入研究設(shè)計了金昌礦山虛擬顯示開發(fā)方案。

（2）三維建模主要通過Maya2019軟件完成，主要通過前期數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理后標準建模，在建模的同時，解決了巷道和礦井中復(fù)雜拓撲的模型實現(xiàn)問題，也闡述了如何更加真實、高性價比的進行材質(zhì)的貼圖，為后期虛擬仿真系統(tǒng)提供了更加真實現(xiàn)實的素材，最后通過模型優(yōu)化技術(shù)，提高了模型的顯示效果和加載速度。

（3）深入研究了通過Unity3D軟件進行礦山虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。通過對前期三維模型的導(dǎo)入和處理之后，對模型在Unity3D軟件顯示的效果和位置進行了檢查，無誤后通過腳本制作、防碰撞技術(shù)和系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)礦山虛擬現(xiàn)實交互功能和漫游功能，最后在測試無誤后進行了軟件的生成和發(fā)布。

（4）通過以上的工作，設(shè)計制作完成了金昌礦山虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，該技術(shù)較為新穎，對后期其他礦山的虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用。