郭兵兵 趙廣興

（河南工程學(xué)院安全工程系，河南省鄭州市，45119 1）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維礦井漫游演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

郭兵兵 趙廣興

（河南工程學(xué)院安全工程系，河南省鄭州市，45119 1）

介紹了三維礦井漫游演示系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要開(kāi)發(fā)工具以及關(guān)鍵技術(shù)步驟。用三維動(dòng)畫軟件Maya建模和三維游戲軟件Unity3D整合驅(qū)動(dòng)完成的三維礦井漫游演示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井工業(yè)廣場(chǎng)、井下主要巷道和采掘工作面的實(shí)時(shí)漫游演示。該系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)工人和技術(shù)人員進(jìn)行上崗前的教育培訓(xùn)、安全培訓(xùn)以及在煤礦企業(yè)安全管理中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 三維礦井 漫游演示系統(tǒng) 安全培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種在多項(xiàng)技術(shù)集成的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、能夠逼真模擬人在自然環(huán)境中視、聽(tīng)、動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)。井工煤礦具有生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、作業(yè)分散、設(shè)備設(shè)施多、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣以及不安全因素多等特點(diǎn)，自然災(zāi)害和生產(chǎn)事故的危險(xiǎn)因素始終影響和制約著煤礦的安全生產(chǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)煤礦中的應(yīng)用研究正在從最初的展望階段走向?qū)嶋H應(yīng)用研究階段，主要包括綜采工作面的虛擬研究、礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸的模擬研究、地質(zhì)情況的模擬、煤礦人員安全教育和技術(shù)培訓(xùn)、礦山爆破工藝上的應(yīng)用以及礦山設(shè)計(jì)等。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，介紹了三維礦井漫游演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

1 三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以國(guó)投煤炭鄭州能源開(kāi)發(fā)有限公司王行莊煤礦為演示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)依據(jù)，利用專業(yè)的開(kāi)發(fā)工具對(duì)其工業(yè)廣場(chǎng)、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(chǎng)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)入每個(gè)場(chǎng)景，并在屏幕或投影儀上呈現(xiàn)演示畫面，三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 三維礦井漫游演示系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)

2.1 前期資料準(zhǔn)備

國(guó)投煤炭鄭州能源開(kāi)發(fā)有限公司王行莊煤礦三維礦井漫游演示系統(tǒng)演示的內(nèi)容主要包括地面建筑物、井上和井下生產(chǎn)系統(tǒng)以及機(jī)械設(shè)備等，所需用到的資料包括工業(yè)廣場(chǎng)布置圖、煤礦地形圖、井上和井下對(duì)照?qǐng)D、初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)以及地面建筑物有關(guān)的結(jié)構(gòu)圖紙、照片、視頻、圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)觀察所得等資料，經(jīng)過(guò)整理后涉及的主要演示場(chǎng)景和設(shè)備分為以下3類：

圖1 三維礦井漫游演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（1）工業(yè)廣場(chǎng)。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的井上主要建筑物有宿舍樓、綜合辦公樓、職工食堂、機(jī)修車間、篩分樓、地磅房、鍋爐房、木料場(chǎng)、瓦斯抽放站、空壓機(jī)房、變電所、主井、主井絞車房、輔助房、副井井口房、副井絞車房、污水處理設(shè)施、主干道、地面窄軌鐵路、綠化等。

（2）井下生產(chǎn)系統(tǒng)。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的井下生產(chǎn)系統(tǒng)資料包括有關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙 （開(kāi)拓平面圖、巷道布置圖、巷道斷面圖冊(cè)、回采工藝平面布置圖、初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等）、生產(chǎn)圖紙 （采掘工程平面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖、避災(zāi)路線圖等）、設(shè)備情況 （采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、提升設(shè)備、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備等）以及生產(chǎn)情況 （采煤工藝、作業(yè)規(guī)程等）。

（3）機(jī)械設(shè)備。三維礦井漫游演示系統(tǒng)涉及的機(jī)械設(shè)備包括液壓支架、雙滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、綜合掘進(jìn)機(jī)、單體液壓支柱、絞車、礦車、電機(jī)車、局部通風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒、乳化泵站、移動(dòng)變電站、防爆開(kāi)關(guān)等設(shè)備。

2.2 主要開(kāi)發(fā)工具

三維演示系統(tǒng)主要的開(kāi)發(fā)工具為三維建模軟件和實(shí)時(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件，目前專業(yè)的建模軟件有3DMax、Maya、Multigen Creator等，實(shí)時(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件有Unity3D、Virtools、Vega等。經(jīng)過(guò)分析比較，三維礦井漫游演示系統(tǒng)采用Maya進(jìn)行建模，利用Unity3D進(jìn)行整合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)漫游。

（1）Maya三維動(dòng)畫軟件。Maya是美國(guó)Au-todesk公司出品的三維動(dòng)畫軟件，具有功能完善、工作靈活、易學(xué)易用、制作效率極高以及渲染真實(shí)感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是電影級(jí)別的高端制作軟件，是目前用來(lái)進(jìn)行數(shù)字和三維制作的首選。除了一般三維和視覺(jué)效果制作的功能外，Maya還與先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用對(duì)象為專業(yè)的影視廣告、角色動(dòng)畫以及電影特技等。

（2）Unity3D三維游戲軟件。Unity3D是由丹麥Unity公司開(kāi)發(fā)的一款多平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)工具，具有優(yōu)越的效果和更高的擴(kuò)展空間，對(duì)Direct X和OpenG L擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道。Unity3D支持較多的主要文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作，低端硬件也可流暢運(yùn)行廣闊復(fù)雜的場(chǎng)景。Unity3D引擎具備開(kāi)發(fā)過(guò)程技術(shù)要求高、高級(jí)渲染效果和用戶定制支持遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，非常適合產(chǎn)品虛擬展示在交互訪問(wèn)和逼真表現(xiàn)的需求。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)步驟

要實(shí)現(xiàn)三維礦井漫游演示系統(tǒng)，首先應(yīng)該實(shí)現(xiàn)工業(yè)廣場(chǎng)模型、巷道模型以及機(jī)械設(shè)備模型的建模，模型建模后需要進(jìn)行模型的導(dǎo)入整合、場(chǎng)景模型的驅(qū)動(dòng)以及可執(zhí)行程序的生成等關(guān)鍵技術(shù)步驟，三維礦井漫游演示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)步驟流程圖如圖2所示。

圖2 三維礦井漫游演示系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)步驟流程圖

2.3.1 建立幾何模型

Maya的建模方式主要有曲面建模、多邊形建模和細(xì)分建模3種方式，其中多邊形建模是三維制作中最容易掌握且應(yīng)用最為廣泛的建模方式，建立的模型特點(diǎn)都是點(diǎn)、邊、面3個(gè)元素組成，對(duì)點(diǎn)、邊、面三元素進(jìn)行修改就可以改變模型的形狀。在三維礦井漫游演示系統(tǒng)中，Maya多邊形建模方式可以建立的幾何模型包括機(jī)械設(shè)備模型、建筑物模型以及巷道模型。經(jīng)過(guò)Maya多邊形建模方式建立的辦公樓幾何模型圖和液壓支架幾何模型圖如圖3和圖4所示。

為了降低計(jì)算機(jī)的配置要求和減少系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)，建模時(shí)要分清主次，對(duì)看不到或不需要突出表現(xiàn)的物體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理或者不建模，充分利用Maya軟件的功能對(duì)模型優(yōu)化，用貼圖體現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)以節(jié)省模型場(chǎng)景面片。另外單個(gè)模型建完后要“打組”，以便后期導(dǎo)入整合后能夠迅速的選取單個(gè)模型進(jìn)行修改。模型建立后要仔細(xì)檢查確保無(wú)多余面，并與實(shí)際相符。

2.3.2 模型的導(dǎo)入整合

單個(gè)模型建立后，需要整合在一起形成不同的場(chǎng)景，把做好的貼圖用到模型的不同位置上形成形象模型，合理安排場(chǎng)景中機(jī)械設(shè)備和建筑物的布局，并進(jìn)行整體規(guī)劃、細(xì)節(jié)修改、位置調(diào)整以及比例大小調(diào)整。在場(chǎng)景中通過(guò)命令添加燈光并調(diào)節(jié)燈光的位置、強(qiáng)弱和顏色，使其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符合。工業(yè)廣場(chǎng)整合貼圖后效果圖如圖5所示，巷道局部貼圖后效果圖如圖6所示，液壓支架貼圖后效果圖如圖7所示。

2.3.3 場(chǎng)景模型的驅(qū)動(dòng)

場(chǎng)景模型是相對(duì)獨(dú)立的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的聯(lián)系，需要通過(guò)實(shí)時(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)工具開(kāi)發(fā)，從而使用戶能以任意角度對(duì)虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行觀察，最終產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。將建好的場(chǎng)景模型用Unity3D軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，根據(jù)場(chǎng)景的需要把視角放在合適的位置上，同時(shí)尋找貼圖與模型之中存在的問(wèn)題，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試和修改。

2.3.4 可執(zhí)行程序的生成

場(chǎng)景模型驅(qū)動(dòng)完成后，結(jié)合一些開(kāi)發(fā)工具添加語(yǔ)言介紹和音效并用菜單驅(qū)動(dòng)，將作品打包生成單一的可執(zhí)行文件后就可以在Windows平臺(tái)直接運(yùn)行。

3 三維礦井漫游演示系統(tǒng)演示運(yùn)行及應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)制作完成后，通過(guò)菜單選擇不同的場(chǎng)景，使用鼠標(biāo)或者鍵盤上的方向鍵對(duì)視角和運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制從而進(jìn)行漫游，三維礦井漫游演示系統(tǒng)運(yùn)行界面及部分漫游效果如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

圖11 綜采工作面漫游效果圖

4 三維礦井漫游演示系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 教學(xué)應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)可以在 《采礦學(xué)》、《井巷工程》、《采煤概論》等專業(yè)課程教學(xué)中應(yīng)用，可以在教學(xué)中讓學(xué)生初步建立煤礦生產(chǎn)的概念，了解煤礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)和煤礦生產(chǎn)各種機(jī)械設(shè)備，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。三維礦井漫游演示系統(tǒng)還可以供采礦工程和安全工程等煤礦主體專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，這不僅使學(xué)生身臨其境地對(duì)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，還達(dá)到了降低學(xué)習(xí)費(fèi)用、縮短教學(xué)時(shí)間和直觀教學(xué)的目的。

4.2 培訓(xùn)應(yīng)用

三維礦井漫游演示系統(tǒng)可以對(duì)礦區(qū)的工人和技術(shù)人員進(jìn)行上崗前的教育培訓(xùn)，被訓(xùn)練者通過(guò)身臨其境的體驗(yàn)?zāi)軌蜓杆偈煜っ旱V生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅可以提高工人和技術(shù)人員的培訓(xùn)效率，而且還可以提高工人和技術(shù)人員的安全生產(chǎn)意識(shí)。非煤礦行業(yè)人員以及非采礦專業(yè)學(xué)生也可以通過(guò)此系統(tǒng)了解煤礦生產(chǎn)的真實(shí)情形。

5 結(jié)語(yǔ)

三維礦井漫游演示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井地面工業(yè)廣場(chǎng)、井下主要巷道及采掘工作面的實(shí)時(shí)漫游演示，該系統(tǒng)能夠在礦業(yè)類專業(yè)的課程教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、煤礦企業(yè)人員的安全培訓(xùn)以及煤礦企業(yè)的安全管理中發(fā)揮重要作用。作為一種探索，三維礦井漫游演示系統(tǒng)目前還屬于初次成型產(chǎn)品，還不能完全虛擬煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，與理想的煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還有差距，在以后的開(kāi)發(fā)中將繼續(xù)加以完善。

［1］ 曾偉，姜本琦，鄭確等 .基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)礦井人員培訓(xùn)系統(tǒng) ［J］.煤礦安全，2008（5）

［2］ 王兵建，周心權(quán)，張亞偉等 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦重大事故調(diào)查分析中的應(yīng)用 ［J］.煤礦安全，2006（9）

［3］ 張順堂 .基于V R仿真技術(shù)的礦山安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.中國(guó)煤炭，2008（3）

［4］ 王玉懷，李祥儀 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在礦業(yè)中的應(yīng)用 ［J］.煤炭工程，2001 （11）

［5］ 陳福，傅貴，李東玉 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井瓦斯爆炸模擬中的應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（3）

［6］ 張建桃，伏永明 .基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井規(guī)劃與設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2005（3）

［7］ 李青，韓可琦，申閆春.礦井工業(yè)廣場(chǎng)的可控可視化與虛擬環(huán)境開(kāi)發(fā) ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（1）

［8］ 王德永，忤自連，杜衛(wèi)新 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.煤礦機(jī)械，2006（10）

［9］ 楊樹(shù)蓮，崔秀敏 .虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在煤礦中的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2002（9）

Development andapplication of 3Dmine roaming demonstrationsystem based on virtual reality technology

Guo Bingbing,Zhao Guangxing
((Department of Safety Engineering,Henan Institue of Engineering,Zhengzhou,Henan 451191,China)

The overall structural design,developing tool and key technical steps of 3Dmineroaming demonstration system were introduced.This demonstration system,based onmodelingof 3Danimation softwaremaya and driven by 3Dgame software Unity 3D,achieved the real-timeroaming demonstration of industrial square,themain underground roadways and working face.Virtual reality technology will be of great practical value in the field of professional education,safety training and coalmine safetymanagement.

virtual reality technology,3Dmine,roaming demonstration system,safetytraining

T D－4

A

book=72,ebook=142

郭兵兵 （1982－），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在河南工程學(xué)院安全工程系從事礦業(yè)工程教學(xué)與科研工作。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★