韋志興 陳慶發(fā) 莫載斌 牛文靜 段志偉

(1.廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004；2.中信大錳礦業(yè)有限責任公司大新錳礦分公司，廣西 大新 532315)

·機電與自動化·

大新錳礦西北采區(qū)虛擬現實仿真系統(tǒng)開發(fā)研究

韋志興1，2陳慶發(fā)1莫載斌1牛文靜1段志偉2

(1.廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530004；2.中信大錳礦業(yè)有限責任公司大新錳礦分公司，廣西 大新 532315)

三維可視化技術和虛擬現實仿真技術是數字礦山的重要組成部分，是對真實礦山整體及其相關現象的新理解、表達與數字化再現?；?DMine和VRP BUILDER軟件，開發(fā)了大新錳礦西北采區(qū)虛擬現實仿真系統(tǒng)。分別構建了地表模型、巷道模型和環(huán)境匹配模型，通過程序文件格式間的兼容性，實現了3DMine與3DS MAX的過渡對接，利用Complete Map烘焙方式進行了貼圖烘焙，并用VRP-for-MAX插件將烘焙模型導出以供VRP編輯器調入使用，成功解決了由3DMine模型轉換VRP BUILDER場景部分關鍵技術，全面實現了礦業(yè)工程軟件與虛擬現實軟件的有機結合，順利開發(fā)出高仿真效果虛擬礦山系統(tǒng)。系統(tǒng)分為地表和地下2部分場景，擁有豐富的UI界面和交互功能，設置了多種漫游方式，為用戶快速了解并掌握礦山整體生產狀態(tài)提供了便捷。研究成果對于提高礦山設計質量、生產安全和管理效率具有重要意義。

錳礦 虛擬現實 3DMine VRP BUILDER

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來發(fā)展最快的信息技術之一[1]。它與多媒體技術、網絡技術并稱為三大前景最好的計算機技術[2]，在航天、醫(yī)療、軍事等領域獲得了廣泛應用[3-4]。

在礦業(yè)領域，虛擬現實技術也受到了技術人員的重視，熊偉[5]開展了煤礦虛擬環(huán)境的巷道幾何建模及關鍵算法研究，毛善君等[6]開展了煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)設計研究，王德永等[7]開展了礦井生產虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)研究，華臻等[8]運用VR技術對礦井通風系統(tǒng)的可控與可視化進行研究，周科平等[9]開展了地下礦山開拓運輸虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)研究，于彥等[10]開發(fā)了露天礦生產技術模擬培訓虛擬仿真系統(tǒng)。這些研究均取得了比較好的預期效果，有力地提升了礦山生產管理與災害控制技術水平。

本研究主要基于3DMine和VRP BUILDER軟件，重點解決了模型轉換場景部分關鍵技術，開發(fā)了大新錳礦西北采區(qū)虛擬現實仿真系統(tǒng)。

1 VR仿真系統(tǒng)開發(fā)分析

1.1 構建目標分析

以廣西大新錳礦西北采區(qū)為主要研究對象，建立實際可行的VR仿真系統(tǒng)。

(1)構建出逼真且符合工程實際的三維場景模型，使用戶在虛擬礦山空間環(huán)境下具有沉浸感和想象感。

(2)設置多種場景漫游方式，使用戶不僅可以自由漫游，也可跟隨漫游和鳥瞰漫游，實現對場景的全方位審視。

(3)設計出美觀且功能強大的UI界面，要求具有多種交互功能和多媒體的調用，使用戶在操作的同時，也能享受界面與多媒體帶來的便捷和樂趣。

1.2 VR仿真系統(tǒng)構建內容

分別對大新錳礦西北采區(qū)地表與地下部分進行虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)，其中地下部分是截取了340 m平硐的平硐口、平硐中部和西北部局部場景作為研究對象。系統(tǒng)開發(fā)主要基于3DMine、3DS MAX構建真實的三維可視化模型、利用VRP BUILDER來實現場景交互的礦山VR仿真系統(tǒng)。

根據西北采區(qū)地質資料和現場收集的照片素材、設備參數等，利用礦業(yè)工程軟件3DMine和三維建模商業(yè)軟件3DS MAX構建出西北采區(qū)地表與地下的場景模型。

通過VRP BUILDER虛擬現實軟件對采區(qū)場景模型進行設置，主要包括模型的碰撞檢測、環(huán)境模擬的添加、相機的創(chuàng)建、場景漫游方式的設置、二維交互界面的設計和交互腳本的編輯等，最終完成礦山VR仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

2 VR仿真系統(tǒng)開發(fā)過程

2.1 開發(fā)環(huán)境與操作流程

系統(tǒng)開發(fā)主要針對非沉浸式虛擬現實，開發(fā)過程中需要PC設備與軟件環(huán)境支持。本系統(tǒng)所用到的軟件環(huán)境有Windows 7 Ultimate with sp1×64操作系統(tǒng)、3DMine礦業(yè)工程工程軟件、Autodesk CAD、Autodesk 3DS MAX、Adobe Photoshop和VRP BUILDER虛擬現實開發(fā)軟件。

VR仿真系統(tǒng)開發(fā)操作流程分為數據收集、模型構建、烘焙貼圖、場景設置和文件發(fā)布5個步驟，如圖1所示。

圖1 VR仿真系統(tǒng)開發(fā)操作流程

數據收集包括大新錳礦西北采區(qū)地質資料，如地形平面圖、勘探線剖面圖、巷道平面圖等；圖像素材，如地表衛(wèi)星圖、各場景紋理照片等；設備參數，如軌道參數、機車參數、礦車參數等。

模型構建包括地表模型、巷道模型和各環(huán)境物體模型。

烘焙貼圖可以有2種烘焙方式，分別是Complete Map烘焙和Lighting Map烘焙。Lighting Map烘焙可保留材質清晰的紋理，但烘焙出來的光感稍弱，所消耗的資源也比Complete Map烘焙方式多，本研究采用Complete Map烘焙方式。

場景設置是系統(tǒng)開發(fā)的關鍵部分，場景設置的好壞可直接影響仿真程度與交互效果，在場景設置中含布局設置、相機設置、二維界面設置和交互動作設置。

文件發(fā)布的方式有2種，在VRP中可將系統(tǒng)分別發(fā)布為EXE可執(zhí)行文件和HTML網絡文件。

2.2 場景建模

(1)地質資料預處理。為達到三維可視化模型的構建要求，必須對原始CAD地質資料進行預處理。將不需要的圖層及其他輔助數據刪除，減少文件的冗余程度。對于不連續(xù)的多段線要進行自動或手動連接，同時也要檢查圖紙是否存在明顯錯誤。檢查無誤后，開始對地表高程線賦予高程和巷道輪廓線生成中線，為地表模型和巷道模型構建做準備。

(2)地表模型的構建。選擇預先處理好的地表地形圖，在3DMine中使用“生成DTM表面”工具，對地表地形圖進行快速轉換，使其成為DTM面模型。由于程序是根據DEM算法來計算的，在模型的邊界處常會出現不合理的三角片，需要人工對其進行刪除。選擇實體編輯中的編輯三角網，刪除不合理的三角片，最終處理結果如圖2所示。

圖2 地表模型

(3)巷道模型的構建。3DMine創(chuàng)建巷道模型的方法包括中線加巷道斷面法、斷面延伸法、頂板加底板法及由巷道腰線生成巷道實體法等。

(4)環(huán)境匹配模型的構建。為體現虛擬場景的逼真性，場景模型除構建主要模型外還要構建部分環(huán)境匹配模型，以做到與現實場景物體大致相同。這些模型包括鐵軌、管道、電機車、礦車、提升機、礦工角色等，其中鐵軌和管道屬于細長物體，可以適當降低建模精度，電機車和礦工角色屬于近距離觀察模型，應保證必要的模型精度。部分模型如圖3所示。

圖3 環(huán)境模型

2.3 3DMine與3DS MAX的對接

3DMine構建模型優(yōu)勢主要在于利用現有CAD地質資料，通過簡單處理，就能快速將二維圖紙轉換成三維可視化模型，其他非礦業(yè)工程軟件難以做到。為實現構建模型能在VRP編輯器中使用，軟件必須通過3DS MAX來導入模型。而3DMine所構建模型無法直接輸入到3DS MAX中。

解決方案是將3DMine所構建的模型以“.dwg”格式進行保存，再用AutoCAD打開，此時必須將整個三維模型保存為塊，否則即使能將“.dwg”文件導入至3DS MAX中，模型形狀也會損壞或失真；再用3DS MAX打開以上保存的塊模型文件，模型完整性已經很好，基本形狀保持不變，但在視口中查看時會出現模糊、閃動現象，不利于對模型的后期處理。為解決此問題，需在3DS MAX中選擇自定義—首選項—視口—選擇驅動程序—選擇OpenGL，最后重啟3DS MAX，完成3DMine模型順利導入到3DS MAX中。

2.4 材質貼圖

材質貼圖是指把存儲在內存里的位圖包裹到3D渲染物體的表面，以簡單的方式模擬出復雜的外觀紋理，給物體提供更豐富的細節(jié)。高精度的材質貼圖可以給人帶來非常逼真的視覺感受，但同時也對計算機和顯示器配置要求更高，所以在處理模型的貼圖時應區(qū)別對待，需要近距離觀察或強調顯示的模型要賦予高質量的貼圖，而對于遠距離，起環(huán)境烘托作用的模型則只需貼普通貼圖。

VRP編輯器中不識別多維子材質，在利用3DS MAX賦材質時不可使用多維子材質，對于已有的多維子材質應將其打散成標準單維材質。另外，為避免模型在導入VRP編輯器中丟失或出現錯誤，不宜使用Vray、Mental Ray等高級材質。

2.5 烘焙導出

烘焙除了能夠增強虛擬現實場景逼真光影效果外，還可以節(jié)省系統(tǒng)資源，提高場景的運行效率，因此對模型進行烘焙操作是非常有必要的。

烘焙時應注意以下幾點：①VRP編輯器只支持Complete Map和Lighting Map這2種烘焙模式的貼圖導入；②烘焙后的模型貼圖名稱是由“模型名稱+烘焙類型(Complete Map 或 Lighting Map)”組成的，所以前期制作的模型不能有重名，以防止烘焙貼圖被覆蓋；③1次烘焙的模型不能太多，否則會出現烘焙錯誤，貼圖一片黑等現象。

當所有模型烘焙完成后，可以使用VRP-for-MAX插件及時將模型導出并收集好烘焙貼圖，以供在VRP編輯器中調入使用。

2.6 虛擬場景

(1)碰撞檢測。碰撞檢測技術影響虛擬現實的體驗效果。碰撞檢測往往要求角色可以在場景中平滑移動，遇到一定高度臺階或斜率較小斜坡可自動上去，而過高臺階或斜率過大斜坡則把角色擋住，在各種前進方向被擋住的情況下都盡可能地讓角色沿合理的方向滑動而非被迫停下。本研究所采用的VRP編輯器，可完成對任意復雜場景的高效碰撞檢測，對模型基本沒有限制，且操作簡單，只需選中相應模型，開啟物理碰撞即可。

(2)場景漫游。虛擬現實的場景漫游主要依靠相機視角的變換來實現。在VRP編輯器中提供了多種相機的創(chuàng)建，如行走相機、飛行相機、繞物旋轉相機、角色控制相機等。行走相機是模擬第1人稱在場景中漫游，用戶可以使用“W”“S”“A”“D”鍵來進行前進、后退、左移、右移操作；飛行相機可以對場景的整個外貌進行全局瀏覽時，其特點是可以在場景中任意穿越，無碰撞檢測；繞物旋轉相機可以鎖定某個目標物體，然后圍繞這個物體對其進行環(huán)視；角色控制相機需要與角色綁定，實現在VR場景中對角色的控制，如礦工、礦車的行為等；跟隨相機用來跟隨目標物體的移動，實現對場景的自動漫游；定點觀察相機也是跟隨目標物體移動而變化，但觀察相機位置不變，只是視角隨著目標物體轉動。本研究的VR仿真系統(tǒng)按需要設置了行走相機、角色控制相機和跟隨相機，分別實現了第1人稱與第3人稱手動漫游和第3人稱自動漫游。

(3)二維界面。二維交互界面在VR場景中起著人機交互的橋梁作用，給用戶帶來非常好的視覺享受和操作體驗。VRP編輯器為用戶分別提供了初級界面和高級界面2種，以適應不同場景交互的需求。

(4)交互功能。VRP腳本編輯器中含有豐富的腳本語句，編輯器共包含了3種函數調用，分別是系統(tǒng)函數、觸發(fā)函數和自定義函數。系統(tǒng)函數和觸發(fā)函數是根據系統(tǒng)功能限制的函數，應用范圍小，但操作過程簡單；自定義函數完全由用戶自主創(chuàng)立，可以實現所有函數功能。創(chuàng)建函數時，用戶只需點擊插入語句則可按照設置向導選擇相應的語句進行插入。

2.7 系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)可發(fā)布為EXE可執(zhí)行文件和HTML網頁文件。完成系統(tǒng)發(fā)布后需對系統(tǒng)進行測試。測試內容主要為場景運行流暢性、模型完整性和交互可靠性，以保證系統(tǒng)能在大部分PC機中流暢運行，模型貼圖、效果和交互功能無丟失現象等。

系統(tǒng)包含了地表場景、平硐口場景和地下巷道場景。系統(tǒng)有統(tǒng)一的開始菜單界面，用戶從開始菜單界面中進入每一個場景界面。在地表場景界面中用戶可以保用全屏、模式切換、返回、操作說明、動畫播放等按鈕來控制場景功能與顯示，另外場景還附加了電子羅盤和導航地圖，可以有效避免用戶在瀏覽場景時迷失方向。在平硐口場景，用戶可使用第3人稱查看平硐口周圍環(huán)境，模擬出礦過程。在地下巷道場景，用戶可使用第1或第3人稱對地下巷道進行巡視，模擬礦車提升與運行過程。

系統(tǒng)場景測試界面如圖4所示。

圖4 各場景界面

系統(tǒng)最重要的功能是為用戶提供了多種漫游方式，圖5為部分測試場景畫面。

圖5 場景測試畫面

圖5(a)為跟隨漫游情形，用戶可以根據開發(fā)者事先設計好的瀏覽路徑進行自動漫游，且能環(huán)繞跟隨目標進行場景旋轉，在地下主要用在運動的機車中。圖5(b)為第1人稱漫游情形，可以使用戶以第1視角對場景進行自由查看，空間狀態(tài)無限制，適合在詳細查看地形地貌的過程中，圖5(c)為飛行漫游情形。為實現從空中俯視漫游的感覺體驗，系統(tǒng)特意添加了飛機模擬漫游的過程，逼真地體現空中俯視地面的效果。圖5(d)～圖5(f)為井下漫游情形，可模擬地下井巷巡視和設備查看全過程，現時也能根據操作漫游，達到快速熟悉井下巷道建設情況。

3 結 論

(1)通過對礦山VR仿真系統(tǒng)的開發(fā)，研究了虛擬現實技術在礦山應用的實現過程。實踐證明，虛擬現實技術應用于礦山能使礦山地理、資源和環(huán)境等復雜系統(tǒng)實現可視化、虛擬化，為工程設計、施工、管理提供一種全新的虛擬環(huán)境。

(2)系統(tǒng)通過融入多種場景漫游和交互的功能，實現了人機交互性和構想性，但系統(tǒng)缺乏硬件設備參與，仍屬于非沉浸式虛擬現實。對于外接設備，系統(tǒng)保留了很強的可拓性，可以提供第3方物理設備技術接口，大大拓展了后續(xù)的開發(fā)空間。

(3)隨著虛擬現實技術在礦業(yè)領域的不斷推廣，必將引起礦業(yè)生產與管理方式的徹底革新，進一步促進礦業(yè)信息化建設。

[1] 巫 影.虛擬現實技術綜述[J].計算機與數字工程，2002，30(3)：41-44. Wu Ying.Summarizing of virtual reality technology[J].Computer and Digital Engineering，2002，30(3)：41-44.

[2] 吳 迪，黃文騫.虛擬現實技術的發(fā)展過程及研究現狀[J].海洋測繪，2002，22(6):15-17. Wu Di，Huang Wenqian.Development of virtual reality technology and research status[J].Hydrographic Surveying and Charting，2002，22(6):15-17.

[3] 周前祥，曲戰(zhàn)勝.航天虛擬現實仿真技術的研究進展[J].科技導報，1998,19(10)：35-38. Zhou Qianxiang，Qu Zhansheng.Progress in the research of simulation techniques in the space virtual reality[J].Sciences & Technology Review，1998,19(10)：35-38.

[4] 趙沁平，沈旭昆，吳 威，等.分布式虛擬環(huán)境DVENET研究進展[J].系統(tǒng)仿真學報，2000，12(4)：291-295. Zhao Qinping，Shen Xukun，Wu Wei，et al.Progress of study on distributed virtual environment DVENET[J].Journal of System Simulations，2000，12(4)：291-295.

[5] 熊 偉，毛善君，馬藹乃，等.煤礦虛擬環(huán)境的巷道幾何建模及關鍵算法研究[J].測繪通報，2002，48(8)：15-16. Xiong Wei，Mao Shanjun，Ma Ainai，et al.A research on geometric modeling of roadway and the key algorithm of coal mine in virtual environment[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2002，48(8)：15-16.

[6] 毛善君，熊 偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)的總體設計及初步實現[J].煤炭學報，2005，30(5)：571-575. Mao Shanjun，Xiong Wei.Design and primary implementation of coalmine virtual environment system[J].Journal of China Coal Society，2005，30(5)：571-575.

[7] 王德永，仵自連，杜衛(wèi)新.虛擬現實技術在礦井生產仿真系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機械，2006，27(10):172-173. Wang Deyong，Wu Zilian，Du Weixin.The application of virtual reality technology in mine production simulation system[J].Coal Mine Machinery，2006，27(10):172-173.

[8] 華 臻，范 輝，李晉江，等.基于虛擬現實的礦井通風系統(tǒng)可控可視化研究[J].金屬礦山，2003(7):53-56. Hua Zhen，Fan Hui，Li Jinjiang，et al.Virtual reality-based study on the controllability and visibility of mine ventilation system[J].Metal Mine，2003(7):53-56.

[9] 周科平，郭明明，楊念哥，等.地下礦山開拓運輸VR仿真系統(tǒng)研究[J].計算機系統(tǒng)應用，2008，18(11):6-10. Zhou Keping，Guo Mingming，Yang Niange，et al.Study on VR simulation system of development and transportation for underground mine[J].Computer Systems & Applications，2008，18(11):6-10.

[10] 于 彥，張金山，鄭邦東.基于虛擬現實技術的露天礦生產技術模擬培訓系統(tǒng)[J].礦業(yè)快報，2006(4):31-33. Yu Yan，Zhang Jinshan，Zheng Bangdong.The simulation system based on VR for training technicians and workers in surface mining[J].Express Information of Mining Industry，2006(4):31-33.

(責任編輯 石海林)

ResearchandDevelopmentofVirtualRealitySimulationSystemofNorthwestMiningAreainDaxinManganeseMine

Wei Zhixing1，2Chen Qingfa1Mo Zaibin1Niu Wenjing1Duan Zhiwei2

(1.CollegeofResourcesandMetallurgy，GuangxiUniversity，Nanning530004，China;2.DaxinManganeseMineBranch，CITICDamengMiningIndustriesLimited，Daxin532315，China)

3D visualization technology and virtual reality simulation technology are important parts of digital mine and they are new understanding，expression as well as digitization of real whole mine and related phenomenon.Based on the 3DMine and VRP BUILDER，the virtual reality simulation system of northwest in Daxin Manganese Mine was developed，furthermore，the terrain model，tunnel model and matching model were established.The transitional docking of 3D mine and 3DS MAX was realized by considering the compatibility between the program file formats，and texture baking was done by using the Complete Map baking mode.Through using VRP-for-MAX card，the baking model was exported so as to be transferred and used by VRP editor.Some key techniques for 3D Mine model converted into VRP BUILDER scene were solved，the organic combination of mining engineering software and virtual reality software was realized，and the virtual mine system of high simulation effect was developed.The system consists of surface and underground scenarios，which has rich UI interface and interaction function.A variety of roam manners were set up in the system，in order to provide convenience for the users to understand and master the production state of overall mine quickly.Research results have great significance for improving the design quality，production and management efficiency in mine.

Manganese mine，Virtual reality，3DMine，VRP BUILDER

2014-08-26

韋志興(1981—)，男,工程師。

TD672，TP391.9

A

1001-1250(2014)-12-158-05