修春華 孫秀娟 苗 坡 車德福

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.山東省地質測繪院，山東 濟南 250003)

基于Unity3D的虛擬礦山漫游仿真系統設計與實現

修春華1孫秀娟2苗 坡1車德福1

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.山東省地質測繪院，山東 濟南 250003)

針對三維虛擬礦山系統在高逼真度、強交互性和跨平臺等方面的不足，提出了一種基于Unity3D平臺的三維虛擬礦山的實現方法。其主要過程：采集礦山的地形地質等三維坐標數據、屬性數據，建立礦山三維模型，并導入到Unity3D引擎中，對數字礦山進行實時渲染并實現三維模型數據與二維空間數據整合，在此基礎上利用C#語言編寫腳本實現系統功能，最后將虛擬礦山漫游仿真系統移植到多個平臺上。根據唐山錢家營煤礦的測試結果，該系統實現了在3種平臺(Windows、安卓智能手機、Web網頁)上均流暢運行，畫面真實，界面友好，實現了虛擬礦山漫游仿真以及礦山屬性信息的查詢等功能。

虛擬礦山 漫游仿真 Unity3D 跨平臺

數字地球(Digital Earth，DE)是將各種與地球相關的信息集成起來，可以實現對地球的數字化、可視化表達，以及多尺度、多分辨率動態(tài)交互。處于世紀之交信息技術蓬勃發(fā)展的浪潮中，對于古老的采礦業(yè)而言，其機遇與挑戰(zhàn)并存，采礦業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展——數字礦山成為必然趨勢[1]。虛擬礦山就是將地理信息數據融合到虛擬現實系統中，用計算機進行可視化再現仿真，包括地質體、工作面、巷道、管線、斷層、材料供應倉庫、材料裝車線、降壓站、配電站、辦公樓、職工宿舍、澡堂、食堂等[2]，還可以實現對礦山地理信息的查詢、分析等。

三維地學建模和虛擬礦山系統是數字礦山戰(zhàn)略實施的關鍵技術[3]，而漫游仿真又是虛擬礦山系統的重要組成部分。因此，礦區(qū)地表地物三維建模、可視化技術、漫游仿真技術，對于完善數字礦山工程，完善MGIS具有重大的意義。而跨平臺的數字礦山軟件使得數字不再僅僅局限于桌面程序，軟件的網絡化和移動化將提高數字礦山軟件的生存能力，以便更方便，更快速地為礦山企業(yè)服務。

1 數字礦山基礎

數字地球和數字中國戰(zhàn)略的提出，以及數字農業(yè)、數字海洋、數字交通、數字長江、數字城市等一系列數字工程的實施，不斷激勵廣大礦業(yè)科技工作者去做關于礦山信息化和傳統礦山創(chuàng)新發(fā)展的思考[4]。

從數字地球與數字中國概念得到啟發(fā)，在礦山GIS(Mine Geographical Information System，MGIS)研發(fā)與礦山信息技術推廣應用的基礎上，吳立新等一批中國學者開始形成了數字礦山的理念和設想。1999年11月，在北京召開的“首屆國際數字地球會議”上，吳立新教授率先提出了數字礦山的概念，并圍繞礦山空間信息分類、礦山空間數字組織、礦山GIS等問題進行了分析和討論。何謂數字礦山，簡言之，數字礦山是“對真實礦山整體及相關現象的同一認識與數字化再現，是一個硅質礦山，是數字礦區(qū)和數字中國的一個重要組成部分”[1]。

2 系統開發(fā)環(huán)境介紹

2.1 Unity3D簡介

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視景仿真、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型虛擬現實開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)虛擬現實引擎。Unity3D類似于Director，game engine，Virtools和Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件，其編輯器運行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布開發(fā)產品至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺。它也可以利用Unity web player插件發(fā)布用戶所開發(fā)的產品，同時也支持Mac和Windows的網頁瀏覽[5]?；赨nity的虛擬現實系統場景逼真，交互自如，便于網絡傳輸，這就為VR技術在教育應用和普及創(chuàng)造了條件[6]。

Unity是一款完整的游戲開發(fā)引擎和工具，其核心是C/C++語言。Unity的開發(fā)環(huán)境是Microsoft Windows和OS X，所用的開發(fā)工具是Visual Studio(在Windows系統上開發(fā))和Xcode(在蘋果機上開發(fā))。它的渲染系統是基于Direct3D、OpenGL、OpenGL ES，以及單機系統的API。Unity內的游戲邏輯腳本基于一個開源的.NET架構Mono。Unity也集成了許多優(yōu)秀的插件，如PhysX、Lightmapping、Occlusion Culling、Pathfinding等。

Unity3D的視覺編輯特點是所見即所得，根據實際需要而組成一些相關的場景。其優(yōu)勢包括Unity3D帶有給予用戶便利性的物理引擎來幫助實現現實世界中的重力等物理現象和場景中所需的逼真絢麗特技，所以它較適合快速開發(fā)虛擬環(huán)境下的仿真系統。在本研究涉及的虛擬礦山場景編輯中，需要編輯大量的模型數據，在所有的GameObject對象中都有屬于它的特定屬性，同時把Unity3D的腳本(javascript、c#、boo)綁定在對象物體上來控制它的運動，且又能在游戲視窗中看到的場景內事物由綁定在場景中攝像頭的角度體現出來。

2.2 GeoMS3D簡介

GeoMS3D軟件是一款針對數字礦山建設的基礎系統平臺，該平臺的體系結構分為4個層次[7]：礦山空間數據管理平臺、礦山三維建模與可視化平臺、礦山空間查詢與分析平臺、礦山專業(yè)應用系統。

(1)礦山空間數據管理平臺：實現空間數據庫的管理、轉化、存貯、輸出，提供鉆孔、剖面和等高線等空間數據管理工具，為三維空間建模做好準備。

(2)礦山三維建模與可視化平臺：根據數據源不同及建模對象不同對地質體、工程體、地面地形構筑物等提供了多種建模工具，是GeoMS3D的核心。

(3)礦山三維查詢與分析平臺，基于建立的空間模型，可以對其實施多種空間查詢與分析，如查詢空間任意點的坐標、任意2點距離、開挖量、拓撲分析等。

(4)在以上3個基礎平臺的基礎上，開發(fā)了多種專業(yè)應用平臺，以滿足不同專業(yè)部門、不同生產環(huán)節(jié)的特色應用需求。

3 虛擬礦山漫游仿真系統設計與實現

利用Unity3D對工業(yè)廣場、地面生產系統、井下各種機電設備、巷道以及采煤工作面進行建模和虛擬場景的導入整合及驅動，用鍵盤或鼠標控制漫游演示和進入礦山的各個地方，并能進行屬性查詢。

3.1 模型數據的獲取

三維模型的來源主要是利用Sketchup、3DMAX等三維模型制作工具制作的，但對于擁有海量數據的礦山并不是特別適用，用這些軟件繪制的模型數據太大，不僅占用過多的硬盤空間，運行時也要消耗很多的內存等，從而影響系統的效率。而GeoMS3D可以在模型不失真的情況下導出體積更小的模型格式，Unity3D使用該格式可以提高虛擬礦山的運行效率。GeoMS3D中辦公樓模型如圖1所示。

圖1 GeoMS3D中辦公樓模型

gdmx模型是GeoMS3D軟件的模型數據導出格式。其主要內容為模型的名稱、模型ID、貼圖和顏色數組、頂點坐標數組、三角形數組、UV坐標數組等。

頂點坐標主要包含了頂點的三維空間坐標，可以用這些坐標決定模型在世界坐標中的絕對位置。

三角網構成了模型的骨架，三角形數組可以用來構建模型的三角網，其信息為頂點坐標數組的索引。

UV貼圖是將2D紋理映射到3D物體最靈活的一種方式。在這個過程中三維曲面網絡的XYZ被展平到一副二維(XY或者說UV)圖片中，這樣圖片中的顏色就被映射到曲面網絡中。網絡的面得以體現相應的顏色。UV貼圖可以提供較使用程序生成的材質和紋理所不能達到的真實感。利用貼圖和UV坐標，就可以生成比較真實的模型。

3.2 Unity3D讀取gdmx文件接口實現

構建1個模型的數據主要包含點線面貼圖等信息，利用面向對象的程序設計和C#類的組織方法，組織建立起1個基本矢量圖形系統的圖形元素類。它能夠處理點類、三角面類、模型類等圖形元素，針對每類圖形元素組織建立起對其進行管理的C#類。管理矢量圖形系統圖形數據的方法即文檔管理機制。其思路是：每個圖形元素是圖形元素類創(chuàng)建的1個對象，在創(chuàng)建這個對象時得到指向這個對象的指針，建立1個對象指針數組來管理這些指針，以達到管理所有圖形元素對象的目的。C#提供了多個動態(tài)數組結構如ArrayList，List，Vector，Map等。由于List不能在iPhone中使用，考慮到軟件的跨平臺功能，不作考慮。綜合考慮效率和安全選擇ArrayList作為容器保存各種不定數量的數據。

(1)創(chuàng)建mesh。通過讀取gdmx模型數據可以新建mesh類，這是Unity3D提供的一個API以方便程序員用代碼控制模型。網格(meshes)包括頂點和多個三角形數組，三角形數組是頂點的索引數組，每個三角形包含3個索引。每個頂點可以有1條法線，2個紋理坐標，及顏色和切線。雖然這些是可選的，但是也可以去掉。所有的頂點信息是被儲存在單獨的同等規(guī)格的數組中，比如說1個網格(mesh)有10個頂點，同樣應該有大小為10的數組來存儲法線和其他屬性。新建立1個網格，應該按照這個順序來做：①為頂點數組賦值；②為三角形數組賦值。

(2)生成材質(Material)。為了保證模型的高精度和高質量，在建模之前必須要確定各模型的材質[8]。Unity3D提供Material類來修改模型材質，可以利用它來設置自定義Shader著色器，紋理貼圖，顏色，材質通道等信息[9]。同樣的這些信息都可以從gdmx文件中獲得，并通過MeshRenderer(網格渲染器)進行渲染。

(3)添加物理屬性并顯示模型。一個模型不僅要有Mesh和Material還需要添加物理信息，如Collider(碰撞器)，Rigidbody(剛體)。如果沒有碰撞檢測，當虛擬人物在三維場景中漫游或者行走時，會“穿墻而過”，而不會產生碰撞效果，這在現實中是不存在的[10]。

Unity3D提供了MeshCollider(網格碰撞器)類來檢測網格和物體之間物理碰撞。MeshCollider的碰撞精度很高，但是相應的這也會消耗很多性能，為了提高系統效率，可以利用BoxCollider(立方體碰撞器)，SphereCollider(球體碰撞器)，CapsuleCollider(膠囊碰撞器)等對真實世界的碰撞進行近似處理。

最后將生成的模型放到指定的位置，并指定模型的空間角(歐拉角)。

Unity3D讀取gdmx模型顯示效果如圖2所示。

圖2 Unity3D中礦山工業(yè)廣場顯示效果

3.3 虛擬礦山漫游仿真系統的功能實現

虛擬礦山漫游仿真系統功能結構如圖3所示。

圖3 虛擬礦山漫游仿真系統功能結構

(1)漫游功能。虛擬礦山漫游系統漫游功能分為3種情況：①鍵盤控制，類似于游戲中控制角色移動，ASDW鍵控制視角移動，方向鍵旋轉；②鼠標控制，鼠標右鍵點擊選擇目標點，進行漫游；③根據漫游路徑進行漫游。礦山漫游效果如圖4所示。

圖4 井下漫游效果

(2)查詢功能。通過點擊屏幕獲取交點坐標，根據物體的名稱查詢物體的屬性信息，部分信息可能要通過數學運算，顯示在屏幕上，實現過程如圖5所示，運行效果如圖6所示。

圖5 屬性信息獲取

圖6 屬性查詢結果

3.4 跨平臺軟件應用

跨平臺概念是軟件開發(fā)中一個重要的概念，既不依賴于操作系統，也不信賴硬件環(huán)境。一個操作系統下開發(fā)的應用，放到另一個操作系統下依然可以運行。廣義而言，一般的計算語言都可做到跨平臺，開發(fā)商只需要提供各種平臺下的Runtime/中間件環(huán)境即可。嚴格而言是指用某種計算機語言編制的程序只需要做少量的修改，編譯之后即可在另外一種平臺下運行，此時并不提供Runtime/中間件環(huán)境。

Unity3D擁有非常強大的跨平臺功能，把同一款應用發(fā)布到不同的平臺，在同一個編輯器中就可以完成，可以非常方便地發(fā)布至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8、Android、Web平臺。利用Unity3D將虛擬礦山漫游仿真系統發(fā)布了3個版本：Windows版、Web版、Android版。

Android版和Web版運行效果如圖7、圖8所示。

圖7 Android版運行效果

4 結 語

圖8 Web版運行效果

虛擬礦山漫游仿真系統可以對工人和技術人員進行教育培訓，通過身臨其境的體驗快速熟悉礦山生產系統的各個環(huán)節(jié)，可以提高工人和技術人員的培訓效率，提高工人和技術人員的安全生產意識。非行業(yè)人員以及學生也可以通過此系統了解礦山生產的真實情形。

虛擬礦山系統是數字礦山戰(zhàn)略實施的關鍵技術，而漫游仿真又是虛擬礦山系統的重要組成部分，因此虛擬礦山漫游仿真系統對于完善數字礦山工程，完善MGIS具有重大的意義。而跨平臺的數字礦山軟件使得數字不再僅僅局限于桌面程序，軟件的網絡化和移動化將提高數字礦山軟件的生存能力，可以更方便、更快速地為礦山企業(yè)服務，為礦產資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設計、生產安全和決策管理進行模擬、仿真和過程分析提供新的技術平臺和強大工具。該系統是建立在數字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化基礎上的，綜合考慮了生產、經營、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，可以使企業(yè)實現整體協調優(yōu)化，在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，提高其整體效益、市場競爭力及適應能力的目的，最終實現礦山的綜合自動化。

[1] 吳立新．數字礦山技術[M]．長沙：中南大學出版社，2009：10-20． Wu Lixin.Technology for Digital Mine [M]．Changsha：Central South University Press，2009：10-20.

[2] 郭玉社．礦井測量與礦圖[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2007：64-79． Guo Yushe.Mine Survey and Mine Map [M]．Beijing：Chemical Industry Press，2007:64-79.

[3] 吳立新，張瑞新，戚宜欣，等．3維地學模擬與虛擬礦山系統[J]．測繪學報，2002(1)：28-33． Wu Lixin，Zhang Ruixin，Qi Yixin，et al.3D geoscience modeling and virtual mine system[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2002(1)：28-33.

[4] 吳立新，殷作如，鄧智毅，等．論21世紀的礦山——數字礦山[J]．煤炭學報，2000(4)：337-342． Wu Lixin，Yin Zuoru，Deng Zhiyi，et al.Research to the mine in the 21st century：digital mine[J].Journal of China Coal Society，2000(4)：337-342.

[5] 曾林森．基于Unity3D的跨平臺虛擬駕駛視景仿真研究[D]．長沙：中南大學，2013． Zeng Linsen.The Cross-platform Visual Simulation Research of Virtual Driving Based on Unity3D[D].Changsha：Central South University，2013.

[6] 陳曉青，王少偉．基于Unity的虛擬現實技術在教育中的應用[J]．軟件導刊，2011(12)：76-78. Chen Xiaoqing，Wang Shaowei.The use of virtual reality based on Unity in education[J].Software Guide，2011(12)：76-78.

[7] 車德福，吳立新．數字礦山基礎平臺——GeoMo3D的功能結構與應用[C]∥第七屆全國礦山測量學術會議論文集．北京:中國煤炭學會,2007：142-148． Che Defu，Wu Lixin.Functional structure and application of the basic Information platform of digital mine-GeoMo3D[C]∥The Proceedings of the Seventh National Academic Meeting on Mine Surveying.Beijing:China Coal Society,2007：142-148.

[8] 王星捷，李春花．基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J]．計算機技術與發(fā)展，2013(4)：241-244． Wang Xingjie，Li Chunhua.Research and application of 3D virtual city based on Unity3D[J].Computer Technology and Development，2013(4)：241-244.

[9] 許孟建，王 允．基于Unity3D二次開發(fā)的山地公路三維運行仿真技術研究[J]．上海公路，2013(1)：69-72． Xu Mengjian，Wang Yun.Mountain highway 3D simulation technology research using Unity3D secondary development[J].Shanghai Highways，2013(1)：69-72.

[10] 趙 亮，張 維．基于Android技術的界面設計與研究[J]．電腦知識與技術，2009(29)：8183-8185． Zhao Liang，Zhang Wei.Research and design of interface based on Android technology[J].Computer Knowledge and Technology，2009(29)：8183-8185.

(責任編輯 石海林)

Design and Implementation of Virtual Mine Roaming Simulation System Based on Unity3D

Xiu Chunhua1Sun Xiujuan2Miao Po1Che Defu1

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.GeoogicalSurveying&MappingInstituteofShandongProvince，Jinan250003，China)

In view of some shortcomings in a three-dimensional virtual mine system，like high fidelity，strong interaction and multi-platform，a method based on Unity3D platform to realize 3D Virtual Mine is provided.The primary process includes acquiring the three-dimensional coordinate data and attribute data of topography and geology，establishing three-dimensional model of mine，and importing the model into the Unity3D engine.Digital mine can realize real-time rendering，and integrate three-dimensional data with two-dimensional spatial data.Based on these，C# language is used to write the script to realize the function of the system.The virtual mine roaming simulation system is embedded into multiple platforms finally.According to the tested results of Qianjiaying Coal Mine in Tangshan，the system has run smoothly in 3 platforms (Windows，Android smartphone and the Web).The system is realistic and has friendly interface.The system owns the functions of the virtual roaming simulation and mine attribute-information query and others.

Virtual mine，Roaming simulation，Unity3D，Multi-platform

2015-03-04

修春華( 1972—) ，女，實驗師。通訊作者 車德福( 1970—) ，男，教授,博士。

TD178

A

1001-1250(2015)-04-262-05