VR技術在采礦實踐教學中的應用

陳 爽，王 強

(中國礦業大學 職業與繼續教育部， 江蘇 徐州市 221008)

VR技術在采礦實踐教學中的應用

陳 爽，王 強

(中國礦業大學 職業與繼續教育部， 江蘇 徐州市 221008)

由于煤炭企業生產任務重，安全生產責任大，事故隱患多，學生到煤礦往往不能深入到生產一線頂崗實習，致使煤炭高校的實踐教學計劃難以落實，為了解決這一問題引入了先進的虛擬現實技術(VR)，開發了交互式三維虛擬礦井實習及教學系統。利用3Ds Max軟件進行三維建模、貼圖及渲染烘托，利用VRPlatform進行交互性設計及平臺的融合，設計了虛擬礦井教學系統；并對設計制作過程中遇到的問題提出了解決方案。

三維虛擬礦井；虛擬現實技術；3Ds Max；VRP

為了跟隨新型工業化發展的步伐，適應能源生產與消費革命的新要求，煤礦行業走綠色、安全、高效開采之路已經成為共識，作為煤炭高校必須進行教育改革，培養出適合新形勢發展的實踐與創新能力強的高等技術人才。然而在搭建實踐教學能力培養平臺的過程中，由于煤炭企業生產任務重，安全生產責任大，事故隱患多，學生到了煤礦，不能深入到生產一線頂崗實習，致使煤炭高校的實踐教學計劃難以落實，為了解決這一問題，應用先進的虛擬仿真技術，開發了交互式三維虛擬礦井實習及教學系統，為學生搭建了一個良好的反映復雜的礦井生產系統的實習平臺。

虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現的高新技術，利用計算機仿真生成一個與真實情況相同的三維空間的虛擬世界讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。虛擬現實充分運用計算機三維建模技術、3D立體顯示技術、對用戶身體部位動作的跟蹤技術、 立體聲等多種技術，使用戶達到身臨其境的感覺[1￣14]。

目前，虛擬現實平臺種類繁多，比較知名的有Virtools、Quest3D、Converse3D、ShiVa3D、 WebMax、unity 3D等,本人主要采用由國內虛擬現實開發廠商中視典數字科技有限公司獨立開發，擁有自主知識產權的Virtual Reality Platform軟件(簡稱VRP)作為開發平臺；采用功能強大，集成3D建模、動畫和渲染解決方案的軟件Autodesk 3Ds Max 2010作為3D建模工具；利用微軟公司開發的C語言作為開發工具。

1 系統設計

系統以教學礦井為設計模型，建立包括礦井工業廣場、信息調度指揮中心、空壓機房、井筒絞車房等地面建筑和井筒、井底車場、硐室、大巷、采掘工作面、主要采掘設備等井下主要建筑和設備的虛擬礦井模型，能夠在虛擬礦井模型中實現礦井各生產系統的模擬仿真、各類礦井災害事故仿真與分析、井上下虛擬漫游等功能。在采礦等相關專業需要進行認識實習或者煤礦工人進行崗前培訓時，能夠在一個舒適安全的環境中進行真實礦井系統環境的講解、瀏覽及學習培訓，避免現場實習影響企業安全生產。

系統利用相機拍攝礦井實際環境照片，采集信息， 利用Potoshop圖像處理軟件處理照片內容，修整處理，使之能為后期3Ds Max軟件建模時候的紋理貼圖所用；整體的虛擬礦井系統基于煤礦生產的CAD圖紙，使用3Ds Max軟件基于采掘工程平面圖的真實坐標搭建虛擬世界, 在虛擬交互平臺軟件VRP中對場景進行進一步的處理，優化并設置各部分設備的動畫設定、添加培訓時需要講解的內容資料、設備動畫展示及礦井的瀏覽路徑等。

1.1 基礎資料的采集整理

虛擬礦井建設前期需要采集現場工業廣場、井筒、硐室、大巷、工作面等場所和設備的照片以及采掘工程平面圖、井上下對照圖等礦圖文件。

采集照片是為了在3Ds Max中搭建模型的時候進行貼圖的制作，為了提高虛擬場景的真實性，用真實的場景照片經過處理后賦予搭建好的場景模型，會產生真實的外觀效果。

基于采掘工程平面圖、井上下對照圖等礦圖文件去搭建模型場景，能更好的在虛擬的世界中還原真實的場景內容。

1.2 三維虛擬場景的建立

由于系統在制作的時候要考慮到新場景的真實及客觀性，在場景搭建的時候用3Ds Max建模軟件基于采掘工程平面圖完成。在這個時候有一個問題，真實的礦井CAD數據導入3Ds Max之后，由于CAD的真實坐標數據一般不會產生在空間坐標的(0,0,0)坐標點上，所以在模型的制作初期可能會產生模型、線框及三維點的晃動。

此處的解決方法有兩種：一種是把導入的CAD礦圖進行打組，并移動到3Ds Max空間坐標系的原點處；另外一種方法就是在模型的基礎框架搭好之后把需要詳細制作的模型另存，然后在新保存的3Ds Max文件中把模型移動到中心，制作詳細的內容然后再導回到3Ds Max整體文件中，一個整體的礦井內容包括地面工業廣場部分及井下巷道及采礦設備等部分，制作的過程中如果發生內存不足或者處理器占用過高的情況，可以分開來制作，在后期導入進VRP的過程中再合并為一個整體。制作效果見圖1。

圖1 虛擬礦井三維模型

1.3 礦井設備的動畫制作

綜采一次采全高工作面一般采用雙滾筒采煤機落煤，刮板輸送機運煤，自移式液壓支架進行頂板支護方式實現工作面的連續開采。在制作采煤機系列動畫的時候，需要用到3Ds Max中的“曲線編輯器”及“動畫控制器”來設置割煤機的各個部件的剛體動畫關鍵幀(見圖2)。

3Ds Max場景中所有的對象在創建之始都帶有一個默認的動畫控制器，所有的常規動畫參數都記錄在動畫控制器里。所有的動畫效果都由動畫控制器記錄，添加新的動畫控制器，實際上是將原有的動畫控制器更改為其他的更為合適的動畫控制器，如果在編輯過程中認為新動畫控制器不適用，可以重新更換為原有的默認動畫控制器。

在動畫模型的制作過程中，需要注意的是：添加有重復關鍵幀動畫的模型不可以用鏡像復制的方法來代替,每一個模型文件必須單獨制作并添加動畫關鍵幀文件及腳本內容。如果是鏡像復制的模型，則會在導入進VRP時出現動畫模型在空間中“亂飛”的現象。解決這一問題的方法可以在3Ds Max軟件中給相關的模型添加一個“重置變換”屬性，在添加了“重置變換”屬性之后，在材質球編輯器中給模型貼圖添加上“雙面”的參數，這樣在導入進VRP后就不會再出現上述問題。

圖2 綜采設備剛體動畫設置

1.4 虛擬系統在VRP中的設定

VRP編輯器在安裝的時候有功能插件可以直接適配到3Ds Max 2010版本中，在安裝了VRP導出插件的3Ds Max中，可以把制作好的模型直接導出為VRP所支持的文件格式。

模型導入進VRP編輯器后需要根據實際情況來判斷模型在VRP空間中的物理碰撞屬性、動態光照的開啟及模型貼圖的再次修改(見圖3)。

圖3 VRP中交互設置

在場景模型都設置好屬性之后，可以開始錄制動畫相機路徑。

VRP支持在自身編輯器中直接錄制路徑動畫相機，也支持3Ds Max中設置好的路徑動畫相機。路徑動畫相機的錄制應當遵循虛擬教學礦機在運行講解的時候所行走的路徑，或者按照既定的順序來依次錄制。

錄制的過程中應隨時調節鏡頭的參數，以適應不同的地質模型環境。VRP中的相機分為行走相機、飛行相機、繞物體旋轉相機、角色控制相機等各種不同屬性的相機，這個可以按照制作的虛擬礦井的模型實際來選擇相應的相機。

相機錄制完成后按照順序即可以在運行時自動播放。

在VRP中添加實際生產礦井中所用到的基礎設備模型，并添加模型設備的參數信息面板。通過VRP自帶的腳本編輯器來編寫程序，達到路徑動畫相機在靠近采礦設備的時候停止當前動畫相機的播放并彈出相關設備的參數信息面板；在實現面板被點擊關閉以后當前動畫相機能自動繼續播放的效果。

1.5 系統的發布及運行

當搭建好的虛擬場景調試完成并添加了相應的腳本文件之后就可以打包輸出場景。VRP編輯器支持直接生成EXE可執行程序或者發布為VRPIE文件以便發布到網絡上共享使用。VRP編輯器生成的EXE可執行程序自帶系統播放器，可以運行在任何平臺的WINDOWS系統上。本系統是針對在煤礦進行實習的與礦業有關專業的學生、煤礦新工人的崗前及安全培訓使用而設計的。所以選擇發布為EXE格式的可執行程序。

不過需要注意的是：系統的運行需要相應的硬件環境支持, 否則運行效果將出現巨大差別, 出現這種問題的原因一方面與模型內容的大小有關, 另一方面與電腦的顯卡、內存及處理器性能有關。

在發布EXE可執行程序的時候可以設置加密或者直接運行；添加設置系統名稱、發布單位及信息，發布完成后即可在電腦上運行(見圖4)。

2 虛擬教學礦井系統的應用

虛擬教學礦井系統通過基于偏振光的立體投影系統和人機交互設備，構建高度沉浸感的互動虛擬教學礦井系統，用于采礦相關專業教學。

2.1 采礦工程專業認識實習

通過認識實習鞏固所學的理論知識，使理論更好的結合實際，使學生能夠建立對礦山的感性認識，了解煤礦生產過程及各主要生產環節，建立煤、機、電一體化的概念，樹立煤礦安全生產的理念，體會煤礦事業在國民經濟中的重要地位，了解采礦技術人員在煤礦所起的重要作用，為以后學好專業課程，奠定良好的基礎。

傳統的認識實習主要采用聽現場工程技術人員報告、井下及地面參觀、閱讀并討論有關資料等方式來實現。通過虛擬教學礦井系統的建立，實現了在3D實驗室使學生達到身臨其境的井下實習效果。

2.2 復雜知識點虛擬仿真教學

在采礦工程專業教學中，井筒、大巷、井底車場、上下山等錯綜復雜的巷道和地質構造、大型機械設備融在一起，使學生非常難以理解。傳統視頻的制作與多媒體教學的手段，不利于學生對井下巷道產生感性的認識，而且多媒體手段也不允許教師自由探究某個局部巷道布置的細節，不允許對大型采掘機械實際操作演示。這些相對復雜的教學知識點，通過虛擬教學系統給學生一個動手能力和實際感性的認識，并且在課堂上增加了最時尚和最前沿的虛擬現實技術，提升了學生的學習興趣和學習效果。

3 結 論

隨著計算機技術的迅速發展，基于3Ds Max 2010和VRP的虛擬現實技術為學生實習提供了一種非常有效的手段。采用該技術開發的礦井虛擬仿真系統具有高仿真性、交互性和易實現等特點,能極大地提高相關專業實習、實踐教學的效果， 減少學生實習時間、提高實習效率, 保證實踐教學的安全及便捷。

該系統不僅可以供采礦、安全等相關專業的學生生產實習，還可用于生產礦井對煤礦工人進行崗前培訓及安全教育,為進一步實現煤礦行業走綠色、安全、高效開采之路奠定了基礎。

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作者簡介：陳 爽(1962-)，女，黑龍江佳木斯人，高級工程師，主要從事計算機實驗教學工作,Email：89727546@qq.com。

仲 峰(1973-)，男，湖北宜昌人，碩士，高級工程師，研究方向為工程爆破技術與民爆裝備技術，Email：zfgege@sina.com。

2016￣10￣11)