VR環(huán)境下綜采工作面全景造型與故障渲染

周 帥，李娟莉，3，謝嘉成

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后科研工作站，山西 太原 030024；3.煤礦綜采設(shè)備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

由于井下條件的限制，很難對(duì)工作面設(shè)備的運(yùn)行情況、作用范圍和相互匹配情況進(jìn)行細(xì)致的研究。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成綜采工作面，可以清楚地看到工作過程的過程和隱患。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)綜采面虛擬現(xiàn)實(shí)，讀出相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，并在虛擬礦山中顯示相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)操作，達(dá)到數(shù)據(jù)三維可視化的目的。近年來礦用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅猛，在綜合、培訓(xùn)、可視化3個(gè)方向上都有快速大跨越式的發(fā)展[1-14]。基于此,采用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)、三維虛擬模型制作技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),建立三維可視化操作和仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的全景流程,提出優(yōu)化展現(xiàn)綜采工作面各設(shè)備的外觀及實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、事故故障渲染動(dòng)態(tài)效果的方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 1，系統(tǒng)架構(gòu)包括2個(gè)主要部分：全景造型設(shè)計(jì)與故障渲染研究。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)功能的主要手段：①幾何建模：專注于事物中基元的形狀和輪廓，顏色基元間的連接性，包括人物、設(shè)備、巷道的建模渲染以及裝配；②物理建模：物理建模多考慮事物的物理屬性，典型的是分形技術(shù)和粒子系統(tǒng)，如礦井中的石塊，煤渣，火焰，煙霧，水；③運(yùn)動(dòng)建模：在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景時(shí)，只有的靜態(tài)3D模型是不夠的，例如：碰撞檢測(cè)，剛體的置入以及第一第三操作視角的制作；④行為建模：涉及到事物的運(yùn)動(dòng)和行為特征，當(dāng)事物交互時(shí)，不需要用戶控制就能體現(xiàn)事物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，例如設(shè)備的自行移動(dòng)，礦工的巡視，刮板輸送機(jī)輸送煤塊等。

2 全景造型設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面全景造型設(shè)計(jì)包括礦工人物建模，地形巷道建模、煤機(jī)設(shè)備建模、綜采工作面布置、第一第三人稱漫游設(shè)置，5個(gè)模塊讓使用者可以根據(jù)優(yōu)化的全景造型設(shè)計(jì)更加直觀全面的了解綜采工作面的各個(gè)方面。

1）礦工人物建模。礦工的角色建模使用3DSMAX軟件來建模，繪制和渲染角色。為了使建模出的人物更加逼真生動(dòng)需要利用Lightmapping（光照貼圖）以增強(qiáng)場(chǎng)景光照貼圖效果，用較少的性能占用使場(chǎng)景更加真實(shí)豐富，而且更加立體，為了產(chǎn)生光滑，真實(shí)而不顯眼的質(zhì)感光線效果。需要對(duì)其進(jìn)行骨骼的綁定與蒙皮操作才能在Unity-3D時(shí)動(dòng)畫效果逼真，在人物建模完成之后轉(zhuǎn)換為FBX格式同時(shí)保存animation文件導(dǎo)出，在導(dǎo)出時(shí)保持開始幀，結(jié)束幀，步幅值保持默認(rèn)不變，選擇Embed Media連同貼圖一并導(dǎo)出。Unity-3D中的Mecanim為人形模型提供工作流與動(dòng)畫創(chuàng)作的能力，從3DS-MAX中導(dǎo)入的模型會(huì)自動(dòng)生成Avatar（人形骨架）但某些關(guān)鍵關(guān)節(jié)還需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整配置，在配置Avatar（骨骼）、Mecanim（肌肉）、Body Mask(身體遮蓋)等基礎(chǔ)參數(shù)之后、可利用Animator Controller（動(dòng)畫控制）控制角色動(dòng)畫，與動(dòng)畫重復(fù)時(shí)間。礦工在綜采工作面中的巡視等行為建模需要通過鋪設(shè)路點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，并利用C#編寫腳本核心代碼如下：

void Start()

{inst=this;}

void Update()

{RotateTo();

MoveTo();}

public void RotateTo()

{float current=transform.eulerAngles.y;

this.transform.LookAt(m_currentNode.transform);

Vector3 target=this.transform.eulerAngles;

float next=Mathf.MoveTowardsAngle(current，target.y，120*Time.deltaTime);

this.transform.eulerAngles=new Vector3(0，next，0);}

2）地形巷道建模。系統(tǒng)利用Unity-3d中的地形編輯器LOD功能，攝像機(jī)與地形之間的距離以及地形的起伏程度可調(diào)整貼片柵格的密度。使用疏密變化的網(wǎng)格，使場(chǎng)景更加真實(shí)，精細(xì)，再放入由3DSMAX建模生成的巷道模型，加以貼圖展現(xiàn)井下的仿真場(chǎng)景。

3）煤機(jī)設(shè)備建模與綜采工作面布置。設(shè)備造型采用UG10.0對(duì)綜采設(shè)備中的采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)和液壓支架進(jìn)行建模，使父子零部件之間的連接精確，以便于呈現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)和設(shè)備之間的相互運(yùn)動(dòng)，以及后期置入骨骼，GUI操控。綜采工作面的主要設(shè)備由采煤機(jī)，液壓支架，刮板輸送機(jī)，液壓泵站，電源，控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機(jī)、輔助運(yùn)輸設(shè)備等7大類設(shè)備所組成。將各設(shè)備參照真實(shí)礦下情況，布置到正確位置。

4）第一第三人稱視角漫游設(shè)置。基于整體漫游行為路徑的設(shè)計(jì)與設(shè)置理論，在以Unity-3D為平臺(tái)的第一人稱漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)非常成熟，在調(diào)節(jié)膠囊體底部略高于地面之后調(diào)整Character Controllers（角色控制器）、Rigibody（剛體）參數(shù)之后便可以順暢的使用。第三人稱漫游設(shè)置是為了讓用戶有更好的身臨其境的效果。在場(chǎng)景中的人物模型自身已經(jīng)帶有動(dòng)畫、Avatar（骨骼）、Animator（動(dòng)畫）、需要再進(jìn)行Mecanim狀態(tài)機(jī)設(shè)置使轉(zhuǎn)向，跳躍，跑，走等動(dòng)作更加順暢。

3 故障渲染

綜采工作面故障渲染研究包括事故渲染與設(shè)備故障渲染2個(gè)部分，設(shè)備故障分類如圖2。

1）事故故障分類渲染。煤礦事故展示是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，旨在提高礦工的逃生技能，減少意外傷亡。系統(tǒng)將井下事故分為：頂板災(zāi)害，井下水災(zāi)、火災(zāi)，瓦斯煤塵爆炸。

圖2 設(shè)備故障分類

2）環(huán)境粒子系統(tǒng)與后期頻幕特效的設(shè)置。系統(tǒng)中為了更好的展現(xiàn)事故或者設(shè)備故障，必須研究如何渲染出更加逼真的效果。Unity-3D粒子系統(tǒng)的制作遵循三要素原則，發(fā)射（發(fā)射形狀、速度等），存在期間的動(dòng)畫（存在時(shí)間、存在期間速度限制、存在期間受力、存在期間粒子半徑），粒子渲染（粒子顏色，粒子衰減、死亡、相互碰撞），通過調(diào)整一系列參數(shù)實(shí)現(xiàn)效果。在操作系統(tǒng)中，Shuriken粒子系統(tǒng)用于水，火，煙，霧，爆炸，的巖石和煤渣的效果渲染。設(shè)計(jì)師通過模塊化管理，個(gè)性化粒子模塊和粒子曲線編輯創(chuàng)建多彩且復(fù)雜的粒子效果。環(huán)境粒子系統(tǒng)設(shè)置完成后需要添加后期屏幕渲染特效（Image Effets）圖像特效，該設(shè)置主要應(yīng)用于Unity-3D系統(tǒng)中的攝像機(jī)對(duì)象上，使用OnRenderimage函數(shù)，附加到相機(jī)對(duì)象的任何Image Effects腳本都可以通過編輯代碼來修改效果。二者的互相合作搭配會(huì)帶來更完美的效果。井下水災(zāi)火災(zāi)效果圖如圖3。

圖3 井下水災(zāi)火災(zāi)效果圖

3）設(shè)備故障展示。系統(tǒng)中采用SQL Server 2008后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)接入監(jiān)測(cè)設(shè)備故障，如某一零件已經(jīng)發(fā)生故障，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，并將畫面自動(dòng)切換到故障設(shè)備，并出現(xiàn)問題提示故障部位，故障零件將間歇性閃耀紅色光芒。井下設(shè)備故障效果圖如圖4。

圖4 井下設(shè)備故障效果圖

4）操作系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)。基于漫游過程中的人機(jī)交互理論，GUI在系統(tǒng)開發(fā)中有重要的地位，系統(tǒng)是否友好，使用是否方便，很大程度上決定用戶體驗(yàn)。該模塊模擬液壓支架。鼠標(biāo)右鍵拖拽可改變使用者的位置。點(diǎn)擊相應(yīng)的控制按鈕完成相應(yīng)的操作。包括升降柱，推滑框架，前梁伸縮，保護(hù)和延伸，蓋梁伸縮，調(diào)整和千斤頂升降，共6組作業(yè)。所有操作都以實(shí)時(shí)交互的形式體現(xiàn)，動(dòng)作流暢自如，相互無干擾。本模塊中模擬液壓支架的機(jī)械臂動(dòng)作是主要的難點(diǎn)，機(jī)械臂類似人的胳膊，各個(gè)關(guān)節(jié)支架相互約束匹配，在一定的角度數(shù)值范圍內(nèi)做出動(dòng)作，不能超出規(guī)定的范圍。液壓支架操控界面如圖5。

5）模擬液壓支架的操作核心代碼。模擬液壓支架的操作，例如提升立柱，移動(dòng)汽車以及降低立柱，都需要碰撞檢測(cè)。各種動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)利用EventSystem系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，核心代碼如下：

圖5 液壓支架操控界面

public class EventSystemChecker:MonoBehaviour

{void Awake()

{if

(!FindObjectOfType＜EventSystem＞())

{GameObject obj=new GameObject("EventSystem");

obj.AddComponent＜EventSystem＞();

obj.AddComponent ＜StandaloneInputModule ＞().force－ModuleActive=true;}

6）鼠標(biāo)操作按鈕模擬操作核心代碼。鼠標(biāo)操作按鈕需要碰撞檢測(cè)，由輸入設(shè)備與三維場(chǎng)景物體的模型實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)通過鼠標(biāo)模擬人手對(duì)NGUI制作的按鈕進(jìn)行模擬操作，核心代碼如下：

public UIPanel parentPanel{get{return mParentPanel;}}

public int clipCount

{get

{int count=0;UIPanel p=this;while(p!=null)

{if(p.mClipping==UIDrawCall.Clipping.SoftClip||p.mClipping==UIDrawCall.Clipping.TextureMask)++count;

p=p.mParentPanel;}

return count;}

4 結(jié)語(yǔ)

從虛擬現(xiàn)實(shí)的角度對(duì)綜采工作面全景造型設(shè)計(jì)、故障渲染系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：實(shí)現(xiàn)優(yōu)化綜采工作面造型設(shè)計(jì)，完善工作環(huán)境的構(gòu)造，并加入人物漫游功能，使綜采工作面更加生動(dòng);實(shí)現(xiàn)井下各種事故的呈現(xiàn)與設(shè)備的故障預(yù)警監(jiān)測(cè)，將更逼真的可視化系統(tǒng)呈現(xiàn)在使用者面前。