煤矿生产虚拟现实系统的开发谢耀社

学 术 报 告 会二八年十二月十三日中国矿业大学 谢 耀 社 学 术 报 告 会主 要 内 容一、引言二、模块设计三、工具软件简介四、系统开发过程五、结束语 学 术 报 告 会一、引言1.数字矿山2.虚拟现实 学 术 报 告 会 1. 数字矿山一、引言u 1998年美国前副总统戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了题为：“数字地球：21世纪认识地球的方式”的讲演，提出了“数字地球”概念，引起了科学界的广泛关注。u数字矿山作为数字地球、数字中国的一个重要组成部分，也在中国的采矿业中发挥着越来越大的作用。u数字矿山是在统一的时空框架下，对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现，是数字矿区和数字中国的一个重要组成部分。 学 术 报 告 会 2. 虚拟现实一、引言u虚拟现实，也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。u自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益。u将虚拟现实技术运用到煤矿生产中无疑具有非常重要的意义，本文运用Maya和Virtools的强大功能实现了煤矿生产虚拟现实生产系统的仿真和漫游。 学 术 报 告 会 二、模块设计煤矿生产虚拟现实系统地面生产系统地下生产系统 学 术 报 告 会三、开发工具简介1. Maya2. Virtools 学 术 报 告 会1. Maya简介 三、开发工具简介uMaya是 美 国 Autodesk公 司 出 品 的 世 界 顶 级 的 三维 动 画 软 件 ， 应 用 对 象 是 专 业 的 影 视 广 告 ， 角 色动 画 ， 电 影 特 技 等 。 Maya功 能 完 善 ， 工 作 灵 活， 易 学 易 用 ， 制 作 效 率 极 高 ， 渲 染 真 实 感 极 强 ，是 电 影 级 别 的 高 端 制 作 软 件 。uMaya 集 成 了 Alias/Wavefront 最 先 进 的 动 画 及 数字 效 果 技 术 。 它 不 仅 包 括 一 般 三 维 和 视 觉 效 果 制作 的 功 能 ， 而 且 还 与 最 先 进 的 建 模 、 数 字 化 布 料模 拟 、 毛 发 渲 染 、 运 动 匹 配 技 术 相 结 合 。 学 术 报 告 会2. Virtools简介 三、开发工具简介uVirtools软件是一款多功能的三维开发软件，由开发模块、生成模块和发布模块组成。u开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包。uVirtools Dev是创作应用程序的主要部分，生成模块主要包括行为引擎和渲染引擎。u发布模块主要包括EXE生成器和WEB播放器。 学 术 报 告 会u一 套 具 有 丰 富 互 动 行 为 模 组 的 即 时 3D环 境 虚 拟现 实 与 多 媒 体 互 动 编 辑 软 件u互 动 行 为 模 组 可 利 用 Drag & Drop拖 放 的 方 式 将互 动 行 为 模 组 赋 予 适 当 的 物 件 或 角 色 上 学 术 报 告 会 学 术 报 告 会Virtools的 执 行 流 程动态计算处理行为模组声音场景着色 学 术 报 告 会四、开发过程1.搜集整理资料2.系统场景模型建立3.系统场景整合4.成品发布 学 术 报 告 会 1. 资料搜集整理 四、开发过程u煤矿生产系统非常复杂，各个环节紧密相连，为了真实的体现生产过程中的各个环节并且突出重点，必须在开发前以及开发的过程中根据需要进行必要的资料搜集u资料主要包括图片、数据、视频等。只有在对资料进行认真研究的基础上才能使仿真场景和实际现场相接近。同时积极的现场观察也是非常必要的。 学 术 报 告 会2. 系统场景模型的建立 四、开发过程u场景模型是整个虚拟现实系统最直观的部分，场景模型的好坏直接关系到软件运行的快慢和逼真度。u由于虚拟现实系统要求计算机实时计算场景中的所有多边形数据，因此在模型建立的过程中应该在保证场景不失真的前提下力求线条的简约化，应尽量选择多边形建模方法。u在建模的过程中还要注意详略得当，达到有效利用计算机的内存和CPU进行实时交互。 学 术 报 告 会2. 系统场景模型的建立 四、开发过程u场景模型是整个虚拟现实系统最直观的部分，场景模型的好坏直接关系到软件运行的快慢和逼真度。u由于虚拟现实系统要求计算机实时计算场景中的所有多边形数据，因此在模型建立的过程中应该在保证场景不失真的前提下力求线条的简约化，应尽量选择多边形建模方法。u在建模的过程中还要注意详略得当，达到有效利用计算机的内存和CPU进行实时交互。 学 术 报 告 会2. 系统场景模型的建立 四、开发过程u矿山生产系统是一个非常大的场景，因此在建模的过程中作者采用先分别建模最后集中导入的方式。u在建模的过程中还要严格的控制模型比例使其符合真实情况。u模型及场景建立完成以后，给模型的表面加上各种材质并进行纹理贴图。u把初步建成的模型导入到Virtools中进行检验，对不正确和不美观的部分进行不断的修改。u最终利用Virtools Export Plugins插件导出。部分场景分别如图2-图7所示。 学 术 报 告 会地面生产系统 调度生产监控中心 四、开发过程 中央变电所 煤炭运输 学 术 报 告 会3. 系统场景模型的整合 四、开发过程u将从Maya中导出的（*.nmo）文件用Virtools打开，为他们加上各种控制和灯光。u在Virtools中，场景三维模型的控制是依靠Virtools内置行为模块（Building Block）实现的。uVirtools有600多个BB可供使用，能够对场景模型进行各种基本操作如：大小变化，平移，旋转，缩放，颜色变化，光线变化，三维贴图等，复杂操作如投影，行走，奔跑，后退等。 学 术 报 告 会3. 系统场景模型的整合 四、开发过程u实现对三维编辑区中的模型进行控制，一种方法就是直接调用行为模块库中的内置BuildingBlocks，一种是使用C+进行手工编写BuildingBlocks。前者简单方便，后者比较灵活。u点击 DataResource(数据资源库)，选择 Animations(行为动作)类中的行为，用鼠标点击所要的动作行为并拖到编辑区中的角色身上，并在Schematic(脚本流程图)中运用行为交互模块库中的行为模块编辑角色相应的脚本，这样就形成了3D交互动画。 学 术 报 告 会 学 术 报 告 会3. 系统场景模型的整合 四、开发过程u经过以上过程的设置后，便可以将诸如液压支架的升降、移架过程、采煤机割煤方式、煤炭运输方式等一系列的生产细节生动逼真的展现出来。u为了更好的实现漫游效果，在系统中增添了一个虚拟人物角色，并将摄像机以第三人称跟随的方式进行设置，这样就可以让操作者产生如身临其境的感觉。 学 术 报 告 会 学 术 报 告 会 四、开发过程 学 术 报 告 会 4. 成品的发布 四、开发过程u煤矿生产虚拟现实系统制作完毕后，可以直接将整个作品以CM0文件格式保存，在需要的时候可以在进行修改和编辑，但是这种情况保存的文件只有载入Virtools才可进行单机的展示操作；u还可以把整个作品以VMO文件格式保存传播或者发布到网络上，这种情况只要客户端安装了VirtoolsWebPlaver播放插件，就可以进行交互操作；u利用编程的方法，结合virtools提供的sdk开发工具包，可以将作品打包生成单一的EXE文件，这样，系统就可以在任何WINDOWS平台直接运行。 学 术 报 告 会五、结束语u传统的教学模式以及工人岗前培训模式多为通过文字和图片相结合的方式进行讲解，这种方式枯燥乏味难以在学生或工人的脑海里形成明朗的印象。实地的参观学习效果固然会好很多，但是却要消耗大量的人力财力，而且煤矿生产的特殊条件同时也导致了实地参观存在着很大的安全隐患。u煤矿生产虚拟现实系统可以让学生简单的通过电脑就可以如同身临其境般的体验煤矿生产过程，而且可以进行反复的学习，无疑可以起到很好的学习效果。 学 术 报 告 会谢 谢 大 家 ！