大新錳礦西北采區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)開發(fā)研究

韋志興 陳慶發(fā) 莫載斌 牛文靜 段志偉

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

·機(jī)電與自動(dòng)化·

大新錳礦西北采區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)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(xué)資源與冶金學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 大新 532315)

三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)是數(shù)字礦山的重要組成部分，是對(duì)真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的新理解、表達(dá)與數(shù)字化再現(xiàn)?；?DMine和VRP BUILDER軟件，開發(fā)了大新錳礦西北采區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。分別構(gòu)建了地表模型、巷道模型和環(huán)境匹配模型，通過(guò)程序文件格式間的兼容性，實(shí)現(xiàn)了3DMine與3DS MAX的過(guò)渡對(duì)接，利用Complete Map烘焙方式進(jìn)行了貼圖烘焙，并用VRP-for-MAX插件將烘焙模型導(dǎo)出以供VRP編輯器調(diào)入使用，成功解決了由3DMine模型轉(zhuǎn)換VRP BUILDER場(chǎng)景部分關(guān)鍵技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)了礦業(yè)工程軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的有機(jī)結(jié)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(chǎng)景，擁有豐富的UI界面和交互功能，設(shè)置了多種漫游方式，為用戶快速了解并掌握礦山整體生產(chǎn)狀態(tài)提供了便捷。研究成果對(duì)于提高礦山設(shè)計(jì)質(zhì)量、生產(chǎn)安全和管理效率具有重要意義。

錳礦 虛擬現(xiàn)實(shí) 3DMine VRP BUILDER

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是近年來(lái)發(fā)展最快的信息技術(shù)之一[1]。它與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計(jì)算機(jī)技術(shù)[2]，在航天、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[3-4]。

在礦業(yè)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也受到了技術(shù)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(guān)鍵算法研究，毛善君等[6]開展了煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，王德永等[7]開展了礦井生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)研究，華臻等[8]運(yùn)用VR技術(shù)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可控與可視化進(jìn)行研究，周科平等[9]開展了地下礦山開拓運(yùn)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(chǎn)技術(shù)模擬培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)。這些研究均取得了比較好的預(yù)期效果，有力地提升了礦山生產(chǎn)管理與災(zāi)害控制技術(shù)水平。

本研究主要基于3DMine和VRP BUILDER軟件，重點(diǎn)解決了模型轉(zhuǎn)換場(chǎng)景部分關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了大新錳礦西北采區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。

1 VR仿真系統(tǒng)開發(fā)分析

1.1 構(gòu)建目標(biāo)分析

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

(1)構(gòu)建出逼真且符合工程實(shí)際的三維場(chǎng)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(shè)置多種場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的全方位審視。

(3)設(shè)計(jì)出美觀且功能強(qiáng)大的UI界面，要求具有多種交互功能和多媒體的調(diào)用，使用戶在操作的同時(shí)，也能享受界面與多媒體帶來(lái)的便捷和樂趣。

1.2 VR仿真系統(tǒng)構(gòu)建內(nèi)容

分別對(duì)大新錳礦西北采區(qū)地表與地下部分進(jìn)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(chǎng)景作為研究對(duì)象。系統(tǒng)開發(fā)主要基于3DMine、3DS MAX構(gòu)建真實(shí)的三維可視化模型、利用VRP BUILDER來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景交互的礦山VR仿真系統(tǒng)。

根據(jù)西北采區(qū)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)收集的照片素材、設(shè)備參數(shù)等，利用礦業(yè)工程軟件3DMine和三維建模商業(yè)軟件3DS MAX構(gòu)建出西北采區(qū)地表與地下的場(chǎng)景模型。

通過(guò)VRP BUILDER虛擬現(xiàn)實(shí)軟件對(duì)采區(qū)場(chǎng)景模型進(jìn)行設(shè)置，主要包括模型的碰撞檢測(cè)、環(huán)境模擬的添加、相機(jī)的創(chuàng)建、場(chǎng)景漫游方式的設(shè)置、二維交互界面的設(shè)計(jì)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(guò)程

2.1 開發(fā)環(huán)境與操作流程

系統(tǒng)開發(fā)主要針對(duì)非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，開發(fā)過(guò)程中需要PC設(shè)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(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件。

VR仿真系統(tǒng)開發(fā)操作流程分為數(shù)據(jù)收集、模型構(gòu)建、烘焙貼圖、場(chǎng)景設(shè)置和文件發(fā)布5個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 VR仿真系統(tǒng)開發(fā)操作流程

數(shù)據(jù)收集包括大新錳礦西北采區(qū)地質(zhì)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(chǎng)景紋理照片等；設(shè)備參數(shù)，如軌道參數(shù)、機(jī)車參數(shù)、礦車參數(shù)等。

模型構(gòu)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(zhì)清晰的紋理，但烘焙出來(lái)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(chǎng)景設(shè)置是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵部分，場(chǎng)景設(shè)置的好壞可直接影響仿真程度與交互效果，在場(chǎng)景設(shè)置中含布局設(shè)置、相機(jī)設(shè)置、二維界面設(shè)置和交互動(dòng)作設(shè)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(wǎng)絡(luò)文件。

2.2 場(chǎng)景建模

(1)地質(zhì)資料預(yù)處理。為達(dá)到三維可視化模型的構(gòu)建要求，必須對(duì)原始CAD地質(zhì)資料進(jìn)行預(yù)處理。將不需要的圖層及其他輔助數(shù)據(jù)刪除，減少文件的冗余程度。對(duì)于不連續(xù)的多段線要進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)連接，同時(shí)也要檢查圖紙是否存在明顯錯(cuò)誤。檢查無(wú)誤后，開始對(duì)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(gòu)建做準(zhǔn)備。

(2)地表模型的構(gòu)建。選擇預(yù)先處理好的地表地形圖，在3DMine中使用“生成DTM表面”工具，對(duì)地表地形圖進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，使其成為DTM面模型。由于程序是根據(jù)DEM算法來(lái)計(jì)算的，在模型的邊界處常會(huì)出現(xiàn)不合理的三角片，需要人工對(duì)其進(jìn)行刪除。選擇實(shí)體編輯中的編輯三角網(wǎng)，刪除不合理的三角片，最終處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 地表模型

(3)巷道模型的構(gòu)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(shí)體法等。

(4)環(huán)境匹配模型的構(gòu)建。為體現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的逼真性，場(chǎng)景模型除構(gòu)建主要模型外還要構(gòu)建部分環(huán)境匹配模型，以做到與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景物體大致相同。這些模型包括鐵軌、管道、電機(jī)車、礦車、提升機(jī)、礦工角色等，其中鐵軌和管道屬于細(xì)長(zhǎng)物體，可以適當(dāng)降低建模精度，電機(jī)車和礦工角色屬于近距離觀察模型，應(yīng)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(duì)接

3DMine構(gòu)建模型優(yōu)勢(shì)主要在于利用現(xiàn)有CAD地質(zhì)資料，通過(guò)簡(jiǎn)單處理，就能快速將二維圖紙轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)構(gòu)建模型能在VRP編輯器中使用，軟件必須通過(guò)3DS MAX來(lái)導(dǎo)入模型。而3DMine所構(gòu)建模型無(wú)法直接輸入到3DS MAX中。

解決方案是將3DMine所構(gòu)建的模型以“.dwg”格式進(jìn)行保存，再用AutoCAD打開，此時(shí)必須將整個(gè)三維模型保存為塊，否則即使能將“.dwg”文件導(dǎo)入至3DS MAX中，模型形狀也會(huì)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(jīng)很好，基本形狀保持不變，但在視口中查看時(shí)會(huì)出現(xiàn)模糊、閃動(dòng)現(xiàn)象，不利于對(duì)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(xiàng)—視口—選擇驅(qū)動(dòng)程序—選擇OpenGL，最后重啟3DS MAX，完成3DMine模型順利導(dǎo)入到3DS MAX中。

2.4 材質(zhì)貼圖

材質(zhì)貼圖是指把存儲(chǔ)在內(nèi)存里的位圖包裹到3D渲染物體的表面，以簡(jiǎn)單的方式模擬出復(fù)雜的外觀紋理，給物體提供更豐富的細(xì)節(jié)。高精度的材質(zhì)貼圖可以給人帶來(lái)非常逼真的視覺感受，但同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)和顯示器配置要求更高，所以在處理模型的貼圖時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，需要近距離觀察或強(qiáng)調(diào)顯示的模型要賦予高質(zhì)量的貼圖，而對(duì)于遠(yuǎn)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(shí)別多維子材質(zhì)，在利用3DS MAX賦材質(zhì)時(shí)不可使用多維子材質(zhì)，對(duì)于已有的多維子材質(zhì)應(yīng)將其打散成標(biāo)準(zhǔn)單維材質(zhì)。另外，為避免模型在導(dǎo)入VRP編輯器中丟失或出現(xiàn)錯(cuò)誤，不宜使用Vray、Mental Ray等高級(jí)材質(zhì)。

2.5 烘焙導(dǎo)出

烘焙除了能夠增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景逼真光影效果外，還可以節(jié)省系統(tǒng)資源，提高場(chǎng)景的運(yùn)行效率，因此對(duì)模型進(jìn)行烘焙操作是非常有必要的。

烘焙時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①VRP編輯器只支持Complete Map和Lighting Map這2種烘焙模式的貼圖導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)烘焙錯(cuò)誤，貼圖一片黑等現(xiàn)象。

當(dāng)所有模型烘焙完成后，可以使用VRP-for-MAX插件及時(shí)將模型導(dǎo)出并收集好烘焙貼圖，以供在VRP編輯器中調(diào)入使用。

2.6 虛擬場(chǎng)景

(1)碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)技術(shù)影響虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)效果。碰撞檢測(cè)往往要求角色可以在場(chǎng)景中平滑移動(dòng)，遇到一定高度臺(tái)階或斜率較小斜坡可自動(dòng)上去，而過(guò)高臺(tái)階或斜率過(guò)大斜坡則把角色擋住，在各種前進(jìn)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(dòng)而非被迫停下。本研究所采用的VRP編輯器，可完成對(duì)任意復(fù)雜場(chǎng)景的高效碰撞檢測(cè)，對(duì)模型基本沒有限制，且操作簡(jiǎn)單，只需選中相應(yīng)模型，開啟物理碰撞即可。

(2)場(chǎng)景漫游。虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景漫游主要依靠相機(jī)視角的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在VRP編輯器中提供了多種相機(jī)的創(chuàng)建，如行走相機(jī)、飛行相機(jī)、繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)、角色控制相機(jī)等。行走相機(jī)是模擬第1人稱在場(chǎng)景中漫游，用戶可以使用“W”“S”“A”“D”鍵來(lái)進(jìn)行前進(jìn)、后退、左移、右移操作；飛行相機(jī)可以對(duì)場(chǎng)景的整個(gè)外貌進(jìn)行全局瀏覽時(shí)，其特點(diǎn)是可以在場(chǎng)景中任意穿越，無(wú)碰撞檢測(cè)；繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)可以鎖定某個(gè)目標(biāo)物體，然后圍繞這個(gè)物體對(duì)其進(jìn)行環(huán)視；角色控制相機(jī)需要與角色綁定，實(shí)現(xiàn)在VR場(chǎng)景中對(duì)角色的控制，如礦工、礦車的行為等；跟隨相機(jī)用來(lái)跟隨目標(biāo)物體的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的自動(dòng)漫游；定點(diǎn)觀察相機(jī)也是跟隨目標(biāo)物體移動(dòng)而變化，但觀察相機(jī)位置不變，只是視角隨著目標(biāo)物體轉(zhuǎn)動(dòng)。本研究的VR仿真系統(tǒng)按需要設(shè)置了行走相機(jī)、角色控制相機(jī)和跟隨相機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)了第1人稱與第3人稱手動(dòng)漫游和第3人稱自動(dòng)漫游。

(3)二維界面。二維交互界面在VR場(chǎng)景中起著人機(jī)交互的橋梁作用，給用戶帶來(lái)非常好的視覺享受和操作體驗(yàn)。VRP編輯器為用戶分別提供了初級(jí)界面和高級(jí)界面2種，以適應(yīng)不同場(chǎng)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(yǔ)句，編輯器共包含了3種函數(shù)調(diào)用，分別是系統(tǒng)函數(shù)、觸發(fā)函數(shù)和自定義函數(shù)。系統(tǒng)函數(shù)和觸發(fā)函數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)功能限制的函數(shù)，應(yīng)用范圍小，但操作過(guò)程簡(jiǎn)單；自定義函數(shù)完全由用戶自主創(chuàng)立，可以實(shí)現(xiàn)所有函數(shù)功能。創(chuàng)建函數(shù)時(shí)，用戶只需點(diǎn)擊插入語(yǔ)句則可按照設(shè)置向?qū)нx擇相應(yīng)的語(yǔ)句進(jìn)行插入。

2.7 系統(tǒng)的測(cè)試

系統(tǒng)可發(fā)布為EXE可執(zhí)行文件和HTML網(wǎng)頁(yè)文件。完成系統(tǒng)發(fā)布后需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要為場(chǎng)景運(yùn)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(jī)中流暢運(yùn)行，模型貼圖、效果和交互功能無(wú)丟失現(xiàn)象等。

系統(tǒng)包含了地表場(chǎng)景、平硐口場(chǎng)景和地下巷道場(chǎng)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(jìn)入每一個(gè)場(chǎng)景界面。在地表場(chǎng)景界面中用戶可以保用全屏、模式切換、返回、操作說(shuō)明、動(dòng)畫播放等按鈕來(lái)控制場(chǎng)景功能與顯示，另外場(chǎng)景還附加了電子羅盤和導(dǎo)航地圖，可以有效避免用戶在瀏覽場(chǎng)景時(shí)迷失方向。在平硐口場(chǎng)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(guò)程。在地下巷道場(chǎng)景，用戶可使用第1或第3人稱對(duì)地下巷道進(jìn)行巡視，模擬礦車提升與運(yùn)行過(guò)程。

系統(tǒng)場(chǎng)景測(cè)試界面如圖4所示。

圖4 各場(chǎng)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(cè)試場(chǎng)景畫面。

圖5 場(chǎng)景測(cè)試畫面

圖5(a)為跟隨漫游情形，用戶可以根據(jù)開發(fā)者事先設(shè)計(jì)好的瀏覽路徑進(jìn)行自動(dòng)漫游，且能環(huán)繞跟隨目標(biāo)進(jìn)行場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)，在地下主要用在運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(duì)場(chǎng)景進(jìn)行自由查看，空間狀態(tài)無(wú)限制，適合在詳細(xì)查看地形地貌的過(guò)程中，圖5(c)為飛行漫游情形。為實(shí)現(xiàn)從空中俯視漫游的感覺體驗(yàn)，系統(tǒng)特意添加了飛機(jī)模擬漫游的過(guò)程，逼真地體現(xiàn)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(shè)備查看全過(guò)程，現(xiàn)時(shí)也能根據(jù)操作漫游，達(dá)到快速熟悉井下巷道建設(shè)情況。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)礦山VR仿真系統(tǒng)的開發(fā)，研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)踐證明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于礦山能使礦山地理、資源和環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化、虛擬化，為工程設(shè)計(jì)、施工、管理提供一種全新的虛擬環(huán)境。

(2)系統(tǒng)通過(guò)融入多種場(chǎng)景漫游和交互的功能，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互性和構(gòu)想性，但系統(tǒng)缺乏硬件設(shè)備參與，仍屬于非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。對(duì)于外接設(shè)備，系統(tǒng)保留了很強(qiáng)的可拓性，可以提供第3方物理設(shè)備技術(shù)接口，大大拓展了后續(xù)的開發(fā)空間。

(3)隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的不斷推廣，必將引起礦業(yè)生產(chǎn)與管理方式的徹底革新，進(jìn)一步促進(jìn)礦業(yè)信息化建設(shè)。

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(責(zé)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