煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)謝耀社課件

1、二八年十二月十三日中國礦業(yè)大學(xué) 謝耀社煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)主 要 內(nèi) 容一、引言二、模塊設(shè)計三、工具軟件簡介四、系統(tǒng)開發(fā)過程五、結(jié)束語一、引言數(shù)字礦山虛擬現(xiàn)實1. 數(shù)字礦山一、引言 2019年美國前副總統(tǒng)戈爾在美國加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了題為：“數(shù)字地球：21世紀(jì)認(rèn)識地球的方式”的講演，提出了“數(shù)字地球”概念，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。數(shù)字礦山作為數(shù)字地球、數(shù)字中國的一個重要組成部分，也在中國的采礦業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用。數(shù)字礦山是在統(tǒng)一的時空框架下，對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解、表達(dá)與數(shù)字化再現(xiàn)，是數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字中國的一個重要組成部分。2. 虛擬現(xiàn)實一、引言虛擬現(xiàn)實，也稱虛擬實

2、境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，它利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。自從虛擬現(xiàn)實技術(shù)誕生以來，它已經(jīng)在軍事模擬、先進(jìn)制造、城市規(guī)劃/地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)生物等領(lǐng)域中顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會效益。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到煤礦生產(chǎn)中無疑具有非常重要的意義，本文運用Maya和Virtools的強(qiáng)大功能實現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真和漫游。二、模塊設(shè)計煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)地面生產(chǎn)系統(tǒng)地下生產(chǎn)系統(tǒng)三、開發(fā)工具簡介1.

3、 Maya2. Virtools1. Maya簡介三、開發(fā)工具簡介Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件，應(yīng)用對象是專業(yè)的影視廣告，角色動畫，電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學(xué)易用，制作效率極高，渲染真實感極強(qiáng)，是電影級別的高端制作軟件。Maya 集成了Alias/Wavefront 最先進(jìn)的動畫及數(shù)字效果技術(shù)。它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運動匹配技術(shù)相結(jié)合。2. Virtools簡介三、開發(fā)工具簡介Virtools軟件是一款多功能的三維開發(fā)軟件，由開發(fā)模塊、生成模塊和發(fā)布模塊組成。開發(fā)模塊包括創(chuàng)作應(yīng)

4、用程序和軟件開發(fā)工具包。Virtools Dev是創(chuàng)作應(yīng)用程序的主要部分，生成模塊主要包括行為引擎和渲染引擎。發(fā)布模塊主要包括EXE生成器和WEB播放器。一套具有豐富互動行為模組的即時3D環(huán)境虛擬現(xiàn)實與多媒體互動編輯軟件互動行為模組可利用Drag & Drop拖放的方式將互動行為模組賦予適當(dāng)?shù)奈锛蚪巧蟅irtools的執(zhí)行流程動態(tài)計算處理行為模組聲音場景著色四、開發(fā)過程搜集整理資料系統(tǒng)場景模型建立系統(tǒng)場景整合成品發(fā)布1. 資料搜集整理四、開發(fā)過程煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)非常復(fù)雜，各個環(huán)節(jié)緊密相連，為了真實的體現(xiàn)生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)并且突出重點，必須在開發(fā)前以及開發(fā)的過程中根據(jù)需要進(jìn)行必要的資料搜集資料

5、主要包括圖片、數(shù)據(jù)、視頻等。只有在對資料進(jìn)行認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上才能使仿真場景和實際現(xiàn)場相接近。同時積極的現(xiàn)場觀察也是非常必要的。2. 系統(tǒng)場景模型的建立四、開發(fā)過程場景模型是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最直觀的部分，場景模型的好壞直接關(guān)系到軟件運行的快慢和逼真度。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求計算機(jī)實時計算場景中的所有多邊形數(shù)據(jù)，因此在模型建立的過程中應(yīng)該在保證場景不失真的前提下力求線條的簡約化，應(yīng)盡量選擇多邊形建模方法。在建模的過程中還要注意詳略得當(dāng)，達(dá)到有效利用計算機(jī)的內(nèi)存和CPU進(jìn)行實時交互。2. 系統(tǒng)場景模型的建立四、開發(fā)過程場景模型是整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最直觀的部分，場景模型的好壞直接關(guān)系到軟件運行的快慢和逼真

6、度。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求計算機(jī)實時計算場景中的所有多邊形數(shù)據(jù)，因此在模型建立的過程中應(yīng)該在保證場景不失真的前提下力求線條的簡約化，應(yīng)盡量選擇多邊形建模方法。在建模的過程中還要注意詳略得當(dāng)，達(dá)到有效利用計算機(jī)的內(nèi)存和CPU進(jìn)行實時交互。2. 系統(tǒng)場景模型的建立四、開發(fā)過程礦山生產(chǎn)系統(tǒng)是一個非常大的場景，因此在建模的過程中作者采用先分別建模最后集中導(dǎo)入的方式。在建模的過程中還要嚴(yán)格的控制模型比例使其符合真實情況。模型及場景建立完成以后，給模型的表面加上各種材質(zhì)并進(jìn)行紋理貼圖。把初步建成的模型導(dǎo)入到Virtools中進(jìn)行檢驗，對不正確和不美觀的部分進(jìn)行不斷的修改。最終利用Virtools Expor

7、t Plugins插件導(dǎo)出。部分場景分別如圖2-圖7所示。地面生產(chǎn)系統(tǒng) 調(diào)度生產(chǎn)監(jiān)控中心四、開發(fā)過程中央變電所 煤炭運輸3. 系統(tǒng)場景模型的整合四、開發(fā)過程將從Maya中導(dǎo)出的（*.nmo）文件用Virtools打開，為他們加上各種控制和燈光。在Virtools中，場景三維模型的控制是依靠Virtools內(nèi)置行為模塊（Building Block）實現(xiàn)的。Virtools有600多個BB可供使用，能夠?qū)鼍澳Ｐ瓦M(jìn)行各種基本操作如：大小變化，平移，旋轉(zhuǎn)，縮放，顏色變化，光線變化，三維貼圖等，復(fù)雜操作如投影，行走，奔跑，后退等。3. 系統(tǒng)場景模型的整合四、開發(fā)過程實現(xiàn)對三維編輯區(qū)中的模型進(jìn)行控制，

8、一種方法就是直接調(diào)用行為模塊庫中的內(nèi)置BuildingBlocks，一種是使用C+進(jìn)行手工編寫B(tài)uildingBlocks。前者簡單方便，后者比較靈活。點擊 DataResource(數(shù)據(jù)資源庫)，選擇 Animations(行為動作)類中的行為，用鼠標(biāo)點擊所要的動作行為并拖到編輯區(qū)中的角色身上，并在Schematic(腳本流程圖)中運用行為交互模塊庫中的行為模塊編輯角色相應(yīng)的腳本，這樣就形成了3D交互動畫。3. 系統(tǒng)場景模型的整合四、開發(fā)過程經(jīng)過以上過程的設(shè)置后，便可以將諸如液壓支架的升降、移架過程、采煤機(jī)割煤方式、煤炭運輸方式等一系列的生產(chǎn)細(xì)節(jié)生動逼真的展現(xiàn)出來。為了更好的實現(xiàn)漫游效果，在

9、系統(tǒng)中增添了一個虛擬人物角色，并將攝像機(jī)以第三人稱跟隨的方式進(jìn)行設(shè)置，這樣就可以讓操作者產(chǎn)生如身臨其境的感覺。四、開發(fā)過程4. 成品的發(fā)布四、開發(fā)過程煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作完畢后，可以直接將整個作品以CM0文件格式保存，在需要的時候可以在進(jìn)行修改和編輯，但是這種情況保存的文件只有載入Virtools才可進(jìn)行單機(jī)的展示操作；還可以把整個作品以VMO文件格式保存?zhèn)鞑セ蛘甙l(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，這種情況只要客戶端安裝了VirtoolsWebPlaver播放插件，就可以進(jìn)行交互操作；利用編程的方法，結(jié)合virtools提供的sdk開發(fā)工具包，可以將作品打包生成單一的EXE文件，這樣，系統(tǒng)就可以在任何WINDOWS平臺直接運行。五、結(jié)束語傳統(tǒng)的教學(xué)模式以及工人崗前培訓(xùn)模式多為通過文字和圖片相結(jié)合的方式進(jìn)行講解，這種方式枯燥乏味難以在學(xué)生或工人的腦