基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

該系統(tǒng)適用于礦工安全生產(chǎn)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，使用信息技術(shù)、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在虛擬工作環(huán)境中進行培訓(xùn)和評估。井下生產(chǎn)工作面是最基本的生產(chǎn)單元,也是事故高發(fā)地和能見度低的地方,利用VR技術(shù)生成虛擬采掘工作面,可以清楚地看到工作面的工藝過程以及所存在的隱患,對于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)和培訓(xùn)礦工安全生產(chǎn)有著積極意義。1系統(tǒng)配置系統(tǒng)配置由軟件和硬件兩個部分組成,兩者共同集成培訓(xùn)系統(tǒng),如圖1。(1)d引擎，即3d引擎采用VC++,OpenGL等底層開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境建立自主的3D引擎。以面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)和第三方建模工具結(jié)合(3DStudioMAX,MultigenCreator,AutoCAD,PhotoShop等)完成系統(tǒng)的模塊化設(shè)計。(2)pc硬件配置虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種典型的對時間性要求很高的限時計算與限時圖形繪制技術(shù)的應(yīng)用,失去實時性就意味著其交互性和沉浸性的喪失,因此要求有較高的PC硬件配置。主要硬件的建議最低配置標準:CPU,P42.0G;集成顯卡,64M(安裝顯卡驅(qū)動);硬盤,40G;內(nèi)存,512M。另外,還需要數(shù)據(jù)采集及多媒體場景體驗設(shè)備。具體配置情況見圖2。2系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)2.1現(xiàn)場模擬的功能(1)用戶可觀察虛擬的三維場景和設(shè)備,可與三維場景中的對象進行交互,可在虛擬現(xiàn)實的三維場景中進行操作和培訓(xùn);(2)對生產(chǎn)現(xiàn)場的事故進行爆炸、煙霧、火焰、風(fēng)向等特效的模擬;(3)具有良好的人機交互界面,從而能夠方便快捷地創(chuàng)建和修改虛擬環(huán)境,提高系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與考核功能;(4)具有較強的通用性、可擴展性、可維護性,以支持多種編譯平臺和硬件的加入,能夠適應(yīng)不同礦山企業(yè)的需求;(5)允許用戶獨立的控制場景中的光源,在場景中布置光照系統(tǒng),使虛擬模型具有立體感,虛擬物體應(yīng)具有逼真的材質(zhì)、明暗效應(yīng)。2.2塊、虛擬構(gòu)圖環(huán)境模塊的設(shè)計為實現(xiàn)上述特征所構(gòu)建的VR礦山培訓(xùn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖3。由圖中可知,VR礦山培訓(xùn)系統(tǒng)的主體由虛擬3D場景繪制模塊、交互控制模塊、虛擬現(xiàn)實繪圖環(huán)境模塊構(gòu)成。其中虛擬3D場景繪制模塊是整個系統(tǒng)的核心,負責(zé)3D場景的構(gòu)造、繪制和管理;虛擬現(xiàn)實繪圖環(huán)境模塊負責(zé)場景的效果及其在windows窗口的顯示;交互控制模塊主要用來實現(xiàn)相應(yīng)外部消息,實現(xiàn)實時漫游。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中,整個培訓(xùn)系統(tǒng),劃分為5個子學(xué)習(xí)系統(tǒng):通風(fēng)虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)、爆破虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)、采掘虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)、運輸虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)、救護虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)。2.3虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng)由于虛擬現(xiàn)實建模工作量龐大,本系統(tǒng)衡量技術(shù)人員對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的影響程度,目前首先開發(fā)采掘虛擬培訓(xùn)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)開發(fā)原理及過程基本相似,現(xiàn)以采掘模擬安全培訓(xùn)子系統(tǒng)為例闡述,見圖4。該系統(tǒng)通過動態(tài)仿真、視景仿真、聲音仿真等,虛擬礦工在采掘工作面實現(xiàn)實時漫游,其間,通過體驗設(shè)備激活專家知識庫。在對虛擬實體的交互過程中,完成安全培訓(xùn)任務(wù)。3更高層次的集成和滲透虛擬現(xiàn)實是在計算機圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計算機系統(tǒng)等信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是這些技術(shù)更高層次的集成和滲透。3.1景生成系統(tǒng)的構(gòu)建人類從外界獲得的信息有近80%是通過眼睛得到的,因此一個虛擬環(huán)境的好壞主要取決于其場景生成系統(tǒng)的好壞。場景由計算機提供,其數(shù)據(jù)由兩部分組成:一部分是以直接或間接方法存儲的圖象數(shù)據(jù),另一部分是以向量或參數(shù)方式存儲的圖形數(shù)據(jù)。場景中的圖象是計算機根據(jù)環(huán)境需要,利用給定的條件和模型,在圖象數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)計算后而生成。礦山虛擬視景生成系統(tǒng)如圖5。3.2技術(shù)的實現(xiàn)過程虛擬環(huán)境中不只是要求所顯示的對象在外形上與真實對象酷似,而且要求它們在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分逼真。為達到上述要求,在技術(shù)實現(xiàn)上可基本分為3步:第1步稱為幾何建模,主要包括用多邊形或三角形拼構(gòu)成對象的立體外形;第2步稱為物理建模,主要包括對幾何建模的結(jié)果進行紋理顏色、光照等處理;第3步是具體程序?qū)崿F(xiàn)。3.2.1維建模并構(gòu)造首先從數(shù)據(jù)庫中讀取需要渲染的巷道和設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù),如巷道名稱、巷道形狀、巷道起點和終點等的X,Y,Z坐標;其次讀取巷道與設(shè)備的貼圖材質(zhì)數(shù)據(jù)。然后利用OpenGL建模,OpenGL可以繪制點、線和多邊形,利用這些基本的形體,可以構(gòu)造出幾乎所有的三維模型。在本程序中利用VC++首先定義出基本的點類、面類、長方體類,圓柱類,然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出其它的如采掘機械、運輸車輛類等設(shè)備的類,從而完成相應(yīng)模型的繪制。3.2.2圖像數(shù)據(jù)的使用巷道和設(shè)備的紋理貼圖采用OpenGL的二維紋理貼圖,并從Windows的bmp位圖中讀取圖像數(shù)據(jù),從現(xiàn)場拍下來的圖片必須經(jīng)過專業(yè)軟件處理后方可使用。圖像數(shù)據(jù)采用像素的矩陣列形式來表示,再通過紋理映射的形式粘貼到多邊形上。在使用紋理映射時,需要執(zhí)行以下步驟:①創(chuàng)建一個紋理對象,且為其指定紋理;②指定紋理的應(yīng)用方式;③激活紋理映射;④提供紋理坐標及幾何坐標來繪制場景。3.2.3多種其他光照的應(yīng)用在虛擬場景中,利用OpenGL把“現(xiàn)實融入場景”是很重要的一方面。一個真實的物體,可以看成是由顏色和灰度組成,需要用多種光源及材質(zhì)混合來模擬。燈光和材質(zhì)的構(gòu)成基本上包括環(huán)境光、散射光、鏡面光和物體本身材質(zhì),在本系統(tǒng)開發(fā)中使用了多種材質(zhì)和多種光源。從圖6中可看出多種光源的應(yīng)用情況:整個場景中先設(shè)置一個環(huán)境光,跟隨當(dāng)前視點位置設(shè)置一個散射光,液壓支架立柱的金屬表面則使用了鏡面光。通過以上處理得到效果良好的巷道,如圖6。3.2.4帶連鎖的運輸過程本系統(tǒng)模擬了礦房回采工作面的工藝過程,包括鑿巖臺車,無軌運輸鏟車,有軌電車和膠帶輸送機運輸?shù)倪^程。動畫由定時器來控制,啟用定時器后,時鐘每隔0.1s觸發(fā)一次,程序相應(yīng)地執(zhí)行某些代碼。工作面長度為50m,根據(jù)鑿巖臺車的鉆桿向前進速度設(shè)定時鐘觸發(fā)點,時鐘被觸發(fā)到一定次數(shù)時,記錄物體坐標并重新繪制,以此產(chǎn)生動畫效果。3.2.5移動推以移動標記為先導(dǎo)對虛擬場景的漫游控制在OpenGL中可以利用函數(shù)glLookat(),通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù),改變視點位置和觀察方向,達到漫游的效果。具體做法是通過移動鼠標達到漫游目的,在程序中規(guī)定了鼠標左鍵表示前進和后退,右鍵表示左右旋轉(zhuǎn)。用戶通過操作鼠標進入工作面,可任意選位置觀察到各個部位,實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互,仿佛有身臨其境的感覺。3.3使用嘴唇和力度反饋器虛擬現(xiàn)實依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展,立體顯示技術(shù)涉及人眼的生理原理及在計算機上如何產(chǎn)生深度的技術(shù)。它類似于使用一對雙目望遠鏡,把兩個獨立的CRT顯示器捆綁在一起,使受訓(xùn)人員可以用手操縱顯示器的位置,以觀察一個可移動的、寬視角的虛擬空間。它比任何HMD的分辨率都高,從而保證了模擬的井下環(huán)境更加真實。為了模擬井下火災(zāi)及爆炸等災(zāi)害現(xiàn)象,使受訓(xùn)人員真正體會到礦井下災(zāi)害對人員的危害,在虛擬井下安全培訓(xùn)系統(tǒng)中,使用了觸覺和力度反饋器。迄今為止,手指觸覺反饋器的實現(xiàn)主要是基于視覺、氣壓感、振動觸感、電子觸感和神經(jīng)肌肉模擬等方法。其中電子觸感反饋是向皮膚反饋寬度和頻率可變的電脈沖,而神經(jīng)肌肉模擬反饋是直接刺激皮層,這些方法都不太安全,較安全的是氣壓式和振動觸感式的反饋器。設(shè)備的可靠性和精確度,會影響到虛擬現(xiàn)實的效果。4支持接口4.1虛擬礦井了。在發(fā)生安全培訓(xùn)必須有災(zāi)害環(huán)境的存在,才能達到培訓(xùn)效果。在本系統(tǒng)中,虛擬的災(zāi)害環(huán)境主要有虛擬礦井火災(zāi)系統(tǒng)、虛擬水災(zāi)系統(tǒng)和虛擬爆炸系統(tǒng),另外,還有炮煙,粉塵災(zāi)害等。虛擬礦井火災(zāi)系統(tǒng)是對礦井不同地點的火災(zāi)過程進行模擬和再現(xiàn),即對火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和蔓延過程進行實時分析與模擬。建立虛擬礦井火災(zāi)系統(tǒng),要選擇合適的火災(zāi)模型,并要建立一定的火災(zāi)場景,使受訓(xùn)人員能夠在虛擬礦井火災(zāi)系統(tǒng)中切實感受到礦井火災(zāi)發(fā)生前的征兆;礦井火災(zāi)發(fā)生時的受火烤煙熏時的感受,并通過切身感受及場景模擬使受訓(xùn)人員明白什么樣的違章行為能夠引起火災(zāi),以及在發(fā)生火災(zāi)時如何進行自我保護。這樣受訓(xùn)人員在與虛擬環(huán)境進行交互式操作過程中達到身臨其境的培訓(xùn)目的。礦井水災(zāi)對人員的危害主要由兩方面原因造成:一是由于被困井下人員平常缺乏訓(xùn)練,當(dāng)遇到災(zāi)害發(fā)生時過于驚慌,采取措施不當(dāng)而失去自救的機會;二是救護人員平常對水災(zāi)不夠重視,當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時,對水災(zāi)發(fā)展規(guī)律缺乏正確的判斷,從而采取不當(dāng)?shù)氖┚确绞蕉プ詈檬┚葯C會。因此虛擬礦井水災(zāi)系統(tǒng)要從這兩個角度出發(fā)來構(gòu)建。首先虛擬礦井水災(zāi)系統(tǒng)要使受訓(xùn)人員感知到一些水災(zāi)發(fā)生時的預(yù)兆及水災(zāi)發(fā)生初期如何選擇有效的逃生路線;其次要根據(jù)所掌握的水文地質(zhì)資料,盡量模擬有可能發(fā)生水災(zāi)的地點以及在這些地點發(fā)生水災(zāi)時災(zāi)害的發(fā)展過程,使救災(zāi)人員找到最佳的救災(zāi)路線。虛擬礦井爆炸系統(tǒng),利用虛擬安全培訓(xùn)系統(tǒng)中三維空間傳感器、傳感手套、觸覺和力度反饋器等一些硬件接口及必要的軟件支持,使進行虛擬安全培訓(xùn)的受訓(xùn)人員,能夠真真切切地感受到當(dāng)?shù)V井內(nèi)炸藥或其他物品發(fā)生爆炸時的場景及一些親身感受;著重訓(xùn)練受訓(xùn)人員如何應(yīng)對緊急情況,以便盡可能小地受到傷害,并合理地選擇正確的逃生方式和逃生路線。4.2培訓(xùn)過程的分析在礦山虛擬環(huán)境中,操作者會遇到一些現(xiàn)實條件中同樣存在的問題,這時操作者需要的是一種警示。與場景實體的三維交互,在一定程度上可以達到模擬的效果,但是對于培訓(xùn)者來說,這樣無法起到最好的警示作用。因此,本系統(tǒng)設(shè)計了一種新的交互模式——問答板。問答板的交互通過人與系統(tǒng)的問答方式來進行的。在系統(tǒng)中定義虛擬實體類QAsprit;以QAsprit實體為中心,在場景圖中設(shè)定圓形問題區(qū)域。當(dāng)操作者漫游至QAsprit的問題區(qū)域時,系統(tǒng)調(diào)用問答板顯示函數(shù)ShowQA(intqaid)隨機抽調(diào)問題,然后向操作者提問。系統(tǒng)根據(jù)問題嚴重度(在培訓(xùn)題庫中以數(shù)字表示)確定是否可以忽略。若問題可忽略,用戶可不作答,培訓(xùn)過程結(jié)束時,系統(tǒng)向操作者顯示忽略問題的起因和正確操作,作為日后工作的參照。若問題嚴重到不可忽略的,強制操作者作答,并限定回答次數(shù)防止猜題現(xiàn)象。回答次數(shù)超額而操作者仍無法回答正確時,對其警告,并告知遇到該問題時正確的解決方案。所有回答都將記錄在培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫中,用于安全問題的統(tǒng)計分析。根據(jù)分析結(jié)果,礦山可以確定下一階段內(nèi)安全教育的重點