二○○八年十二月十三日

1. 煤矿生产虚拟现实系统的开发 中国矿业大学谢耀社 二○○八年十二月十三日

2. 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

3. 一、引言 数字矿山 虚拟现实

4. 一、引言 1. 数字矿山 • 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。 • 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。 • 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。

5. 一、引言 2. 虚拟现实 • 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。 • 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。 • 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。

6. 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

7. 三、开发工具简介 1. Maya 2. Virtools

8. 三、开发工具简介 1. Maya简介 • Maya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。 • Maya 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。

9. 三、开发工具简介 2. Virtools简介 • Virtools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。 • 开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包。 • Virtools 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。 • 发布模块主要包括EXE生成器和WEB播放器。

10. 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 • 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

12. Virtools的执行流程 • 动态计算 • 处理行为模组 • 声音 • 场景着色

13. 四、开发过程 搜集整理资料 系统场景模型建立 系统场景整合 成品发布

14. 四、开发过程 1. 资料搜集整理 • 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 • 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。

15. 四、开发过程 2. 系统场景模型的建立 • 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。 • 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。 • 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。

16. 四、开发过程 2. 系统场景模型的建立 • 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。 • 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。 • 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。

17. 四、开发过程 2. 系统场景模型的建立 • 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。 • 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。 • 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。 • 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。 • 最终利用Virtools Export Plugins插件导出。部分场景分别如图2-图7所示。

18. 四、开发过程 地面生产系统 调度生产监控中心 中央变电所 煤炭运输

19. 四、开发过程 3. 系统场景模型的整合 • 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。 • 在Virtools中，场景三维模型的控制是依靠Virtools内置行为模块（BuildingBlock）实现的。 • Virtools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。

20. 四、开发过程 3. 系统场景模型的整合 • 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。 • 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。

22. 四、开发过程 3. 系统场景模型的整合 • 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。 • 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。

24. 四、开发过程

25. 四、开发过程 4. 成品的发布 • 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； • 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； • 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。

26. 五、结束语 • 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。 • 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。

27. 谢谢大家！