论文研究-基于3D Max和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计 .pdf

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基于3D Max和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计,蔡武,陈果,从煤炭安全生产形势和传统实验教学环节存在不足入手,引入了虚拟现实技术对矿井虚拟仿真系统的设计与开发,提出了一种基于软件实
国科技论文在线 系统总体设计 系统设计日标:创建一个能够模拟矿井生产真实环境的虚拟仿真系统来辅助人员感受这 种环境,并供矿工程专业的学生实习和矿区的工人、技术人员进行上岗前的教育培训,同 时对指导生产施工和科学技术研究提供先进、快捷的手段 设计思想:利用 制作虚拟现实建模前期的纹理贴图,基于 搭建虚拟世界, 然后将虚拟世界移植入虚拟交互平台软件 中对场景进行驱动,并设置交互。主要解 决的问题就是在视景生成和场景驱动的时候最大化地降低系统消耗,实现流畅的父互实时渲 染。其系统组成如图所示。下面具体以综采工作面仿真系统的开发为研究实例描述其具体 的实现过程。 插件导出器3 视景生成 数据转换 场景驭动 系统发车 格式 打包 搜集资料 建模,添加 单札格式 预处理纹理贴图 材质、贴图.渲染 模型整 制作简易动画 頁发布 格式 格式 图系统流程图 系统实现 搜集资料和制作纹理贴图 考虑到矿井虚拟仿真系统的实用性和复杂性特氐,在进行建模前,必须要确定系统场景 的实体几何尺寸,相互位置坐标,模型相似精度,这就要进行详细的资料数据收集。 由于模型精细程度的限制,场景的真实感很大程度上要靠纹理来体现。由于直接在 中不能对纹理图片进行全面细致的处理,要借助其他系列图像处理软件来完成。素材 收集时用数码相机拍的实景照片,借助于 图像处理软件进行纠正处理,然后利用 插件存储为或 格式,作为模型纹理库,供 调用 视景生成 三维模型建立 三维模型是整个虛拟仿真系统的基础,它的好坏直接影响了虚拟境的真实度。由于 没有建模功能,所以我们应用 来进行健模。考虑到硬件的限制和虚拟现实 系统的实时性的要求,以及 带宽和传输速率的制约,在建模中应遵循·个原则:在 能够保证视觉对象不失真的前提下,尽量釆用最简单的模型。最终通过添加材质、贴图和 渲染得到如图、所示的部分场景模型。 图液压支架场景模型 图采煤机场景模型 国科技论文在线 动画制作 将综采工作面面动画分为液压支架动画,刮板动画,煤机动画和煤层动画。制作思路 是:液压支架动画和刮板动画进行分组制作,即整个工作面前部由一个单元组成(三个液压 支架,三个千斤顶,一个刮板机机头),中部由十个单元组成(三个液压支架,三个千斤顶, 三个刮板为一个单元),后部山一个单元组成(三个液压支架,三个千斤顶,一个刮板机机 尾)。采煤杋动画和煤层动画作为一个单独动画制作。限于篇幅这里仅介绍采煤机动画的制 作流程:()将各个实体的轴移动到各自相应的旋转点,如图所小;()先制作三段独 立的骨骼: 为骨骼段 为骨骼段 为 骨骼段,骨骼段和骨骼段的父对象都为骨骼段,即将和都赋给 即可,将机身赋给,将摇臂赋给,将滚筒赋给,将摇臂赋给 将滚筒赋给,具体关系如图、所示;()通过控制骨骼的运动来控制实体的运 动(滚筒的旋转运动除外);()滚筒的旋转运动直接对其实体进行旋转。 滚筒A摇臂A 机身 臀B 9B bone bone bone bonel bones bones one 图步骤轴赋值 图步骤制作骨骼 Bonel Bone Bones Bone Boned Boned one 图步骤骨骼之间层次关系 最终,根据三机配套的原则及其实际操作的运动过稈,得到如图所示的综采工作面模 型仿真图。 图综采工作面模型仿真图 场景驱动 模型导入 中 将 中制作的模型导入到 中之前,需要在 中安装 文件。首先将在 中构建的模型以的格式输出,之后,就可以对 国科技论文在线 各个部分进行编辑,达到模拟真实采煤面场景的运动环境。在项目保存成可编辑的工程文 件文件或者只读的工程文件后,可以通过 自带的程序开发包进行 应用文件的开发。 模型的交互设计 中有多个自带的内置行为模块,它的主要功能是控制导入的三维模型,例如 变化大小、变换颜色、平移、旋转、贴图等,并且还可以进行一些复杂的操作。对于模型的 控制有两种方法,其一,直接调用行为模块库中的内置:另一种,使用通过于工 自动编写。前者简单方便,后者更为活。选择 类中的行为, 用鼠标点击所要的动作行为并添加到 中的角色身上,并在 中运用行为交 互模块斥中的行为模块编辑角色相应的脚本,形成交互动画。 在漫游系统的视觉效果上主要釆用摄象杋来完成摄像杋在饣井虚拟仿貞系统中的控制 设置。以摄像机为例,摄像机就是人的眼睛,在矿井虚拟仿真系统中用户可以随心所欲地在 综采工作面场景中漫游,从而看到场景中任何一个角落,这些功能通过鼠标或键盘按键可以 实现。如图所示的摄像机控制流程,实现了综采τ作面的外韶全景漫游,如图所示;如图 所示的摄像杋控制流稈,实现了具体的采煣杋割煤过稈漫游,如图所示 eeml kantILo 一一C 图外部全景漫游摄像机控制流程图 图综采工作面外部全景图 telecamera 图采煤杋割煤浸游摄像机控制流图 图采煤机割煤全景图 系统发布 系统制作完毕后,作品发布可采用两种方式:一种是直接将整体以文件格式保存, 这种情况保存的文件只能载入 才可进行单机操作;一种是将整个系统以文件 格式保存,同吋相应的以 文件格式保存·份,这种情况需要安装播放插件 ,可以进行单机操作,也可以发布在网上,只要客户端安装了播放插件都可以进 行矿井虚拟仿真系统漫游。另外,和这两种格式的文件都可以制作成文件, 再辅以作品发布的配置环境,从而可以方便地开启文件进行矿廾虚拟仿真系统漫游。 国科技论文在线 开发中的问题及解决 ()在模型制作技巧方面,需要注意减少面数,贴图精细度的分配也应该照面数控制 的原则来分配,又大又经常看到的对象就应贴较细致的贴图,又小、出现时间又不长的角色 贴图只要看来不失真就可以了,但最高原则就是维持画面的统一性,也就是每个对象画面上 看起来都能维持相同的材质。 )在能够保证视觉对象不大真的前提下,尽量采用最简单的模型。这就要在建模时 使用一些技巧,例如:尽量用参数化方法构建对象;用纹理贴图代替几何图形;减少基本几 何体的分段数 ,删除场景中不可见的面;分割模型分别建模,以便在虚拟仿真系 统中进行操作和考察;使用 编辑器对模型进行优化等 )针对运动场景中远景和近景将对象分为重点和非重点对象,对其分别采用精细建 模、次精细建模和粗略建模方式;在整个建模过稈中,将层次细节技术和纹理映射技术结合 使用,降低场景实时渲染的复杂度。 ()在场景布局方血,对于重复岀现相同实体使其共用纹理和材质;纹理图片进行伉 化,在保持效果的前提下,缩小纹理的大小,这样可以在程序运行的时候尽可能少的占用显 存;实现动态载入技术,即当场景中需要什么实体(包括模型、图片、音乐、视频)吋动态 载入;在纹理渲染方面,材质渲染选择最近的渲染方式,可以减少占用显存;在实现现有功 能的前提下,对消息控制和流程控訇进行优化 ()在 中经常通过复制的方法来增加相同的物体。而在复制的过程中,通常可 以有三种复制的形式,即复制, 实例复制, 参考复制。当用 形式复制物体的时候,在输出成的过程中,编译器将自动把复制出的所有物体包括原物 体输出成一个物体的状态信息进行存储,日的是因为用形式复制出的物体保留了所 有原来物体的状态信息,同时,原物体状态的改变将影响复制出的物体的状态,所以只通过 个物体就可以控制所有复制出的物体,这样减少了编译的时间,也解决了储存文件的大小 问题 ()在制作采煤机动画时, 这段骨骼不可用 这段骨骼复制,每个实体必须赋予骨骼,且一个实体只能赋给唯一的骨骼,切记不要用镜像 命令,这样会使骨骼导入到 里出现很大的问题,其它引擎也是一样的。同时,输出 的动画不能涉及到中心点有变化的动画。 结论 ()随着相关硬件、软件成夲逐渐降低和技术方面不断取得新的突破,基于 和 技术快速、逼真地进行煤矿生产系统虚拟,在技术上是完全可行的,对煤炭上业具 有广阔的应用前景 ()采用该技术开发的煤矿虚拟仿真系统具有真实性、沉浸性、交互性和易实现等特 点,并能极大地提高实验教学的成效,减少实验教学成本,保证实验安全,促进实验平台 拟化和教学数字化的发展。同时不仅可以供采矿工程专业的学生实习和矿区的工人、技术人 员进行上岗前的教育培训,而且对指导生产施工和科学技术研究提供了先进、快捷的手段, 也为进一步实现数字矿山奠定了基础。 国科技论文在线 参考文献 余学义,李瑞斌,余熙等虚拟现实技术在采矿工程屮的应用西安科技大学学报,,():~ 兰泽全,李其中,徐景德虚拟现实技术在煤矿安全中应用的现状及分析煤炭科学技术,,(): 吕军,周丽红,常心坦技术在煤矿安全中的应用西安科技学院学报, 王德永,许自连,杜卫新虚拟现实技术在矿井生产仿真系统中的应用煤矿机械 王政,朱冋阳,韩栋等液压文架三维模型运动仿真及其实现煤炭科技 刘明昆三维游戏设计师宝典成都:四川电子音像出版屮心, 孙倩基于 的三纶建模及其在 环境屮的应用屮国科技信息,,():~ 肖灵君,刘紫嶶基于 和 的虚拟校园的川发和设计计算机与网络 李昌国,张哓林,谭良等基于和 技术的虚拟校园漫游开发方法的研究计算机工程 与没计 余鹏,王继军基于和 技术的农业视景仿真系统计算机与信息技术,~ 王方,王峥 模型及动画输出为格式的方法现代电影技术,,():~

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