大新锰矿西北采区虚拟现实仿真系统开发研究

韦志兴 陈庆发 莫载斌 牛文静 段志伟

(1.广西大学资源与冶金学院，广西 南宁 530004；2.中信大锰矿业有限责任公司大新锰矿分公司，广西 大新 532315)

·机电与自动化·

大新锰矿西北采区虚拟现实仿真系统开发研究

韦志兴1，2陈庆发1莫载斌1牛文静1段志伟2

(1.广西大学资源与冶金学院，广西 南宁 530004；2.中信大锰矿业有限责任公司大新锰矿分公司，广西 大新 532315)

三维可视化技术和虚拟现实仿真技术是数字矿山的重要组成部分，是对真实矿山整体及其相关现象的新理解、表达与数字化再现。基于3DMine和VRP BUILDER软件，开发了大新锰矿西北采区虚拟现实仿真系统。分别构建了地表模型、巷道模型和环境匹配模型，通过程序文件格式间的兼容性，实现了3DMine与3DS MAX的过渡对接，利用Complete Map烘焙方式进行了贴图烘焙，并用VRP-for-MAX插件将烘焙模型导出以供VRP编辑器调入使用，成功解决了由3DMine模型转换VRP BUILDER场景部分关键技术，全面实现了矿业工程软件与虚拟现实软件的有机结合，顺利开发出高仿真效果虚拟矿山系统。系统分为地表和地下2部分场景，拥有丰富的UI界面和交互功能，设置了多种漫游方式，为用户快速了解并掌握矿山整体生产状态提供了便捷。研究成果对于提高矿山设计质量、生产安全和管理效率具有重要意义。

锰矿 虚拟现实 3DMine VRP BUILDER

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来发展最快的信息技术之一[1]。它与多媒体技术、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术[2]，在航天、医疗、军事等领域获得了广泛应用[3-4]。

在矿业领域，虚拟现实技术也受到了技术人员的重视，熊伟[5]开展了煤矿虚拟环境的巷道几何建模及关键算法研究，毛善君等[6]开展了煤矿虚拟环境系统设计研究，王德永等[7]开展了矿井生产虚拟仿真系统开发研究，华臻等[8]运用VR技术对矿井通风系统的可控与可视化进行研究，周科平等[9]开展了地下矿山开拓运输虚拟仿真系统开发研究，于彦等[10]开发了露天矿生产技术模拟培训虚拟仿真系统。这些研究均取得了比较好的预期效果，有力地提升了矿山生产管理与灾害控制技术水平。

本研究主要基于3DMine和VRP BUILDER软件，重点解决了模型转换场景部分关键技术，开发了大新锰矿西北采区虚拟现实仿真系统。

1 VR仿真系统开发分析

1.1 构建目标分析

以广西大新锰矿西北采区为主要研究对象，建立实际可行的VR仿真系统。

(1)构建出逼真且符合工程实际的三维场景模型，使用户在虚拟矿山空间环境下具有沉浸感和想象感。

(2)设置多种场景漫游方式，使用户不仅可以自由漫游，也可跟随漫游和鸟瞰漫游，实现对场景的全方位审视。

(3)设计出美观且功能强大的UI界面，要求具有多种交互功能和多媒体的调用，使用户在操作的同时，也能享受界面与多媒体带来的便捷和乐趣。

1.2 VR仿真系统构建内容

分别对大新锰矿西北采区地表与地下部分进行虚拟仿真系统的开发，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场景作为研究对象。系统开发主要基于3DMine、3DS MAX构建真实的三维可视化模型、利用VRP BUILDER来实现场景交互的矿山VR仿真系统。

根据西北采区地质资料和现场收集的照片素材、设备参数等，利用矿业工程软件3DMine和三维建模商业软件3DS MAX构建出西北采区地表与地下的场景模型。

通过VRP BUILDER虚拟现实软件对采区场景模型进行设置，主要包括模型的碰撞检测、环境模拟的添加、相机的创建、场景漫游方式的设置、二维交互界面的设计和交互脚本的编辑等，最终完成矿山VR仿真系统的开发。

2 VR仿真系统开发过程

2.1 开发环境与操作流程

系统开发主要针对非沉浸式虚拟现实，开发过程中需要PC设备与软件环境支持。本系统所用到的软件环境有Windows 7 Ultimate with sp1×64操作系统、3DMine矿业工程工程软件、Autodesk CAD、Autodesk 3DS MAX、Adobe Photoshop和VRP BUILDER虚拟现实开发软件。

VR仿真系统开发操作流程分为数据收集、模型构建、烘焙贴图、场景设置和文件发布5个步骤，如图1所示。

图1 VR仿真系统开发操作流程

数据收集包括大新锰矿西北采区地质资料，如地形平面图、勘探线剖面图、巷道平面图等；图像素材，如地表卫星图、各场景纹理照片等；设备参数，如轨道参数、机车参数、矿车参数等。

模型构建包括地表模型、巷道模型和各环境物体模型。

烘焙贴图可以有2种烘焙方式，分别是Complete Map烘焙和Lighting Map烘焙。Lighting Map烘焙可保留材质清晰的纹理，但烘焙出来的光感稍弱，所消耗的资源也比Complete Map烘焙方式多，本研究采用Complete Map烘焙方式。

场景设置是系统开发的关键部分，场景设置的好坏可直接影响仿真程度与交互效果，在场景设置中含布局设置、相机设置、二维界面设置和交互动作设置。

文件发布的方式有2种，在VRP中可将系统分别发布为EXE可执行文件和HTML网络文件。

2.2 场景建模

(1)地质资料预处理。为达到三维可视化模型的构建要求，必须对原始CAD地质资料进行预处理。将不需要的图层及其他辅助数据删除，减少文件的冗余程度。对于不连续的多段线要进行自动或手动连接，同时也要检查图纸是否存在明显错误。检查无误后，开始对地表高程线赋予高程和巷道轮廓线生成中线，为地表模型和巷道模型构建做准备。

(2)地表模型的构建。选择预先处理好的地表地形图，在3DMine中使用“生成DTM表面”工具，对地表地形图进行快速转换，使其成为DTM面模型。由于程序是根据DEM算法来计算的，在模型的边界处常会出现不合理的三角片，需要人工对其进行删除。选择实体编辑中的编辑三角网，删除不合理的三角片，最终处理结果如图2所示。

图2 地表模型

(3)巷道模型的构建。3DMine创建巷道模型的方法包括中线加巷道断面法、断面延伸法、顶板加底板法及由巷道腰线生成巷道实体法等。

(4)环境匹配模型的构建。为体现虚拟场景的逼真性，场景模型除构建主要模型外还要构建部分环境匹配模型，以做到与现实场景物体大致相同。这些模型包括铁轨、管道、电机车、矿车、提升机、矿工角色等，其中铁轨和管道属于细长物体，可以适当降低建模精度，电机车和矿工角色属于近距离观察模型，应保证必要的模型精度。部分模型如图3所示。

图3 环境模型

2.3 3DMine与3DS MAX的对接

3DMine构建模型优势主要在于利用现有CAD地质资料，通过简单处理，就能快速将二维图纸转换成三维可视化模型，其他非矿业工程软件难以做到。为实现构建模型能在VRP编辑器中使用，软件必须通过3DS MAX来导入模型。而3DMine所构建模型无法直接输入到3DS MAX中。

解决方案是将3DMine所构建的模型以“.dwg”格式进行保存，再用AutoCAD打开，此时必须将整个三维模型保存为块，否则即使能将“.dwg”文件导入至3DS MAX中，模型形状也会损坏或失真；再用3DS MAX打开以上保存的块模型文件，模型完整性已经很好，基本形状保持不变，但在视口中查看时会出现模糊、闪动现象，不利于对模型的后期处理。为解决此问题，需在3DS MAX中选择自定义—首选项—视口—选择驱动程序—选择OpenGL，最后重启3DS MAX，完成3DMine模型顺利导入到3DS MAX中。

2.4 材质贴图

材质贴图是指把存储在内存里的位图包裹到3D渲染物体的表面，以简单的方式模拟出复杂的外观纹理，给物体提供更丰富的细节。高精度的材质贴图可以给人带来非常逼真的视觉感受，但同时也对计算机和显示器配置要求更高，所以在处理模型的贴图时应区别对待，需要近距离观察或强调显示的模型要赋予高质量的贴图，而对于远距离，起环境烘托作用的模型则只需贴普通贴图。

VRP编辑器中不识别多维子材质，在利用3DS MAX赋材质时不可使用多维子材质，对于已有的多维子材质应将其打散成标准单维材质。另外，为避免模型在导入VRP编辑器中丢失或出现错误，不宜使用Vray、Mental Ray等高级材质。

2.5 烘焙导出

烘焙除了能够增强虚拟现实场景逼真光影效果外，还可以节省系统资源，提高场景的运行效率，因此对模型进行烘焙操作是非常有必要的。

烘焙时应注意以下几点：①VRP编辑器只支持Complete Map和Lighting Map这2种烘焙模式的贴图导入；②烘焙后的模型贴图名称是由“模型名称+烘焙类型(Complete Map 或 Lighting Map)”组成的，所以前期制作的模型不能有重名，以防止烘焙贴图被覆盖；③1次烘焙的模型不能太多，否则会出现烘焙错误，贴图一片黑等现象。

当所有模型烘焙完成后，可以使用VRP-for-MAX插件及时将模型导出并收集好烘焙贴图，以供在VRP编辑器中调入使用。

2.6 虚拟场景

(1)碰撞检测。碰撞检测技术影响虚拟现实的体验效果。碰撞检测往往要求角色可以在场景中平滑移动，遇到一定高度台阶或斜率较小斜坡可自动上去，而过高台阶或斜率过大斜坡则把角色挡住，在各种前进方向被挡住的情况下都尽可能地让角色沿合理的方向滑动而非被迫停下。本研究所采用的VRP编辑器，可完成对任意复杂场景的高效碰撞检测，对模型基本没有限制，且操作简单，只需选中相应模型，开启物理碰撞即可。

(2)场景漫游。虚拟现实的场景漫游主要依靠相机视角的变换来实现。在VRP编辑器中提供了多种相机的创建，如行走相机、飞行相机、绕物旋转相机、角色控制相机等。行走相机是模拟第1人称在场景中漫游，用户可以使用“W”“S”“A”“D”键来进行前进、后退、左移、右移操作；飞行相机可以对场景的整个外貌进行全局浏览时，其特点是可以在场景中任意穿越，无碰撞检测；绕物旋转相机可以锁定某个目标物体，然后围绕这个物体对其进行环视；角色控制相机需要与角色绑定，实现在VR场景中对角色的控制，如矿工、矿车的行为等；跟随相机用来跟随目标物体的移动，实现对场景的自动漫游；定点观察相机也是跟随目标物体移动而变化，但观察相机位置不变，只是视角随着目标物体转动。本研究的VR仿真系统按需要设置了行走相机、角色控制相机和跟随相机，分别实现了第1人称与第3人称手动漫游和第3人称自动漫游。

(3)二维界面。二维交互界面在VR场景中起着人机交互的桥梁作用，给用户带来非常好的视觉享受和操作体验。VRP编辑器为用户分别提供了初级界面和高级界面2种，以适应不同场景交互的需求。

(4)交互功能。VRP脚本编辑器中含有丰富的脚本语句，编辑器共包含了3种函数调用，分别是系统函数、触发函数和自定义函数。系统函数和触发函数是根据系统功能限制的函数，应用范围小，但操作过程简单；自定义函数完全由用户自主创立，可以实现所有函数功能。创建函数时，用户只需点击插入语句则可按照设置向导选择相应的语句进行插入。

2.7 系统的测试

系统可发布为EXE可执行文件和HTML网页文件。完成系统发布后需对系统进行测试。测试内容主要为场景运行流畅性、模型完整性和交互可靠性，以保证系统能在大部分PC机中流畅运行，模型贴图、效果和交互功能无丢失现象等。

系统包含了地表场景、平硐口场景和地下巷道场景。系统有统一的开始菜单界面，用户从开始菜单界面中进入每一个场景界面。在地表场景界面中用户可以保用全屏、模式切换、返回、操作说明、动画播放等按钮来控制场景功能与显示，另外场景还附加了电子罗盘和导航地图，可以有效避免用户在浏览场景时迷失方向。在平硐口场景，用户可使用第3人称查看平硐口周围环境，模拟出矿过程。在地下巷道场景，用户可使用第1或第3人称对地下巷道进行巡视，模拟矿车提升与运行过程。

系统场景测试界面如图4所示。

图4 各场景界面

系统最重要的功能是为用户提供了多种漫游方式，图5为部分测试场景画面。

图5 场景测试画面

图5(a)为跟随漫游情形，用户可以根据开发者事先设计好的浏览路径进行自动漫游，且能环绕跟随目标进行场景旋转，在地下主要用在运动的机车中。图5(b)为第1人称漫游情形，可以使用户以第1视角对场景进行自由查看，空间状态无限制，适合在详细查看地形地貌的过程中，图5(c)为飞行漫游情形。为实现从空中俯视漫游的感觉体验，系统特意添加了飞机模拟漫游的过程，逼真地体现空中俯视地面的效果。图5(d)～图5(f)为井下漫游情形，可模拟地下井巷巡视和设备查看全过程，现时也能根据操作漫游，达到快速熟悉井下巷道建设情况。

3 结 论

(1)通过对矿山VR仿真系统的开发，研究了虚拟现实技术在矿山应用的实现过程。实践证明，虚拟现实技术应用于矿山能使矿山地理、资源和环境等复杂系统实现可视化、虚拟化，为工程设计、施工、管理提供一种全新的虚拟环境。

(2)系统通过融入多种场景漫游和交互的功能，实现了人机交互性和构想性，但系统缺乏硬件设备参与，仍属于非沉浸式虚拟现实。对于外接设备，系统保留了很强的可拓性，可以提供第3方物理设备技术接口，大大拓展了后续的开发空间。

(3)随着虚拟现实技术在矿业领域的不断推广，必将引起矿业生产与管理方式的彻底革新，进一步促进矿业信息化建设。

[1] 巫 影.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程，2002，30(3)：41-44. Wu Ying.Summarizing of virtual reality technology[J].Computer and Digital Engineering，2002，30(3)：41-44.

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(责任编辑 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

韦志兴(1981—)，男,工程师。

TD672，TP391.9

A

1001-1250(2014)-12-158-05