基于3DMAX和VIRTOOLS的矿井虚拟仿真系统设计.pdf

收稿日期2010- 06- 01 基金项目 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目基金 S200902 作者简介 蔡 武 1988- , 男, 湖南益阳人, 中国矿业大学硕士研究生, 主要从事矿山压力、冲击矿压、采矿地球 物理等方面的研究。 基于 3DM ax和 Virtools的矿井 虚拟仿真系统设计 蔡 武1, 陈 果 1, 朱志敏1, 梁宇云2, 王静涛1 1中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州221116 ; 2中国矿业大学 计算机科学与技术学院, 江苏 徐州221116 摘 要 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现的设计方法 利用 3D Max进行三维模 型建模、贴图和渲染, 利用 Virtools进行交互设计和整合, 提出了开发的流程以及常见问题的解 决方案, 并以综采工作面仿真系统的开发为研究实例描述了其具体的应用开发过程。最后, 实验 表明采用该技术开发的矿井虚拟仿真系统具有真实性、沉浸性、交互性和易实现等特点。 关键词 虚拟现实;实验教学;矿井虚拟仿真;3DM ax ;Virtools 中图分类号TP39172 文献标识码B 文章编号1671- 0959 2011 01011104 Design ofM ine Virtual Simulation System Based on 3DM ax and Virtools CA IW u1,CHEN Guo1,ZHU Zhi- min1,LI ANG Yu- yun2, WANG Jing- tao1 1School ofM ine ,China University ofM ining and Technology,Xuzhou,Jiangsu ,221116 ; 2School of Computer Science and T echnology ,China University ofM ining and Technology,Xuzhou ,Jiangsu,221116 Abstract Beginning with the situation of safety production in coalmine and the flaws in traditional experi ment teaching s The virtualreality technology for designing and developing mine virtual si mulation syste m is discussed A software - based design is presented in this paper ,which introduces the technology ofmaking three- di mensionalmodels, pasting charts and applying colors to dra w ings through 3D M ax,and making interactive designs and confor m ity w ith V irtools The common process and somes to solve the hard problems for developing m ine virtual si mulation syste m based on 3D M ax and V irtools are summarized Taking the development of fully- mechanized coalfaces si mulation syste m precession as an exa mple ,the process of application and design is described concretely F inally ,it is showed by experi ments that them ine virtual si mulation syste m developed w ith it has the characteristics such as reality ,i mmersion, interaction and realization ,etc . K eywords virtual reality ;experi ment teaching; m ine virtual si mulation syste m;3D M ax ;V irtools 0 引 言 目前, 我国传统实验教学环节的不足 [ 1] 主要体现在 课堂理论教学上,内容抽象、枯燥、理论与现场脱节、 培训效果差; 实验教学 模型教学 上, 成本高、教学效 果不明显、不易于煤矿企业自行开展周期性培训工作;∀ 电化教学上, 缺乏双向交流, 教学手段单一, 教学效果一 般, 很多场面无法真正实现。本文针对上述问题, 引入虚 拟现实技术, 即利用 3D M ax进行三维模型建模、贴图和渲 染, 利用 V irtools进行交互设计和整合。 1 虚拟现实技术 虚拟现实 V irtualReality , 简称 VR技术是 20世纪 80年 代末发展起来的一项高新技术, 它汇集了计算机图形学、多媒 体技术、人工智能、人 -机接口技术、传感器技术、高度并行 实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术, 是模拟仿真 技术的最新、最高层次, 是当今世界前沿科学之一 [ 2]。 目前,VR技术在航空航天、军事、建筑工程、教育、 医学、娱乐等方面有了广泛的应用, 特别是美国、日本、 英国等国家在这方面代表着 VR技术的发展方向。我国 VR 111 2011年第 1期 煤 炭 工 程 信息工程 技术与这些发达国家还有一定的差距, 但已引起政府有关 部门和科学家们的高度重视。作为我国危险程度较高的煤 炭工业,VR技术也逐渐被从事煤炭安全的科研工作者加以 研究和利用 [ 3]。 2 系统开发工具 3DM ax和 V irtools 3D M ax是 Autodesk出品的一款 3D动画软件, 现已成 为世界上应用最广泛的三维动画制作软件, 其前身是运行 在 DOS下的 3D Studio 。它拥有强大的建模、动画、材质和 渲染功能, 能够完全满足制作高质量动画、游戏、设计效 果等领域的需要。 V irtools是一套整合软件, 它是由法国 V irtools公司开 发, 可以将现有常用的文件格式整合在一起, 如 3D模型、 2D图形或是声音文件。V irtools不是 3D引擎, 它是一套具 备丰富的互动行为模块的实时 3D环境虚拟现实编辑软件, 可以制作不同用途的 3D产品, 如网站、计算机游戏、多媒 体课件、建筑设计、交互式电视节目、教育训练、仿真和 产品展示等 [ 4]。 3 系统总体设计 系统设计目标 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, 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 Potoshop制作虚拟现实建模前期的纹 理贴图, 基于 3D M ax搭建虚拟世界, 然后将虚拟世界移植 入虚拟交互平台软件 V irtools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, 实现流畅的交互实时渲染。其系统 组成如图 1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。 图 1 系统流程图 4 系统实现 41 搜集资料和制作纹理贴图 由于矿井虚拟仿真系统具有实用性和复杂性的特点, 于是在进行建模前, 必须要确定系统场景中的实体几何尺 寸, 相对位置坐标及模型的相似精度, 这就要进行详细的 资料数据收集。 另外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。而直接在 3D M ax中不能对纹理图片 进行全面细致的处理, 所以要借助其它图像处理软件, 本 文采用 Photoshop图像处理软件, 具体做法是 用数码相机 拍下实景照片, 借助于 Photoshop图像处理软件进行纠正处 理, 然后利用插件存储为 RGB或 RGBA格式, 作为模型纹 理库, 供 3D M ax调用。 42 视景生成 421 三维模型建立 三维模型是整个虚拟仿真系统的基础, 它的好坏直接 影响了虚拟环境的真实度。由于 V irtools没有建模功能, 所 以我们应用 3D M ax来进行建模。考虑到硬件的限制和虚拟 现实系统的实时性的要求, 以及 Internet带宽和传输速率的 制约, 在建模中应遵循一个原则 在能够保证视觉对象不 失真的前提下, 尽量采用最简单的模型 [5]。最终通过添加 材质、贴图和渲染得到如图 2所示的综采工作面场景模型。 422 动画制作 将综采工作面动画分为液压支架动画, 刮板动画, 采 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 , 后部由一个单元组成 三个液压支架, 三个千斤顶, 一个刮板机机尾 。采煤机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 3所示; 先制作三段独立的骨骼bone2、 bone3、 bone4为骨骼段 A,bone5 、 bone6 、 bone7为骨骼段 B,bone1为骨骼段 C, 骨骼段 A 和骨骼段 B的父对象都为骨骼段 C,即将 bone2 和 bone5都赋给 bone1即可, 将机身赋给 bone1 , 将摇臂 A 赋给 bone3 ,将滚筒 A 赋给 bone4 ,将摇臂 B赋给 bone6, 将滚筒 B赋给 bone7, 具体关系如图 3、 4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。 在这 里,值 得 注 意 的 是在 制 作 采 煤 机 动 画 时, bone5 ,bone6 ,bone7这段骨骼不可用 bone2,bone3,bone4 这段骨骼复制, 每个实体必须赋予骨骼,且一个实体只能 112 信息工程 煤 炭 工 程 2011年第 1期 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 V irtools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。 图 2 综采工作面模型仿真图 43 场景驱动 431 模型导入 V irtools中 考虑到 V irtools与 3D M ax的兼容性问题, 将 3D M ax制 作的模型导入到 V irtools中之前, 需要在 3D M ax中安装 V irtools ax输出插件, 它专门用于将 3D M ax软件创建 的模型、贴图、动画文件输出成 V irtools软件所支持的场景 文件。打开安装程序 V irtoolsmax Exporter , 在安装过 程中选择个人电脑里所安装的 3D M ax版本号, 安装完成。 首先在 3D M ax中制作好矿井模型, 然后在文件菜单下选择 导出命 令, 并 在保 存类 型方 框中,通过 下栏 菜单 选择 ∃ VI RTOOLS EXPORT* NMO, * CMO, * VMO 另一种, 使用 VC 通过手工自动编写 BBs [ 6]。 本文在 V irtools中最重要的是表现出综采工作面动画的 流程, 即综采工作面动画在 V irtools中实现互动分段表现 实现综采工作面动画三个阶段的分段演示, 即, 每点击按 钮一次, 演示其中一个阶段的动画, 并在屏幕下方显示文 字说明该阶段的演示内容,整个过程实现的总 Script图如 图 5所示。综采工作面场景中各个角落的漫游主要通过摄 像机来完成。 44 系统发布 系统制作完毕后, 作品发布可采用两种方式 [ 7] 一种 是直接将整体以 CMO文件格式保存, 这种情况保存的文件 只能载入 V irtools才可进行单机操作; 一种是将整个系统以 VMO文件格式保存, 同时相应的以 HTML文件格式保存一 份, 这种情况需要安装播放插件 V irtoolsW eb Player , 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。 经过探讨选择将作品发布成 形式的文件, 这样可 以方便客户使用, 不过需要注意的是 作品发布需要相应 的配置环境, 否则将出现效果上的巨大差别, 出现这种问 题的原因, 一方面与屏幕尺寸有关, 另一方面与显卡性能 有关, 这点是值得以后进行高级开发时注意的。 5 结 论 1 随着相关硬件、软件成本逐渐降低和技术方面不断 取得新的突破, 基于 3D M ax和 V irtools技术快速、逼真地 进行矿井生产系统虚拟, 在技术上是完全可行的, 对煤炭 工业具有广阔的应用前景。 下转第 116页 113 2011年第 1期 煤 炭 工 程 信息工程 矩阵, 以 8路信号作为输入, 以 4路信号作为输出,通过 软件设置矩阵, 不需要改动任何硬件, 就可以达到 70种不 同的测试电源信号组合, 实现多路信号的切换与不同输入 信号的自由组合。 PLC的输出口 Q20 Q27用以驱动级联继电器控制板 中的继 电器组 合开关动 作, 被 测电路板 的输出 信号由 EM231四路模拟量输入的 A /D模块采集。PLC采集到 PCB 的输出信号后, 进行数据处理, 由 PLC输出口 Q00 Q03 输出每次的信号分析判断结果到显示屏。Q00 Q03驱动 级联继电器控制板 1 4 , 采用分时复用控制方式。 可以看出, 通过继电器矩阵的灵活使用,解决了 PCB 测试中更换被测电路板后 I/O 口与信号资源及控制器连线 变化带来的麻烦问题,减少测试系统的信号的改线连接, 提高了测试系统的通用性。 在电路设计实验中发现, 当 PLC驱动某条横向母线作 为输信号线悬空时,需在继电器开关后串联二极管, 以解 决不能通过继电器开关对纵向母线的输出信号实现对应控 制的问题。 3 结 语 借助于继电器开关矩阵的灵活配置, 不需要改动任何 硬件, 仅需要在软件上重新设置, 就可以实现多个测试对 象和多路信号的数据采集, 使得测试系统具有极大的可扩 展性, 便于在线设计与系统维护。在本文设计的 PCB测试 系统中, 继电器开关矩阵控制技术与 PLC技术相结合, 为 测试电路板提供通用开发硬件平台, 尤其针对多种类、小 批量生产中所需开发的 PCB功能测试系统提供了设计思路。 参考文献 [ 1] 张纪铃. 电路板板载元器件检测系统研究[ D ].西安 西 北大学,2007 . 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