基于Maya和Virtools的煤礦虛擬現實系統開發

孟慶武,樊 明,神文龍

數字礦山DM(Digital M ine)是礦業科技創新的核心方向,是采礦業改造與可持續發展的重要保障。走DM之路,將DM建設與整個礦山企業的技術創新、管理改革相結合,有利于我國礦業行業面向 21世紀的可持續發展[1]。虛擬現實技術是數字礦山的一個重要組成部分,將虛擬現實技術運用到煤礦生產中無疑具有非常重要的意義。本文運用Maya和 Virtools這兩款開發軟件的強大功能以實現煤礦生產虛擬現實生產系統的仿真和漫游。

1 Maya和 V irtools簡介

1.1 Maya簡介

Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件,應用對象是專業的影視廣告、角色動畫、電影特技等。Maya功能完善,工作靈活,易學易用,制作效率高,渲染真實感強,是電影級別的高端制作軟件。

Maya集成了Alias/Wavefront最先進的動畫及數字效果技術。它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能,而且還與最先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術相結合。

在煤礦生產虛擬現實系統的開發中,主要利用Maya進行各種生產系統的具體模型設計與制作、材質添加、場景渲染等。Maya的工作界面示意圖見圖 1。

圖 1 Maya的工作界面示意圖

1.2 V irtools簡介

V irtools軟件是一套多功能的三維開發工具,是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件,由開發模塊、生成模塊和發布模塊組成。開發模塊包括創作應用程序和軟件開發工具包(SDK)。V trtools Dev是創作應用程序的主要部分,可以快速生成豐富、對話式的3D作品。生成模塊包括行為引擎和渲染引擎。發布模塊包括 EXE文件生成器和 Web播放器 (V irtoolsWeb Player)。

V irtools中采用行為模塊 (Building Blocks簡稱BBs)流程圖的形式來設計作品。V irtools中有 600多個行為模塊,其中的 Run VSL模塊可運行自己添加的V irtools語言代碼,利用這些行為模塊可以相互搭配串連設計出很多不同的互動效果。

在煤礦生產虛擬現實系統的開發中,主要利用V irtools進行場景動畫設計、燈光渲染、3D人機交互設計等。V irtools的工作界面示意圖見圖 2。

圖 2 Virtools的工作界面示意圖

2 煤礦生產系統模塊設計

煤礦生產系統模塊設計包括井下生產系統設計和地面生產系統設計兩部分。井下生產系統有運煤系統、通風系統、運料排矸系統、排水系統、供電系統、防火系統、除塵灑水系統、瓦斯抽放系統、瓦斯監控系統等。地面生產系統有地面提升系統、運輸系統、排矸系統、選煤系統、變電所、壓風機房、鍋爐房、機修廠、浴室、行政福利大樓等。

3 開發過程

3.1 搜集整理資料

煤礦生產系統非常復雜,各個環節緊密相連,為了真實的體現生產過程中的各個環節并且突出重點,必須在開發前以及開發的過程中根據需要進行必要的資料搜集。

資料主要包括圖片、數據、視頻等。只有在對資料進行認真研究的基礎上,才能使仿真場景和實際現場相接近。同時積極的現場觀察也非常必要。

3.2 系統場景模型的建立

場景模型是整個虛擬現實系統最直觀的部分,場景模型的好壞直接關系到軟件運行的快慢和逼真度。

礦山生產系統是一個非常大的場景,因此,在利用Maya建模的過程中通常采用先分別建模,最后集中導入的方式。

由于虛擬現實系統要求計算機實時計算場景中的所有多邊形數據,因此,在模型建立的過程中應該在保證場景不失真的前提下力求線條的簡約化,應盡量選擇多邊形建模方法。在建模的過程中要注意詳略得當,達到有效利用計算機的內存和 CPU進行實時交互。在建模的過程中還要嚴格的控制模型比例使其符合真實情況[2]。

模型及場景建立完成以后,給模型的表面加上各種材質并進行紋理貼圖。

把初步建成的模型導入到 V irtools中進行檢驗,對不正確和不美觀的部分進行不斷的修改。最終利用V irtools Export Plugins插件導出。部分場景模型示意圖見圖 3。

3.3 系統場景模型的整合

將從Maya中導出的 (＊.nmo)文件用V irtools打開,為他們加上各種控制和燈光。

在 V irtools中,場景三維模型的控制是依靠V irtools內置行為模塊 (Building Block)實現的。V irtools中有 600多個 BB模塊可供使用,能夠對場景模型進行各種基本操作,如：大小變化,平移,旋轉,縮放,顏色變化,光線變化,三維貼圖等;復雜操作,如投影,行走,奔跑,后退等。

實現對三維編輯區中的模型進行控制,除了直接調用行為模塊庫中的內置 BB模塊外,還可以使用C++進行手工編寫 Building Blocks。前者簡單方便,后者比較靈活。

點擊 Data Resource(數據資源庫),選擇Animations(行為動作)類中的行為,用鼠標點擊所要的動作行為,并拖到編輯區中的角色身上,并在Schematic中運用行為交互模塊庫中的行為模塊編輯角色相應的腳本,這樣就形成了3D交互動畫[3]。腳本流程圖見圖 4。

經過以上過程的設置后,便可以將諸如液壓支架的升降、移架過程、采煤機割煤方式、煤炭運輸方式等一系列的生產細節生動逼真的展現出來。

為了更好的實現漫游效果,在系統中增添了一個虛擬人物角色,并將攝像機以第三人稱跟隨的方式進行設置,這樣就可以讓操作者產生如身臨其境的感覺。虛擬角色漫游圖見圖 5。

3.4 成品的發布

煤礦生產虛擬現實系統制作完畢后,可以直接將整個作品以 CMO文件格式保存,在需要的時候可以再進行修改和編輯,但是這種情況保存的文件只有載入V irtools才可進行單機的展示操作。

還可以把整個作品以VMO文件格式保存傳播或者發布到網絡上,這種情況只要客戶端安裝了V irtoolsWeb Plaver播放插件,就可以進行交互操作。

利用編程的方法,結合V irtools提供的 SDK開發工具包,可以將作品打包生成單一的 EXE文件,這樣系統就可以在任何W INDOWS平臺直接運行[4]。

4 結 論

隨著科技的快速發展,虛擬現實技術將會有更加廣泛的應用前景。本文介紹了如何用Maya和V irtools進行煤礦生產系統的虛擬現實展示,對于工人的崗前培訓和學生的教學工作可以起到很好的效果,對于加強煤礦安全生產也有一定的指導意義。

[1] 王 政,朱向陽,韓 棟,等.液壓支架三維模型運動仿真及其實現[J].煤炭科技,2008,(3)：36-38.

[2] 王 琦.Maya2010標準培訓教材[M].北京：人民郵電出版社,2010：320-325.

[3] 付志勇,高 鳴.三維游戲設計[M].北京：清華大學出版社,2008：118-140.

[4] 劉明昆.三維游戲設計師寶典[M].成都：四川電子音像出版中心,2005：311-351.