虛擬現實技術在煤礦學習中的應用

神文龍,張 松,孟慶武

1 問題的提出

我國的能源產出與消耗表見表 1。由表 1可知,現階段,以至于到將來某個階段,煤炭在我國的能源結構中都占有舉足輕重的地位。所以,越來越多的個人和企業都想涉足于煤炭行業,但是,我國的煤炭類院校相對較少,這就導致我國的采煤技術人員較少,為了讓更多的人了解煤礦的生產方式和生產技術,通過虛擬現實技術模擬整個的礦井生產系統,讓初始接觸煤礦的人員可以通過角色控制,以第一視角的方式,身臨其境的經歷煤礦的各個生產環節,對他們日后更深入的學習,打下堅實的基礎。

同時,對于煤炭類高校的學生而言,由于采礦工程是一門實踐性很強的學科,在進行相關課程的學習中,尤其是在《煤礦地質學》及《礦山壓力與巖層控制》的學習過程中,對礦井的空間布局 (如上下山、開切眼、回采工作面等)不了解,導致學生很難理解相關的理論知識,這樣對采礦專業知識的掌握很不利。通過虛擬現實技術學生可以在學校邊學習,邊將理論應用于實踐,在這個虛擬場景中深入的理解理論技術。更重要的是,學生可以學習相關的虛擬現實軟件,來開發煤礦生產系統。

表 1 中國能源產出與消耗表

2 二交互控制與三維建模

2.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是利用計算機、電子技術、多媒體技術等實現虛擬現實的可視化仿真性交互控制技術。本文是基于 Maya、V irtools和 Photoshop、AutoCad等軟件來實現煤礦虛擬現實技術的。

首先,根據已學專業知識和煤礦現場的實際情況,利用 AutoCad二維繪圖軟件,規劃出要實現的虛擬現實場景的三維結構,并進行相關參數的確定;其次利用M aya等三維建模軟件來構建整個三維場景的立體結構;再次用 Photoshop軟件來整理和修改場景中的貼圖和紋理已達到真實的效果;最后,將建好的三維立體模型導入到V irtools軟件中,在V irtools實現交互控制和可視化。可以通過圖 1所示方式來開發虛擬礦井生產系統。

圖 1 開發虛擬礦井生產系統示意圖

2.2 三維建模

任何一個虛擬現實產品,首先要有模型的支撐,其次才是交互控制。煤礦虛擬現實首先通過Maya等建模軟件,建立一個煤礦虛擬現實場景,該場景在最終產品里是靜態的。在構成煤礦的各個生產系統后,還需要建立每個系統所需要的動態模型。這些模型可以在V irtools等軟件中進行交互控制。立井開拓式走向長壁采煤方法的礦井生產系統示意圖見圖 2,Maya建好的煤礦三維立體模型圖見圖 3,支撐式液壓支架示意圖見圖 4,雙滾筒采煤機示意圖見圖 5。圖 4,圖 5是可以動態控制的模型圖。

圖 5 雙滾筒采煤機示意圖

2.3 交互控制

所謂交互控制,就是將已經建好的模型 (不論是做場景用的靜態模型,還是可以控制的動態模型)在V irtools等交互控制軟件中進行合理的組合,使他們構成一個整體。例如,將雙滾筒采煤機,加上可彎曲刮板輸送機一起導入到三維礦井生產系統中,在礦井生產系統中,實現滾筒割煤和輸送機運煤的過程,液壓支架,可以實現支護頂板和移架的過程。同時礦工人物模型可以在場景中行走,實時觀察礦井系統中的每個角落。各模型在V irtools中的組合情況示意圖見圖6。

圖 6 各模型在 Virtools中的組合情況示意圖

V irtools采用的是腳本控制,即圖形化編程語言,很容易學習和理解,也可以采用代碼語言編寫程序。最終作品生成.exe格式的文件,每一個想涉足采礦行業的個人和企業都可以通過鍵盤和鼠標控制礦工人物模型在整個場景中行走,控制采煤機的割煤,液壓支架的移架等過程。

對于高校的學生而言,如果他們親自參與這個產品系統的制作,從開始的建模,到交互控制,到最后的產品發布。那么學生不僅能將專業知識應用于實踐,同時鍛煉了學生的動手能力和編程的能力。

3 結 語

1)本文闡述了虛擬現實技術在煤礦中的應用,分析了構建煤礦虛擬現實產品的一般方法和步驟。

2)介紹了Maya等三維建模軟件和相關繪圖軟件在虛擬現實中的應用。

3)通過 V irtools交互控制軟件來介紹了虛擬現實的實現。

4)對于高校采礦學生的學習提供了一種創新性的方法。

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