基于虛擬現實技術的機械產品全景顯示系統開發

摘 要：本文是以液壓支架系統為例，利用Pro/ENGINEER建立實體模型，通過3DS Max建立場景、貼圖及對渲染處理，最后導入Virtools平臺進行交互設計，實現了從機械CAD軟件到Virtools開發平臺的模型導入與轉換。

關鍵詞：液壓支架 虛擬現實 三維建模 Virtools

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0001-02

傳統煤礦工人培訓和學生實習是到煤礦井下實地學習，培訓方法多采用錄像和幻燈片等手段系統講解煤礦安全技術知識，錄像缺乏交互性和沉浸性，學員只能被動接受[1]。由于他們對井下各種操作、環境、規程等都不熟悉，更容易引發事故，因此，對煤礦培訓系統的研究就顯得十分重要。

英國諾丁漢大學的人工智能及其礦業應用研究室最早應用虛擬現實技術于礦山企業安全培訓項目，開發出一系列的虛擬現實模型，如礦山安全系統SAVE-VR，井下房柱式開采系統[2]。南非采礦與冶金學院利用虛擬現實技術開發的基于PC機的危險識別訓練模擬器，可以訓練礦工井下環境的危險識別[3]。中國科學技術大學、中國礦業大學（北京）[4]、河南理工大學[5]、太原理工大學[6]等高校也對三維護建模在虛擬現實礦山的等方面進行了初步的探討，在礦井環境的三維建模以及仿真等特效表現技術上有了一定的成果，主要應用于煤礦事故場景模擬、事故匯報和煤礦安全培訓等。

目前的研究的方法是3DS Max+Virtools，這種研究限制了Virtools軟件虛擬現實技術在機械工業上的應用。本文是以某型號液壓支架系統為例，試驗幾種建模軟件，然后選擇最優的方法進行三維建模，再經過合理的模型轉換，結合3DS Max建立場景、貼圖及對渲染處理，最后導入Virtools平臺進行交互設計。這種方法實現了從機械CAD軟件到Virtools開發平臺的模型導入與轉換，以期為我國煤礦人員安全培訓及學生實習提供新方法。

1 液壓支架全景顯示系統開發流程

隨著虛擬現實技術的迅速發展和應用，機械產品虛擬實驗室、虛擬裝配及漫游系統應用日益廣泛。但這些都需要三維建模以及三維驅動才能實現逼真的“沉浸”效果。Virtools技術以其強大的三維引擎功能逐漸得到了廣泛的應用，但它本身并不具備三維實體模型的建模能力及角色動畫制作的能力，所以在使用Virtools進行虛擬場景構建時，須借助其它的三維模型建模及角色動畫制作軟件。一般可以用Pro/Engineer、3DS Max或Maya制作三維模型，賦予各零件材質屬性并對模型進行優化，接著在Virtools中對模型進行運動控制處理，完成各種交互動畫和場景的設計，然后以IE瀏覽器支持的.vmo格式導出，最后使用網頁制作軟件如Dreamweaver將其整合后以網頁形式發布到互聯網。

2 液壓支架三維建模

2.1 三維建模軟件的選擇

目前國內對Virtools的應用主要是采用3D Max建立模型然后導入Virtools環境進行交互設計的開發模式。3D Max建立模型時雖然操作簡單、建模速度快，但是對于機械產品的建模不夠精確，工程機械類軟件功能強大，易學易用，適合復雜零件、機械類模型的建與裝配，但是在渲染及動畫制作方面有所欠缺。常用工程機械類軟件有CATIA、Solid Eveydx7OYqQCRJy6SE/hoLlOAzIUCNLwHmqqFmPbFKos=dge、Pro/Engineer等。

針對本文做的基于虛擬現實的液壓支架顯示系統，首先要求的是模型顯示質量高，其次是存儲量小。如果模型不清晰時會影響到后期制作的效果，而存儲過大時，會在后期系統互動時反應比較慢，占用計算機大量內存，造成死機或不能應用。下面通過各建模軟件存儲對比，條件是建立相同的模型，做實驗進行優化比較。實驗數據總結如表1。

通過以上實驗數據進行比較后，得出最優的建模軟件是Pro/Engineer，因此確立虛擬實驗平臺的三維模型建模方式為：借助快速三維建模軟件Pro/Engineer創建掩護式液壓支架采煤工作面場景三維模型。

2.2 液壓支架三維建模

2.2.1 零件三維模型的建立

本文是以某型號液壓支架為例進行建模的，它主要由護板、伸縮梁、頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿、底座以及立柱等部件組成。為了研究問題方便，特將這些部件分為2類：一類為組焊件，由于這類部件完全由鋼板或圓管焊接而成，各部分之間無相對位置變動，所以可在Pro/Engineer軟件的零件模塊中以零件的形式創建部件；另一類為組裝件，這類部件需要先制作組成它的各個零件，然后再按照裝配關系定義其約束或聯接關系進行組裝。

2.2.2 液壓支架模型優化及轉換

完成的模型要導入到Virtools，而它只提供了Maya、3DS max、LightWave和XSI四種建模軟件的輸出插件。而對于CAD常用軟件Pro/Engineer所建立的液壓支架模型，Virtools并沒有提供Pro/Engineer的輸出插件。因此，利用三種常見的CAD格式對模型進行轉換，實現Pro/Engineer模型向Virtools。

某種CAD軟件系統都可以接受某些文件格式的輸入，并能夠進行某些文件格式的輸出。我們把某一種CAD軟件可以接受的輸入文件格式集合定義為，m為輸入文件格式的總數。可以輸出的文件格式集合定義為，n為輸出文件格式的總數，則兩種CAD軟件系統A和B可以進行交流的條件為：；可以進行雙向交流的條件為：。但由于軟件之間精度而導致轉換效果較差時，B系統的文件是不可以直接轉換到A系統中，雙向交流就更無從談起。這種情況下有兩種解決方法，一是直接開發轉換程序，但此方法耗費很大的人力和時間；另一種是使用第三方軟件C，使得B和C、C和A滿足上述交換條件。由于Virtools自帶的插件支持由3DS max向Virtools導出其所支持的文件格式。因此，以3DS max媒介，通過由Pro/Engineer到3DS max再到Virtools的方法，可以實現模型的導入。

在Pro/Engineer輸出和3DS max輸入格式中，常見的格式有：.STL，.OBJ和.VRML。三種格式均采用面片擬合、逼近的方法進行建模，并不像Pro/Engineer那樣是實體模型。STL文件無論是ASCII碼格式還是二進制格式，其定義都非常清晰、明確、易懂。但STL格式對于零件較多、體積較大的Pro/Engineer模型將會出現倒角不明顯，三角面片逼近圓形、不真實的缺點。OBJ文件雖然帶有顏色信息，但是其出現破面的幾率較STL文件高。VRML文件具有較好的面片擬合特性，而且其自身還帶有鮮明的顏色信息。但是對于建模實體零件較多的模型，導入3DSMax后其面片會很多，所以對于面片重組的運算時間將會延長。

綜上所述，對于色彩種類較少的模型可以采用STL格式導出，對于色彩較多并且文件較小的模型可以采用VRML格式導出，對于色彩較多并且文件較大的Pro/Engineer模型可以采用OBJ格式導出。本文由于液壓支架是結構較大且模型結構復雜，因此選用OBJ格式。

3 場景的建立和渲染

在模型的基礎上，根據實際尺寸建立所需場景，因為液壓支架的中心距為1.75 m，最小采高和最大采高分別是2.5 m和5 m。所以建立的場景大小為60×13×7（單位：m）。此外還需要制作界面所需貼圖，虛擬人物及動作，液壓支架虛擬體，為后為編輯做準備。將渲染完的場景存為NMO格式。為導入Virtools做準備。完成渲染后的場景如圖1所示。

4 液壓支架全景顯示系統

在導入Virtools之前應對Virtools Resources（資源庫）整理一下，將前期做的素材存放在其相對應的位置。資源庫整理好后，就在Virtools中進行腳本編輯。對本系統主要包括兩部分。

第EV8ZVG/b+Lm1qJ2LzWH96w==一部分：系統界面的腳本編輯。首先新建一個2DFrame，作為系統界面；再給2D Frame系統界面建立一個新的Material；新建一個Text，新建的Text是與photoshop做的系統界面貼圖相關聯。最后在這個2D Frame系統界面建立Schematic（腳本），通過BB（Building Blocks）制作相應的動作，用到的BB有PushButton、Deactivate Object、Hide、Delayer等對腳本進行編輯。就是通過Text—Material—2D Frame—建立Schematic整套的流程完成一個完整的2D Frame系統界面的制作。然后用相同的方法做系統工具欄、論文說明和進行系統的按鈕部分。

第二部分：對場景中人物和液壓支架的腳本編輯。首先把人特導入到場景中，因為人物的動作要與電腦的鍵盤相關聯，所以用BB進行控制。讓鍵盤中“上”鍵與人物的前進動作相關聯，“下”鍵與人物的后退動作相關聯，“左”鍵與人物的左轉彎動作相關聯，“右”鍵與人物的右轉彎動作相關聯。腳本編輯時用到的BB有 Unlimited Controller、Keyboard Mapper等。人物在場景中行走時，遇到障礙物應該做出相應的動作，應該用Object Solider編輯。通過一系列腳本的編輯，可以實現想要的動作。

液壓支架系統完成后，通過Virtools將作品發布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools WebPlayer或者通過Dreamweaver完成網頁發布就可以通過IE瀏覽器使用制作的演示系統了。構建好上述對象后，操作者打開網頁和點擊對應鏈接項，即可調出操作界面，利用鍵盤和交互操作功能，動態觀察該液壓支架的過程。完成后如圖2所示。

5 結論

（1）利用Pro/Engineer建立實體模型方式，突破了目前Virtools技術的開發模式：3DS Max+Virtools，從而使Virtools虛擬現實技術在機械工業上得到應用。實現了從機械CAD軟件到Virtools開發平臺的模型導入與轉換。系統制作完成后，利用Dreamweaver完成網頁發布，這樣可以隨時隨地的進行虛擬操作。（2）液壓支架系統具有虛擬現實技術的真實性、交互性、簡易性等特點，形象的模擬了井下的真實工作環境以及功能。培訓人員可以借助計算機的鍵盤、鼠標等交互裝置，模擬操作各個部件、零件及其相關輔助設備，進行操縱訓練，還可以進一步的實現液壓支架的拆卸、安裝、操縱過程展示。相對于傳統煤礦安全培訓投入的成本較小，且易于被礦業人員和學校實習人員接受和理解，對煤礦井下操作人員的培訓有至關重要的作用。

參考文獻

[1]王兵建，張盛，張亞偉，等.虛擬現實技術在煤礦安全培訓中的應用[J].煤炭科學技術，2009，37（5）：65-71.

[2]楊秀蓮，崔秀敏.虛擬現實技術及其在煤礦中的應用[J].世界煤炭，2002，9（9）：60-61.

[3]Vega Lynx Users Guide （Version3.6）[Z] MutiGen-Paradigm，Inc.2000.

[4]襲道方，韓可琦.虛擬現實技術在綜采工作面仿真中的應用[J].礦業研究與開發，2004，24（1）：41-46.

[5]吳立新，張瑞新.三維地學模擬與虛擬礦山系統[J].測會學報，2002，31（1）：28-33.

[6]趙建忠.虛擬現實技術及其在礦井中的應用[D].太原：太原理工大學，2003.