1、专题部分基于 3DS Max和VR-Platform 的采矿虚拟现实矿井系统开发摘要：基于 3DS Max和VR-Platform 软件开发了一套虚拟现实矿井系统，用于采矿专业的实际教学，取得了良好的教学效果, 很好地缓解了现场实验和实践教学环节实施困难和成本高昂的困境。该系统具有完整的煤矿现场场景、生产设施和工艺过程, 视觉效果逼真、交互性强, 突破了从底层开发虚拟引擎周期长、成本高、风险大的限制。关键词：虚拟现实; 矿井系统;煤矿教学; Abstract : This article develops a virtual reality mine system for actual tea
2、ching in the disciplines of mining using 3DS Max and VR-Platform software. This proved to be a good relief to the difficulty and high cost of field experiment and in situ practice. The system has a relatively complete mine field scene, pr oduction facilities and processes,which has good visual effec
3、t and r ealistic interactivit y. Its a break through the restrictions of developing from the bottom of the virtual engine which has long production cycle, high costs and risks.Keyword: virtual reality ; mine system ; mining teaching ;1 研究开发背景1.1虚拟现实及虚拟现实教学平台随着科学技术的迅猛发展，新的教学媒体不断涌现，继多媒体之后，教学技术领域又出现了一个
4、新型教学媒体，它就是虚拟现实技术。虚拟现实的英文称为Virtual Reality(VR)，即利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实作为一项尖端科技，它集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，由计算机图形构成三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，提供给人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。虚拟现实的最大特点是用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从
5、而有效地扩展了人们的认知手段和领域。虚拟现实技术进入高校教学能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。而采矿学科由于其地下工程的复杂性、隐蔽性和危险性，现场的实验和实践教学环节实施困难。尤其是当前煤矿安全生产任务重，学生众多，学生参与煤矿现场工作变得非常困难，即便是有机会也只能是走马观花，得不到应有的认知和锻炼效果。因此，开发一套采矿学科的虚拟现实教学平台显得尤为迫切和重要。以煤矿生产现场为背景的虚拟现实环境，既可缩短实践的时间，又可获得直观、真实的效果，还能对那些不可视的地下工程结构、原理以及大型、贵重
6、的设备作仿真培训。即突破了实践教学的实践空间限制，系统又可跟随科学技术的发展实时更新和完善。这一方面能够促进学生理解采矿方法和技术，培养学生操作、维护和检修的技能，另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力。1.2 虚拟现实技术在采矿教学中的现实意义目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的教育媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育教学广泛应用并发挥其重要作用。如果将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到教育教学中，这种崭
7、新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。1.2.1 提供了崭新的教学手段煤矿生产虚拟现实技术，展示全方位、多角度的教学内容。还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行。应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的地下工程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。虚拟技术还可以突破时间的限制，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内给呈现煤矿生产的全过程。1.2.2 建设“常新”型的实践实习基地近年来，煤矿技术飞速发展。面对复杂多变的地质条件，不同区域不同单位
8、的采煤方法、采煤工艺以及设备等等多种多样，并且迅速更新。在实际的生产过程中，也会不时的遇到新的生产状况。利用多媒体技术，半实物仿真与虚拟现实相结合的方法，建造虚拟的现代化实践实习基地，其“设备”或“生产环境”多是“虚拟”的，可根据发展需要重新“生成”新设备，也可使“设备”和教学内容在虚拟环境中不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展，以培养高素质的毕业生，保证知识型的技术人才和管理人才能满足煤矿发展的要求。1.2.3 避免煤矿现场实践或操作所带来的各种危险和不便煤矿生产的危险性给采矿学科的实践教学带来了很多困难。以往对于危险的、对人体健康有危害的和学校没有条件做的实验，一般采用电视录像的方式来取
9、代，甚至于很多过程或者现象只能凭借文字叙述，学生无法直接参与体验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实践则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至获得最深刻的感知或者掌握操作技能为止。1.3 国外研究现状虚拟现实（Virtual Reality）技术，又称虚拟实境或灵境技术，这项原本是美国军方开发研究出来的计算机技术到20世纪90年代初才逐渐为各界关注。VR技术以计算机技术为主，利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、显示技术、伺服技术等多种技术的最新发展成果，利用计算机等设备
10、来产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感观体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。VR技术在国外矿业领域的研究起步较早，出现了一些2.5维的矿山VR系统，有效地支持了矿山生产决策和矿山培训与职业教育工作，英国诺丁汉大学AIMSSolutions 公司已经开发出一系列矿山VR模型，如露天矿单斗-卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等。通过应用VR技术辅助识别和评价对象(如设备、人员)的风险状况，从而得出更客观的风险评价。早在1999年，澳大利亚新南威尔士大学将虚拟现实技术应用在采矿工程中，开发出了2D的虚拟现实系统。现在，很多机构已经利用先进的虚拟现实设备进入3D的模拟
11、时代。很多国际知名大学和矿业生产安全部门合作，已经开发出很多产品，如澳大利亚的新南威尔士大学和昆士兰大学、美国的密苏里科技大学、马歇尔大学、维吉尼亚科技大学。大多数学校研究采矿虚拟现实技术为了安全培训，新南威尔士大学把它应用到了学生的教学当中。新南威尔士大学在采矿虚拟现实技术方面有着非常强的实力。他们拥有两台世界先进的投影系统（AVIE和iDome）。虚拟现实设备生产企业也有着很好的产品，主要应用于采矿设备使用培训方面。在虚拟现实技术方面最具代表性的是美国的5DT公司。5DT公司是全球虚拟现实设备生产实力最强的企业，其生产的数字交互手套、数字眼镜、交互投影机十分先进和实用。加上5DT拥有的采矿
12、专业知识数据库，结合专业的软件，这些设备被称为矿工教育模拟器。下面具体介绍一下新南威尔士大学和5DT的采矿虚拟现实技术：新南威尔士大学主要特色是和iCinema（一家交互影院研发公司）合作的两个全景投影环境系统，分别是AVIE和iDome。凭借学校采矿工程系丰富的矿井事故档案，以及计算机系的强大技术自持，开发出了一套完善的事故模拟教育系统，每年可以带来数以百万美元的收入。 图1-1 AVIE系统 图1-2 IDOME系统其中AVIE（Advanced Visualization and Interaction Environment）是世界上第一个360度立体全景投影环境。这套系统使用了一个圆
13、形银色屏幕。屏幕有35英尺宽，13英尺高；使用了7台PC和Projection design公司提供的12台F1投影机来产生3D图像。通过一个红外摄像机，观众可以和这套投影机系统进行交互。这套系统主要应用于环境的模拟，可以提供一个非常真实的井下环境，工人通过操作软件可以进行安全培训，模拟事故发生比如冒顶事故、机电事故。在事故发生后，通过软件的教学模块教工人如何避险，逃生。系统也可在井下进行无轨胶轮车的操作、在巷道里漫游，也可以在工作面操纵采煤机液压支架，体验采煤的全过程，完全身临其境的体验煤矿生产过程。图1-3 AVIE的全景模拟另一个系统称为iDome，它是一个对角线为13英尺的玻璃纤维房顶
14、，可以允许360度180度投影，在这套系统中iCinema公司使用了Projection design公司的高分辨率投影机F30（分辨率为19201080），允许观众全方位地与这套显示系统进行交互。iDome系统主要来模拟露天开采，露天开采过程中的矿车驾驶和电铲操作的模拟。因为是一个半球体的投影系统，视野可以非常广阔，加之设备的操作系统硬件和配之设备的声音，可以让培训者有非常真实的感受。 图1-4 露天矿车模型 图1-5 驾驶露天矿车模拟5DT公司是全球虚拟现实软件、硬件和虚拟现实系统的领导者，主要生产各种数据手套、数字头盔、三维投影机等，在汽车、航空、国防、电力、医药、旅游、采矿等行业都有非
15、常全面的虚拟现实系统。他们可以根据客户的需求修改自己方案，给新工人真实而又一个安全的培训环境。5DT的口号就是“我们的教育模拟器完全可以替代真实的机器” 。在采矿方面，5DT提供井工开采设备培训和露天设备培训。井工培训包括：采煤机的使用、连续采煤机的使用、液压支架的使用、梭车的使用、长壁开采系统的培训、短壁开采系统的培训等。露天方面：露天矿车的培训、电铲的使用培训，等等。5DT精于虚拟现实设备设计和生产，可以得到非常专业的硬件支撑，他们的虚拟现实系统做的非常的实用。比如说可以通过一个数字头盔完全可以取代新南威尔士大学的庞大的全景投影系统。5DT拥有完善的采矿数据库。他们的开发人员深入到现场，开
16、发出一套完全实用的采矿知识数据库，大大的提高了培训的效率，对新员工的培训可以节省大量的时间。5DT的软件系统开发比较人性化，在操作机器的过程中你的每一步骤都会被系统记录下来，然后把错误的地方挑出来并告诉操作者，实现教学和培训。1.4 国内研究现状国内对三维可视化技术在矿山的应用研究较晚，其应用目前还并不普及。自20世纪80年代中期始，一些以解决具体专业问题为主的CAD软件开始投入地质、测量、采矿等各专业的应用。进入21世纪，随着可视化技术的发展和在矿山领域研究的深入，一些三维可视化软件开始出现，但基本上是以引进国外先进的软件技术进行二次开发者居多。面向矿业学科教学实践的更是少之又少。近十几年的时间里，国内很多高等院校和科研院所的专家和学者致力于地学三维空间数据可视化这一课题，
