摘 要：本文是以液壓支架系統(tǒng)為例，利用Pro/ENGINEER建立實(shí)體模型，通過3DS Max建立場景、貼圖及對渲染處理，最后導(dǎo)入Virtools平臺(tái)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械CAD軟件到Virtools開發(fā)平臺(tái)的模型導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：液壓支架 虛擬現(xiàn)實(shí) 三維建模 Virtools

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（b）-0001-02

傳統(tǒng)煤礦工人培訓(xùn)和學(xué)生實(shí)習(xí)是到煤礦井下實(shí)地學(xué)習(xí)，培訓(xùn)方法多采用錄像和幻燈片等手段系統(tǒng)講解煤礦安全技術(shù)知識(shí)，錄像缺乏交互性和沉浸性，學(xué)員只能被動(dòng)接受[1]。由于他們對井下各種操作、環(huán)境、規(guī)程等都不熟悉，更容易引發(fā)事故，因此，對煤礦培訓(xùn)系統(tǒng)的研究就顯得十分重要。

英國諾丁漢大學(xué)的人工智能及其礦業(yè)應(yīng)用研究室最早應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于礦山企業(yè)安全培訓(xùn)項(xiàng)目，開發(fā)出一系列的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，如礦山安全系統(tǒng)SAVE-VR，井下房柱式開采系統(tǒng)[2]。南非采礦與冶金學(xué)院利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的基于PC機(jī)的危險(xiǎn)識(shí)別訓(xùn)練模擬器，可以訓(xùn)練礦工井下環(huán)境的危險(xiǎn)識(shí)別[3]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）[4]、河南理工大學(xué)[5]、太原理工大學(xué)[6]等高校也對三維護(hù)建模在虛擬現(xiàn)實(shí)礦山的等方面進(jìn)行了初步的探討，在礦井環(huán)境的三維建模以及仿真等特效表現(xiàn)技術(shù)上有了一定的成果，主要應(yīng)用于煤礦事故場景模擬、事故匯報(bào)和煤礦安全培訓(xùn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用。本文是以某型號(hào)液壓支架系統(tǒng)為例，試驗(yàn)幾種建模軟件，然后選擇最優(yōu)的方法進(jìn)行三維建模，再經(jīng)過合理的模型轉(zhuǎn)換，結(jié)合3DS Max建立場景、貼圖及對渲染處理，最后導(dǎo)入Virtools平臺(tái)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。這種方法實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械CAD軟件到Virtools開發(fā)平臺(tái)的模型導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換，以期為我國煤礦人員安全培訓(xùn)及學(xué)生實(shí)習(xí)提供新方法。

1 液壓支架全景顯示系統(tǒng)開發(fā)流程

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)械產(chǎn)品虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬裝配及漫游系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。但這些都需要三維建模以及三維驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)逼真的“沉浸”效果。Virtools技術(shù)以其強(qiáng)大的三維引擎功能逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，但它本身并不具備三維實(shí)體模型的建模能力及角色動(dòng)畫制作的能力，所以在使用Virtools進(jìn)行虛擬場景構(gòu)建時(shí)，須借助其它的三維模型建模及角色動(dòng)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(zhì)屬性并對模型進(jìn)行優(yōu)化，接著在Virtools中對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制處理，完成各種交互動(dòng)畫和場景的設(shè)計(jì)，然后以IE瀏覽器支持的.vmo格式導(dǎo)出，最后使用網(wǎng)頁制作軟件如Dreamweaver將其整合后以網(wǎng)頁形式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。

2 液壓支架三維建模

2.1 三維建模軟件的選擇

目前國內(nèi)對Virtools的應(yīng)用主要是采用3D Max建立模型然后導(dǎo)入Virtools環(huán)境進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的開發(fā)模式。3D Max建立模型時(shí)雖然操作簡單、建模速度快，但是對于機(jī)械產(chǎn)品的建模不夠精確，工程機(jī)械類軟件功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，適合復(fù)雜零件、機(jī)械類模型的建與裝配，但是在渲染及動(dòng)畫制作方面有所欠缺。常用工程機(jī)械類軟件有CATIA、Solid Eveydx7OYqQCRJy6SE/hoLlOAzIUCNLwHmqqFmPbFKos=dge、Pro/Engineer等。

針對本文做的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的液壓支架顯示系統(tǒng)，首先要求的是模型顯示質(zhì)量高，其次是存儲(chǔ)量小。如果模型不清晰時(shí)會(huì)影響到后期制作的效果，而存儲(chǔ)過大時(shí)，會(huì)在后期系統(tǒng)互動(dòng)時(shí)反應(yīng)比較慢，占用計(jì)算機(jī)大量內(nèi)存，造成死機(jī)或不能應(yīng)用。下面通過各建模軟件存儲(chǔ)對比，條件是建立相同的模型，做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如表1。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，得出最優(yōu)的建模軟件是Pro/Engineer，因此確立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維模型建模方式為：借助快速三維建模軟件Pro/Engineer創(chuàng)建掩護(hù)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(hào)液壓支架為例進(jìn)行建模的，它主要由護(hù)板、伸縮梁、頂梁、掩護(hù)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(dòng)，所以可在Pro/Engineer軟件的零件模塊中以零件的形式創(chuàng)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(gè)零件，然后再按照裝配關(guān)系定義其約束或聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行組裝。

2.2.2 液壓支架模型優(yōu)化及轉(zhuǎn)換

完成的模型要導(dǎo)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)Pro/Engineer模型向Virtools。

某種CAD軟件系統(tǒng)都可以接受某些文件格式的輸入，并能夠進(jìn)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(shù)?？梢暂敵龅奈募袷郊隙x為，n為輸出文件格式的總數(shù)，則兩種CAD軟件系統(tǒng)A和B可以進(jìn)行交流的條件為：；可以進(jìn)行雙向交流的條件為：。但由于軟件之間精度而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效果較差時(shí)，B系統(tǒng)的文件是不可以直接轉(zhuǎn)換到A系統(tǒng)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(fā)轉(zhuǎn)換程序，但此方法耗費(fèi)很大的人力和時(shí)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)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(jìn)行建模，并不像Pro/Engineer那樣是實(shí)體模型。STL文件無論是ASCII碼格式還是二進(jìn)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(huì)出現(xiàn)倒角不明顯，三角面片逼近圓形、不真實(shí)的缺點(diǎn)。OBJ文件雖然帶有顏色信息，但是其出現(xiàn)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(shí)體零件較多的模型，導(dǎo)入3DSMax后其面片會(huì)很多，所以對于面片重組的運(yùn)算時(shí)間將會(huì)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(dǎo)出，對于色彩較多并且文件較小的模型可以采用VRML格式導(dǎo)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(dǎo)出。本文由于液壓支架是結(jié)構(gòu)較大且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此選用OBJ格式。

3 場景的建立和渲染

在模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際尺寸建立所需場景，因?yàn)橐簤褐Ъ艿闹行木酁?.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(dòng)作，液壓支架虛擬體，為后為編輯做準(zhǔn)備。將渲染完的場景存為NMO格式。為導(dǎo)入Virtools做準(zhǔn)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(tǒng)

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

第EV8ZVG/b+Lm1qJ2LzWH96w==一部分：系統(tǒng)界面的腳本編輯。首先新建一個(gè)2DFrame，作為系統(tǒng)界面；再給2D Frame系統(tǒng)界面建立一個(gè)新的Material；新建一個(gè)Text，新建的Text是與photoshop做的系統(tǒng)界面貼圖相關(guān)聯(lián)。最后在這個(gè)2D Frame系統(tǒng)界面建立Schematic（腳本），通過BB（Building Blocks）制作相應(yīng)的動(dòng)作，用到的BB有PushButton、Deactivate Object、Hide、Delayer等對腳本進(jìn)行編輯。就是通過Text—Material—2D Frame—建立Schematic整套的流程完成一個(gè)完整的2D Frame系統(tǒng)界面的制作。然后用相同的方法做系統(tǒng)工具欄、論文說明和進(jìn)行系統(tǒng)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(dǎo)入到場景中，因?yàn)槿宋锏膭?dòng)作要與電腦的鍵盤相關(guān)聯(lián)，所以用BB進(jìn)行控制。讓鍵盤中“上”鍵與人物的前進(jìn)動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，“下”鍵與人物的后退動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，“左”鍵與人物的左轉(zhuǎn)彎動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，“右”鍵與人物的右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。腳本編輯時(shí)用到的BB有 Unlimited Controller、Keyboard Mapper等。人物在場景中行走時(shí)，遇到障礙物應(yīng)該做出相應(yīng)的動(dòng)作，應(yīng)該用Object Solider編輯。通過一系列腳本的編輯，可以實(shí)現(xiàn)想要的動(dòng)作。

液壓支架系統(tǒng)完成后，通過Virtools將作品發(fā)布為.vmo格式，客戶端只需安裝Virtools WebPlayer或者通過Dreamweaver完成網(wǎng)頁發(fā)布就可以通過IE瀏覽器使用制作的演示系統(tǒng)了。構(gòu)建好上述對象后，操作者打開網(wǎng)頁和點(diǎn)擊對應(yīng)鏈接項(xiàng)，即可調(diào)出操作界面，利用鍵盤和交互操作功能，動(dòng)態(tài)觀察該液壓支架的過程。完成后如圖2所示。

5 結(jié)論

（1）利用Pro/Engineer建立實(shí)體模型方式，突破了目前Virtools技術(shù)的開發(fā)模式：3DS Max+Virtools，從而使Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械工業(yè)上得到應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械CAD軟件到Virtools開發(fā)平臺(tái)的模型導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)制作完成后，利用Dreamweaver完成網(wǎng)頁發(fā)布，這樣可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行虛擬操作。（2）液壓支架系統(tǒng)具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)性、交互性、簡易性等特點(diǎn)，形象的模擬了井下的真實(shí)工作環(huán)境以及功能。培訓(xùn)人員可以借助計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)等交互裝置，模擬操作各個(gè)部件、零件及其相關(guān)輔助設(shè)備，進(jìn)行操縱訓(xùn)練，還可以進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)液壓支架的拆卸、安裝、操縱過程展示。相對于傳統(tǒng)煤礦安全培訓(xùn)投入的成本較小，且易于被礦業(yè)人員和學(xué)校實(shí)習(xí)人員接受和理解，對煤礦井下操作人員的培訓(xùn)有至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王兵建，張盛，張亞偉，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（5）：65-71.

[2]楊秀蓮，崔秀敏.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在煤礦中的應(yīng)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(xiàn)實(shí)技術(shù)在綜采工作面仿真中的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2004，24（1）：41-46.

[5]吳立新，張瑞新.三維地學(xué)模擬與虛擬礦山系統(tǒng)[J].測會(huì)學(xué)報(bào)，2002，31（1）：28-33.

[6]趙建忠.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在礦井中的應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2003.