虚拟现实技术（VR）在金昌市智能矿山中的应用

田建荣，王斌儒

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

金昌市缘矿兴企、因企设市，是典型的资源型城市，矿业经济在全市经济发展中具有举足轻重的支撑作用，随着矿巷的不断推进，结构越来越错综复杂，安全性也存在极大的风险。近年来虚拟现实VR技术高速发展，在各行各业均得到了广泛的使用。本文将虚拟现实技术与金昌市智能矿山结合起来，对矿井巷道虚拟现实的基础理论、设计方案和关键技术进行深入研究，在选取合适的设备后，开发矿山漫游系统，对企业智能矿山可视化管理和安全规避均有一定的指导作用。

1 技术路线

本文通过前期的数据和资料的收集，结合其他较为成熟的专业资料设计本次方案，主要解决的问题集中在巷道的三维建模，生产系统的搭建以及交互式程序的开发。

本文的主要技术路线如图1所示。具体研究内容如下。

图1 关键技术路线图

（1）以Maya2019为基础软件，深入研究矿山矿井和巷道中的建模方法，尤其是拱形巷道以及巷道交叉部分，同时研究巷道的三维纹理建设的技术，提出最终建模方案。

（2）虚拟现实的交互技术和漫游技术。用户佩戴眼镜后，可以通过人体移动、手柄控制，对矿山中的各个巷道进行漫游，对相关的部件设备进行交互，从而更加了解矿山的细节。

2 关键技术

2.1 Maya三维建模技术

Maya是一款十分流行且功能齐全的三维动画软件，相对于3DMAX等三维软件，其自身具有独特的功能。Maya的操作平台基于Windows NT这样的操作更简便。制作起来Maya相对来说比较稳定，它对计算机的硬件利用率也比较高。Maya不仅有类似于3D Studio MAX等PC三维软件的普通建模功能，同时也具备了其他软件少有的NURBS建模功能。

2.1.1 多边形建模

多边形组件适用于顶点、边和面组件层级，或是上述三者中的两个层级，其中倒角、挤出、合并、变换命令较为常用，如图2所示。

图2 多边形建模示意图

具体功能有以下几种。添加分段：该命令常用于面或边组件层级，根据组件类型，可以按指数或线性方式对选定的组件进行细分或分割操作。倒角：沿当前选定的边或面创建倒角多边形，是最为常用的命令之一。桥接：该命令允许用户在选定的成对边界边之间通过构建多边形的方式将选定边连接起来，而生成的桥接多边形网格与原始多边形网格组合在一起，且它们之间的边会进行合并。圆形圆角：将当前选定的组件（包括顶点、边或面）重新组织为完美的几何圆形，非常适用于直接从现有形状构建结构。挤出：从选定的顶点、边或面上拉出新的多边形，用于变换和重新定形新多边形。合并：将位于指定阈值距离内的选定边或顶点合并起来，如将两个选定边合并为一个共享边。

2.1.2 细分曲面建模

该技术是Maya软件先进的建模技术，主要解决多边形建模中存在的缺点，具有良好的操作性和可编辑性。

2.2 三维建模的材质技术

建模材质的好坏决定了一个模型的真实性，如果没有材质技术，细节将缺失严重。常用的材质有5种，分别是blinn（布林材质）、Lambert（兰伯特）、Phong（冯）、Phong E和Anisotropic。

2.3 Unity3D

Unity3D也称Unity，是由Unity Technologies公司开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具。

3 三维建模

3.1 数据收集

数据的采集决定了金昌市矿山虚拟现实系统的真实性，其关键之处在于获取对象的三维空间位置，测量长度、走向等信息。本文主要通过收集平面CAD电子图件确定参数。对于建模所需要的纹理数据，本文主要通过软件自带、网上查找和现场拍摄等方式获得，尽量保证数据的真实性和准确性。

3.2 数据处理

本文中的数据处理主要是在满足建模要求和细节表现的基础上按照去繁就简的原则进行处理，处理内容主要包含空间数据处理，巷道数据处理和纹理数据处理，数据处理包含断面图和尺寸等，纹理处理通过PS软件进行处理，通过对尺寸、色彩、亮度和对比度进行调节，使其尽量负责实际的要求。

3.3 巷道和矿井三维建模

根据上述的技术要求，结合处理完成的数据，搭建矿井的整体结构。由于巷道拓普关系复杂，常常出现上下、平面内多个巷道、矿井交错交叉的情况，这类模型的处理是本文研究的重点。针对这个特点难点，本文将巷道模型简化为拱形模型，在Maya中生产出规范的模型之后，采用一个基于mel语言的Maya插件，实现了输入参数就能实现生成相应尺寸巷道的功能，大大简化了制作流程。其他的模型主要是对其进行拉伸、顶点处理等，结合具体需要的巷道长度参数L制作，使其尽量符合实际情况。对于复杂的巷道交叉情况，先做出交叉拓扑模型，确定巷道交叉点之间的连接节点，再调整参数处理，进行赋值、旋转等操作，如图3所示。

图3 巷道建模技术路线

对于整体生产系统，需要提前确定好巷道的坐标，具体可以在CAD平面图上进行量取，也可以通过实地定位，也可通过平面和剖面图的结合来进行，由于考虑到安全性，本文将采用第3种方法确定坐标，在保证时间的同时也可以保证精度。整体生产系统可以在Maya中的面选择工具制作完成，如图4所示。

图4 巷道建模图

3.4 三维模型的优化

过多和过大的模型会消耗电脑的内存和提升加载的时长，故为了保证其流畅度，可做以下的工作。先进行冗余边的删除，进而整合面文件；其次是删除多余的面；再者就是通过模型调用副本的方式，也可以减少模型的体量。

3.5 贴图技术

三维建模技术之后，为了保证其真实感，将对三维模型进行贴图，贴图时需要不断选择良好材质，注意灯光效果，调节色彩。由于巷道中存在矿体岩石、设备、轨道等不同物件，光线的调节尤为重要。在对整体进行纹理处理时，也要注意贴材质角度的问题，在Maya软件中，提供了平面、援助、球体、自动、UV等5种映射放射，实际贴图时根据需求进行选择，不然会出现纹理差异很大的现象。对于比较规则的巷道，可以用自动映射的方式，先给三维模型进行网格贴图，查看其平整度，如果UV不规整，选取自动模式，将网格贴图映射到模型上，打开编辑器，通过拉伸、移动、缩放等方式进行调整。

4 虚拟现实仿真系统的实现

金昌矿山虚拟现实仿真系统的实现主要是在Maya软件建模的基础上，使用Unity3D软件开发平台技术进行虚拟现实漫游系统的开发，该软件可将上述的三维模型进行深度渲染，辅助以人机交互的指令开发。

4.1 需求和功能设计

为了实现用户能够漫游矿井巷道，查看矿井的细节，设计以下几点需求：

（1）在构建了真实的三维模型之后，需要构建一个可以漫游、防碰撞和防穿透的场景，需要漫游角色通过VR眼镜的手柄和人体移动来进行操作。（2）要具有深度的沉浸感，视点指引和真实世界具有很好的代入感。

4.2 嵌入模型

将Maya建设好的三维模型导出为FBX格式后，在软件项目面板中创建Model（存放三维模型）、Scene（场景文件）、Script（脚本语言）3个模块，将模型导入Unity3D软件Model之中，自动生成文件夹存放材质，需要注意的是要一并将素材贴图导入。

在层次面板中建立空对象，将导入的三维模型放到对象纸上，提示导入成功。在Unity3D软件中对三维模型的位置和常用属性进行调节和查看，如果模型存在一定的稳定，在Maya文件中重新进行处理，确认无误后方可在Unity3D中继续操作。

4.3 脚本制作

在制作脚本的时候必须先进行碰撞检测，其主要的功能是对在场景中的物体发生碰撞时，能够及时获得反馈，如果2个模型出现重叠的现象，这是不容许的，需要进行处理，故该检测对于场景的真实性具有一定的必要性。由于本场景中的模型多具有刚性属性，故需要为其添加碰撞器组件。

做好上述处理之后，创建C#脚本，生成Start函数与update（）函数。Start函数主要用于脚本的中函数和变量的初始化；update（）函数用于系统和函数的更新，有相同的就覆盖，在本文中该函数的作用是根据人物位置更改获取实时位置，然后根据人物位置信息判断是否在某个场景范围内，设置显示字体。设置好脚本后，对软件系统进行详细开发。

4.4 系统的测试与发布

Unity3D软件中提供Game视图，对本次开发的虚拟现实系统进行测试。先检查模型在系统中是否结合完好。再者就是检查拓扑逻辑，查看操作响应的灵敏度和反映的正确性。测试完成后，选择Windows平台下发布并生成可执行文件。

5 结束语

（1）本文立足金昌矿山智能建设，结合先进的虚拟现实技术，通过三维建模、需求分析、功能设计和系统实现，深入研究设计了金昌矿山虚拟显示开发方案。

（2）三维建模主要通过Maya2019软件完成，主要通过前期数据收集和数据处理后标准建模，在建模的同时，解决了巷道和矿井中复杂拓扑的模型实现问题，也阐述了如何更加真实、高性价比的进行材质的贴图，为后期虚拟仿真系统提供了更加真实现实的素材，最后通过模型优化技术，提高了模型的显示效果和加载速度。

（3）深入研究了通过Unity3D软件进行矿山虚拟现实仿真系统的开发技术。通过对前期三维模型的导入和处理之后，对模型在Unity3D软件显示的效果和位置进行了检查，无误后通过脚本制作、防碰撞技术和系统建设，实现矿山虚拟现实交互功能和漫游功能，最后在测试无误后进行了软件的生成和发布。

（4）通过以上的工作，设计制作完成了金昌矿山虚拟现实仿真系统，该技术较为新颖，对后期其他矿山的虚拟现实漫游系统的建设具有一定的指导作用。