虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在采礦工程中的應(yīng)用

1、第27卷第3期中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.27No.31998年9月JournalofChinaUniversityofMining&TechnologySep.1998虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在采礦工程中的應(yīng)用張瑞新(中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系徐州221008)任廷祥SchofieldDDenbyBWilliamsM(諾丁漢大學(xué)化工、環(huán)境與采礦工程學(xué)院諾丁漢NG7ZRD)摘要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)技術(shù)的基本概念、研究成果,展示了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)中應(yīng)用的廣闊前景.關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實(shí),計(jì)算機(jī),采礦工程,模擬,露天礦,中圖分類號TD8239第一作者簡介張瑞新,男,1964年生,近幾年

2、來,化、,(VirtualReality,簡稱VR)給計(jì)算機(jī)的應(yīng)用帶來了新的活力.這主要是因?yàn)?通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)創(chuàng)造出一個(gè)三維的現(xiàn)實(shí)環(huán)境,使人能夠通過感官及專用裝置進(jìn)行人機(jī)交互并參與其間的活動.如同某些計(jì)算機(jī)游戲軟件、科幻電影等把人們帶入一個(gè)非常神奇的立體空間環(huán)境一樣,VR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必將成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的重要手段,并將對人類生活的各個(gè)方面產(chǎn)生積極的影響.礦業(yè)工程計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也不例外.計(jì)算機(jī)模型、CAD軟件包日益成為工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)和管理生產(chǎn)的重要手段.應(yīng)用VR技術(shù)就可以創(chuàng)造出一個(gè)三維的采礦現(xiàn)實(shí)環(huán)境,無論是采礦作業(yè)過程還是工藝設(shè)備的運(yùn)行,都如同是拍攝的真實(shí)錄像.更有意義的是,操

3、作人員可以與這一系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互,他可以在任意時(shí)刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬出的任何區(qū)域,由VR系統(tǒng)根據(jù)人的參與活動產(chǎn)生動態(tài)、直觀的反應(yīng)和操作,使計(jì)算機(jī)模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)更為實(shí)用,并產(chǎn)生巨大的效益.盡管VR技術(shù)是一門新興學(xué)科,在礦業(yè)中的應(yīng)用研究才剛剛起步,但此方面的研究成果已顯示出收稿日期1998202216.本文簡要敘述虛擬VR在礦業(yè)中應(yīng)用的廣闊前景現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念、發(fā)展過程、開發(fā)系統(tǒng)及其在采礦工程中的應(yīng)用研究情況.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介1.1基本情況虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門人與信息科學(xué)相結(jié)合的高新技術(shù).它由計(jì)算機(jī)生成的人機(jī)交互的三維空間環(huán)境構(gòu)成1.如圖1所示,人通過使用傳感器、效應(yīng)器實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境

4、的交互作用和認(rèn)知過程.VR是計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的高級階段,其所產(chǎn)生的這種虛擬環(huán)境就如真正的現(xiàn)實(shí)空間一樣具有多種感知層次,并不僅僅是一種多媒體的形式,其中的圖像可根據(jù)人的視覺和人的動作來生成2.因此簡單地說,VR技術(shù)是人類與計(jì)算機(jī)和極復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行想象、處理和交互作用的一種手段3.VR的雛形起源于50年代后期,經(jīng)過近40a的發(fā)展,已趨于成熟2,41尤其是90年代以來,計(jì)算機(jī)硬件、軟件功能的不斷強(qiáng)化和成本下降為VR的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了條件.因此,VR理論和應(yīng)用研究日趨廣泛,并且在醫(yī)藥、化學(xué)分析、數(shù)據(jù)識別、建筑、教育和娛樂等方面取得了令人注目的成就.目前,世界范圍的VR研究可以歸納為危險(xiǎn)環(huán)境及遠(yuǎn)程環(huán)境下的操

5、作、科學(xué)感知、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、教© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期張瑞新等:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在采礦工程中的應(yīng)用231育和培訓(xùn)、空間探索、醫(yī)學(xué)和娛樂幾個(gè)方面461對礦業(yè)工程學(xué)科來說,VR技術(shù)的應(yīng)用既屬于危險(xiǎn)環(huán)境下的操作,也屬于CAD,教育和培訓(xùn)的范疇.VR技術(shù)為煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和礦工技術(shù)培訓(xùn)等提供了一種更為有效的手段.1.2VR開發(fā)系統(tǒng)7,8VR系統(tǒng)根據(jù)其硬件規(guī)模劃分成:1)臺式VR系統(tǒng):類似一般的臺式多媒體計(jì)3)立體視覺裝置:這是VR系統(tǒng)

6、中常用的硬件.該類裝置類似于眼鏡,包括兩個(gè)顯示鏡片(如液晶鏡片),在人的兩眼顯示稍不同的圖像,并合成三維視圖.這種圖像以1530幀 s的速度顯示,從而產(chǎn)生動態(tài)的三維視覺環(huán)境.這類裝置種類較多,其性能、價(jià)格差別也較大.其中頭帶式顯示器HMD是VR系統(tǒng)常用的一種裝置11.2.2軟件結(jié)構(gòu)7,81VR的軟件主要包括以下4部分1)輸入部分:控制各種輸入裝置輸入信息.2)模擬部分:這是VR的核心部分.其功能是識別物體及各種輸入信息、處理交互作用、控制物體的運(yùn)動、模擬自然規(guī)律、.模擬按.)(,、聽覺、觸覺或其它感.演示是按單位時(shí)間步長從模擬的.4)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫:用于儲存VR環(huán)境及其物體的各程,包括參數(shù)、描述物

7、體動作的程序、亮度、程序控制和硬件支持等信息.這是VR系統(tǒng)的主要部分之一.1.2.3VR系統(tǒng)開發(fā)工具專用于開發(fā)VR系統(tǒng)的工具軟件主要分為2類21一類是工具庫軟件,是為具備編程技術(shù)的人員提供的C或C+程序庫,用于開發(fā)VR應(yīng)用軟件1這一類軟件比較靈活,運(yùn)行速度較快.另一類是具有圖形界面的VR環(huán)境開發(fā)專用軟件,通過菜單操作,不需復(fù)雜的編程,比較易于使用.目前用于VR設(shè)計(jì)的工具軟件較多,從其性能及購價(jià)可以分成如下幾類7,8:1)免費(fèi)VR軟件:如加拿大Waterloo大學(xué)編制的的Rend386等12)低檔VR軟件:一般為 200以下的商用軟件包,如Domark公司開發(fā)的VirtualRealityStu

8、dio.此類軟件具有繪圖功能和開發(fā)VR模型的功能.3)中檔VR軟件:一般為 2001000的商用軟件包,如Virtus公司提供的VirtusWalkthrough在Windows系統(tǒng)下制作VR環(huán)境1此類軟件用于開發(fā)專業(yè)性較強(qiáng)的VR環(huán)境,對硬件沒有特殊要求,在一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上都可使用14)高檔VR軟件:購價(jià)在 1000以上的高級軟件包1這類軟件對硬件有特殊要求,有的使用在飛行模擬器上,其功能較強(qiáng),如SuperscapeLtd推出的VRT3等.算機(jī)系統(tǒng),使用三維或六維鼠標(biāo)進(jìn)行操作并與VR環(huán)境進(jìn)行交互;2)立體臺式VR系統(tǒng):在臺式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了一種窗式眼鏡,以生成和觀測三維視圖;3)浸入

9、式VR系統(tǒng):在臺式VR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了頭帶式顯示器(HMD),儀器式手套或跟蹤身體某個(gè)部位活動的裝置、力反饋?zhàn)饔醚b置等實(shí)現(xiàn)VR環(huán)境中的人機(jī)交互作用;4)投影式VR系統(tǒng):上,VR的場合;5)模擬式VR系統(tǒng):這是一種較復(fù)雜的VR系統(tǒng),需要參與者穿上特制的外套或置身于安裝在運(yùn)動平臺上的封閉空間內(nèi)以產(chǎn)生更為真實(shí)的環(huán)境效果,如飛行員飛行模擬器.1.2.1硬件VR系統(tǒng)硬件與常規(guī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的區(qū)別,除了高速圖形卡外,增加了進(jìn)行人機(jī)交互的硬件裝置1如圖1所示,在VR環(huán)境中,人通過頭、手、體對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作和作出反應(yīng),通過眼、耳接收來自計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息(感知過程).這些進(jìn)行人機(jī)交互的裝置可分為如下幾類7,

10、811)操作控制裝置:最簡單的就是常規(guī)的二維鼠標(biāo)器,或各種控制桿;中等復(fù)雜程度的有三維或六維鼠標(biāo)器,或其它種類的控制桿;復(fù)雜的有人體部位式跟蹤器,這種裝置附著在人體的某個(gè)部位,依靠傳感器跟蹤人的對應(yīng)部位各個(gè)關(guān)節(jié)的移動使操作者與VR環(huán)境產(chǎn)生交互作用.如儀器式手套帶在手上,依靠手套各個(gè)部位傳感器跟蹤手部各個(gè)關(guān)節(jié)的動作使操作者與VR環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互.2)定位跟蹤器:是應(yīng)用不同技術(shù)進(jìn)行位置 方位跟蹤的裝置.如機(jī)械手、超聲傳感器、磁力跟蹤器、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)和慣性跟蹤器等.© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. A

11、ll rights reserved. 27卷2中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第322虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用VR技術(shù)在許多工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用并取得了令人注目的成就,但在采礦工程方面的應(yīng)用仍屬于起步階段.諾丁漢大學(xué)化工、環(huán)境與采礦工程學(xué)院所屬的人工智能及其礦業(yè)應(yīng)用研究室(簡稱計(jì)算機(jī)繪圖、虛擬現(xiàn)AIMS)是較早從事人工智能、實(shí)等在礦業(yè)中應(yīng)用的研究.其研究涉及采礦工程、礦山安全、環(huán)境評價(jià)等方面.限于篇幅,本文僅就VR技術(shù)在采礦工程中應(yīng)用的研究成果作簡要介紹,以說明該技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊前景.2.1房柱式開采模擬VR2MINE系統(tǒng)7,911系統(tǒng)可以對連續(xù)式采煤機(jī)、VR2MINE頂板錨桿機(jī)、蓄電池式機(jī)

12、動礦車和給料破碎機(jī)構(gòu)成的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)三維實(shí)時(shí)模擬.如圖2所示,該系統(tǒng)不僅提供了靈活的用戶界面,既可以設(shè)定設(shè)備型號及數(shù)量、作業(yè)參數(shù),又可以選擇煤柱尺寸、回采巷道數(shù)量和幾何參數(shù)(圖示的對話窗),而且可以通過全屏幕或多窗口視圖的形式動態(tài)顯示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖.圖2房柱式開采模擬系統(tǒng)VR2MINE運(yùn)行實(shí)況Fig.2VRsystemforroomandpillarmining該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于它的真實(shí)性和人與系統(tǒng)的交互性.系統(tǒng)創(chuàng)造的這一三維環(huán)境與現(xiàn)實(shí)中的房柱式開采情況極為接近,無論是采礦作業(yè)過程,還是工藝設(shè)備的運(yùn)行都如同是現(xiàn)場拍攝的錄像.更有意義的是操作人員可以與這一系統(tǒng)進(jìn)行交互作

13、用,他可以在任意時(shí)刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬出的任何區(qū)域,通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示出所視空間的采礦作業(yè)情況(如圖2左側(cè)所示的給料破碎機(jī)和礦車的作業(yè)形態(tài)圖);他也可以獲得圖中左上角窗口所示的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況平面圖,圖上以不同的色彩框標(biāo)示不同的設(shè)備1它是動態(tài)顯示圖,不僅能看到設(shè)備的當(dāng)前位置和運(yùn)行狀況,而且可以獲知設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動態(tài)信息.這種模擬超過以往以任何方法建立的模型達(dá)到的效果.應(yīng)用VR2MINE系統(tǒng)可以通過對不同型號設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬,從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的.顯然,這類系統(tǒng)還可用于礦井開采計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)監(jiān)控、管理和技術(shù)培訓(xùn)等方面.2.2電池式

14、機(jī)動礦車FSV的運(yùn)行模擬機(jī)動式礦車FSV(FreeSteeredVehicles)是一種自帶電源式的礦車1由于不受固定軌道的限制,這種礦車機(jī)動靈活、生產(chǎn)高效,近幾年在英國煤礦得到了廣泛應(yīng)用.如圖3所示,其結(jié)構(gòu)主要分3個(gè)部分,前部為1個(gè)大平臺,用于放置待搬運(yùn)的設(shè)備(如圖中所示的液壓支架),中部為司機(jī)艙,后部為裝料© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期張瑞新等:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在采礦工程中的應(yīng)用233車斗.這種新型設(shè)備在應(yīng)用中暴露出一個(gè)問題,即位于中部

15、的司機(jī)視覺條件較差1尤其是在巷道轉(zhuǎn)彎處或巷道起伏不平時(shí),司機(jī)的視覺極為受限,存在嚴(yán)重的事故隱患.為此,AIMS的研究人員應(yīng)用7,11,12,該系統(tǒng)創(chuàng)造VR技術(shù)開發(fā)了FSV模擬模型出一個(gè)礦車在巷道中運(yùn)行的三維環(huán)境,如圖41由于系統(tǒng)可動態(tài)地產(chǎn)生諸如為操作者提供觀測任意位置及其周圍狀態(tài)的視圖、駕駛礦車的司機(jī)室視圖、顯示設(shè)備前、后狀態(tài)的視圖等,這樣就為操作者駕駛并檢查礦車在任意情形下的總體運(yùn)行狀況提供了一種有效的手段.該系統(tǒng)在屏幕顯示上分為3個(gè)窗口,即顯示當(dāng)前視圖的“主窗口”、顯示礦車前端攝影機(jī)視圖的“攝影機(jī)窗口”和供用戶調(diào)整礦車前部光源參數(shù)、裝卸設(shè)備的“狀態(tài)窗”.用戶可以對礦車前端攝影機(jī)的位置、焦距

16、進(jìn)行交互式調(diào)整,從而使用戶通過測試找到攝影機(jī)的最佳顯示位置.擬露天礦單斗2卡車工藝生產(chǎn)的系統(tǒng)7,11,13.該系統(tǒng)包括液壓挖掘機(jī)、卡車等設(shè)備,以三維圖像和音響等動態(tài)地再現(xiàn)了整個(gè)露天礦礦坑空間環(huán)境下的生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,如圖5所示.VR系統(tǒng)的交互性表現(xiàn)在用戶可以進(jìn)入這一環(huán)境并可參與其間的活動,比如你可以置身在挖掘機(jī)或卡車上跟蹤觀測設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),也可以站在任意空間點(diǎn)上觀測或查詢?nèi)我鈺r(shí)刻、任意部位的作業(yè)狀態(tài).該系統(tǒng)可以通過調(diào)整設(shè)備的作業(yè)參數(shù)如挖掘機(jī)的裝車循環(huán)時(shí)間、卡車的運(yùn)行速度等觀測由此產(chǎn)生的生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際變化,以便進(jìn)一步優(yōu)化和選擇工藝設(shè)備.同時(shí)可以成為設(shè)計(jì)優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度和技術(shù)培訓(xùn)的理想軟件.圖5

17、露天礦VR模擬環(huán)境實(shí)況Fig.5VRsystemforopen2pit圖3機(jī)動礦車結(jié)構(gòu)透視Fig.3FSVsstructure圖6所示的是AIMS開發(fā)的露天礦卡車模擬器,用于露天礦卡車司機(jī)的培訓(xùn).該模擬器除VR模擬系統(tǒng)硬件及軟件外,還有圖左上角顯示的方向盤、加速器和剎車板,其類似于真正卡車上的相同設(shè)備并與系統(tǒng)進(jìn)行交互作用.當(dāng)受訓(xùn)者操作這些硬件時(shí),面對的計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)出一個(gè)真實(shí)直觀的三維露天礦作業(yè)環(huán)境1如同駕駛著一輛真實(shí)的卡車運(yùn)行在露天礦的礦坑內(nèi),無論是駕駛的卡車本身,還是環(huán)境中運(yùn)行的其它設(shè)備,均按照受訓(xùn)者的操作或依據(jù)系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系運(yùn)行.比如,受訓(xùn)者操作出圖4FSV模擬系統(tǒng)礦車運(yùn)行實(shí)況Fig.

18、4VRsystemforFSV該系統(tǒng)不僅顯示出VR模擬FSV運(yùn)行狀況的潛力,同時(shí)可用于FSV幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(人機(jī)工程,圖3)、司機(jī)培訓(xùn)和井下人員的安全教育等.2.3露天礦單斗2卡車工藝系統(tǒng)的模擬應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬露天礦采礦是優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理的重要手段.AIMS的研究人員已經(jīng)開發(fā)出模錯(cuò)時(shí),同樣會造成撞車或從臺階上滾落下去的事故.顯然,這種培訓(xùn)技術(shù)使人與環(huán)境結(jié)合起來,通過人機(jī)交互達(dá)到或超過以往其它培訓(xùn)形式所能產(chǎn)生的效果.此外,AIMS還開發(fā)了礦區(qū)環(huán)境評價(jià)的VR模型.模型通過模擬礦山生產(chǎn)和復(fù)墾過程,進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)7,10,13.綜上所述,VR技術(shù)可以一種全新的方式應(yīng)用在采礦工程的各個(gè)方面1&

19、#169; 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 27卷2中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第344EarnshawRA,GiganteMA,JonesH.Virtualreality23system.London:APProfessional,1993.15WatkinsCD,MarenkaSR.VirtualrealityexcursionswithprogramsinC.Boston:APProfessional,1994.1426LoefflerCE,AndersonT.The

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21、,DenbyB,larnonD.Theuseofvirtualtosimpillaroperations.3結(jié)束語本文簡述了VR技術(shù)的基本概念、發(fā)展過程和開發(fā)系統(tǒng),綜述了該技術(shù)在采礦工程方面的應(yīng)用情況.盡管VR在礦業(yè)中的應(yīng)用剛剛起步,但目前的研究成果已顯示出其在礦業(yè)中的廣闊應(yīng)用前景.,在航空航天、.速發(fā)展,VR技術(shù)的應(yīng)用范圍和研究規(guī)模.作者深信,VR技術(shù)在礦業(yè)方面應(yīng)用研究的進(jìn)一步發(fā)展,必將成為礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、危險(xiǎn)性評價(jià)及礦工培訓(xùn)等方面的重要手段.參考文獻(xiàn)1WarwickK,GrayJ,RobertsD.Virtualrealityinen222,():10,cClarnonDJ.tua

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