基于虚拟现实的综采工作面仿真系统研究

(3) Spherical：将纹理像裹球一样贴在物体上面，采煤 机的滚筒虽是螺旋体，但转动起来类似球体，所以采用 Spherical 映射方式。
(4) Planar Each Face：将纹理贴在所选择的面上，工作 面内部包括巷道壁、煤壁等的纹理采用 Planar Each Face 映 射方式。
2.2.3 行为建模
2.2.2 形象建模
形象建模主要是对几何建模的结果进行纹理、颜色、光 照等处理，其中纹理的处理是体现虚拟场景真实感的必要手 段。纹理映射技术(Texture Mapping)是一种将二维图像映射 到三维几何形状表面的一个映射技术，是使模型产生特殊效 果或真实感的一种技术。在综采工作面仿真系统中，场景的 真实感很大程度上要靠纹理来体现，并且纹理映射还可以简 化模型，减少多边形的数量，节约生成视景所耗用的时间， 增加实时效应。
(2) 场景建模模块。主要功能是建立模型，包括几何建 模、形象建模和行为建模。
(3) 场景漫游模块。主要功能是实现工作面场景的漫 游。
(4) 交互控制模块。主要功能是开发人机界面，包括系 统菜单、图标等的设计和工作面设备的交互操作。
(5) 工艺仿真模块。主要功能是通过手动操作或动画演 示模拟综采工作面的生产工艺过程。
1.3 系统开发流程
本系统的开发流程如图 2 所示。
数据输入
工作面平面图 纹理映射 VC编程
几何建模 形象建模 行为建模
综采设备零件图 mipmapping技术 运动数学模型
据[11]。图像数据是三维建模必不可少的素材，也是虚拟现实 技术中体现真实感必要的手段，它的来源主要是用数码相机 和摄像机拍摄实际矿井，得到相片和录像带，然后对其进行 剪辑和编辑，并通过平面设计软件 Photoshop 6.0 处理，存 储为 OpenGL 所需图片格式。图形数据包括静态图形数据和 动态图形数据。静态图形数据是建立各种模型以至整个场景 的基础，包括煤层厚度、工作面顺槽长度、断面形状、工作 面长度以及各个综采设备的零部件尺寸等；动态图形数据是 模拟工作面生产工艺的重要参数，包括采煤机运行速度、工 作面循环进度、液压支架移架步距、刮板运输机弯曲长度以 及胶带输送机的运行速度等。系统设计数据输入界面，根据 用户输入的不同数据，可以输出不同参数效果的工作面虚拟 场景。
究方向为矿山系统工程; 隋刚(1973-), 男, 内蒙赤峰人, 讲师, 研究方
向为矿山三维可视化。
Байду номын сангаас回风顺槽
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轨道
采煤机
工字钢棚
胶带输送机架
图 1 综采工作面虚拟场景布局图
运输顺槽
第 19 卷第 18 期 2007 年 9 月
李建忠, 等：基于虚拟现实的综采工作面仿真系统研究
Vol. 19 No. 18 Sep., 2007
2.2 场景建模
场景建模是将所要仿真的场景与对象通过数学方法，表 达成存储在计算机内的三维图形对象的集合[12]。它是建立综 采工作面仿真系统的关键步骤，从图 1 中可以看出，整个场 景的模型主要包括巷道模型和设备模型，其中巷道模型有运 输顺槽、回风顺槽和综采工作面等；设备模型有采煤机、液 压支架、刮板输送机和胶带输送机等。这些模型的建立需要 经过几何建模、形象建模和运动建模三个过程。
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第 19 卷第 18 期 2007 年 9 月
系统仿真学报
Vol. 19 No. 18 Sep., 2007
方体，采用 Wrap 映射方式。 (2) Cylindrical：将纹理以柱形方式贴在物体上面，液压
支架的立柱就是圆柱形，采用 Cylindrical 映射方式，因立柱 内外材料不同，所需的纹理图案也不一样。
引 言1
虚拟现实就是利用计算机和其它的专用硬件软件去产 生一种真实场景的仿真，参与者可以通过与仿真场景的交互 来体验一种接近于真实的场景的感觉[1]。由于它具有沉浸 性、交互性和自主性等特点，近年来已成为研究热点之一， 并在许多领域得到研究与应用，如虚拟战场、城市仿真等。 而且随着计算机软、硬件水平的不断发展，虚拟现实技术在 我国煤矿中的应用研究正在从最初的展望阶段[2-5]走向实际 应用研究阶段[6-10]，但针对虚拟综采工作面的研究比较少。 在矿井生产系统中，综合机械化采煤工作面（简称综采工作 面）是现代化矿井最基本的生产单元，也是事故高发地和能 见度低的地方，利用 VR 技术生成综采工作面仿真系统，可 以清楚地看到工作面的工艺过程以及所存在的隐患，对于教 学和培训矿工安全有着耗资少、安全方便的优点，同时对矿 井方案设计、技术论证和抢险救灾有着积极的意义。本文主 要对综采工作面仿真系统的开发过程作了详细论述。
行为建模就是在创建模型的同时，不仅赋予模型外形、 质感等表面特征，同时也赋予模型物理属性和“与生俱来” 的行为与反应能力，并且服从一定的客观规律[13]。一个虚拟 环境的物体若没有任何行为和反应，则这个虚拟环境是孤寂 的，没有生命的。所谓的行为对于虚拟综采工作面来说是指 场景中诸如液压支架等动态实体的活动、变化以及与周围环 境和其它动态实体之间的动态关系。而工作面生产工艺的仿 真也正是建立在各个综采设备行为建模的基础上的，下面以 液压支架为例说明其行为建模过程。
1 系统总体设计
1.1 系统分析
综采工作面的仿真旨在模拟井下工作面的作业环境和生 产工艺，访问者可以走进井下巷道和工作面，身临其境地感受 井下作业环境，了解煤的生产过程。因此，仿真系统的任务总 体上分为两部分：虚拟场景的构建和生产工艺过程的模拟。
(1) 构建虚拟场景。综采工作面是一个比较复杂的三维 场景，首先需要确定场景的基本构成与布局，如图 1 所示， 场景基本由三条相连的巷道组成，分别是运输顺槽、综采工 作面和回风顺槽，构成一个基本的生产系统。场景内需要建 立的模型有采煤机、液压支架、刮板运输机、胶带输送机、 巷道、轨道和煤壁等。虚拟场景尽量按照现代化矿井的配置 要求做到形象逼真，并可自由漫游。
(2) 模拟生产工艺。综采工作面的生产工艺分为采煤、 装煤、运煤、支护和采空区处理五部分，系统采用手动操作 和自动演示两种方式来模拟工艺过程，主要是通过采煤机、 液压支架、刮板运输机和胶带输送机的各自运动和相互配合 来体现工艺过程。在模拟过程中可实现设备的交互操作。
1.2 系统开发工具
目前 OpenGL 已成为国际上公认的 3D 图形工业标准, 它在高性能图形和交互式视景处理上有着独特的优势，已经 在开发实时大型三维游戏中得到了成功应用，但是 OpenGL 与窗口系统无关，不提供任何交互手段，界面管理及人机交 互功能相对薄弱，因此本系统在 Windows XP 操作系统下， 以 Visual C++6.0 作为开发平台，调用 OpenGL 函数库进行 编程建立三维模型，实现系统叫互功能。
LI Jian-zhong, CHEN Hong-zhang, SUI Gang
(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
Abstract: Virtual reality is an important developing direction of modern simulation technology, and it has been used in the field of mine. Applying virtual reality technology and combining with OpenGL and Visual C++ 6.0, a simulation system of fully mechanized mining face was established. Five function modules were designed in this system, including data inputting, scene modeling, scene roaming, interaction controlling and technics simulation. Taking the hydraulic-powered-support and shearer loader for example, the realization process of behavior modeling and interaction control was analyzed. The system had interaction functions of navigation and equipments operation, moreover, the production process of fully mechanized mining face was simulated. The realization of this system put forward a feasible method to the simulation of entire mine. Key words: virtual reality; fully mechanized mining face; modeling; interaction control; simulation
一个纹理图案通过仿射变换或双线性变换，可任意扩展 到一个平面四边形，也可以通过参数化的方法使纹理图案沿 着柱面或球面缠绕。综采工作面所模拟的对象种类比较多， 根据对象形态的不同，需要使用不同的纹理映射方式。在本 系统开发过程中，使用了以下四种纹理映射方式：
(1) Wrap：将纹理分别地贴在 Bounding Cube 的六个面 上，纹理的方向依赖于所选择的方向，采煤机机身简化为立
现实技术，结合 OpenGL 和 Visual C++ 6.0，建立了综采工作面仿真系统。系统设计数据输入、场
景建模、场景漫游、交互控制和工艺仿真五个功能模块，分别以液压支架和采煤机为例分析了行为