網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè) 基于Unity3D的《切水果》設(shè)計與開發(fā)

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1、基于unity 3D 的切水果虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)摘 要：在模型構(gòu)建理論的基礎(chǔ)上, 提出了利用三維 Max 和 UG 兩種不同的建模軟件建立模型的解決方案, 使不同的模型滿足不同的需求。采用三維最大值對外觀要求高、運(yùn)動操作要求低的模型進(jìn)行了建模, 采用 ug 對父子運(yùn)動功能要求較高的模型進(jìn)行了建模, 充分有效地滿足了用戶視覺的需要。交互式操作?；谶\(yùn)動仿真技術(shù)理論和 Unity 3D 開發(fā)平臺, 在實(shí)際工作中實(shí)現(xiàn)了水果切削的單機(jī)三機(jī)協(xié)同運(yùn)動仿真, 為環(huán)保奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。水果切割面的虛擬現(xiàn)實(shí)漫游體驗(yàn)和虛擬操作?；谡麄€漫游路徑的設(shè)計和設(shè)置理論, 實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵機(jī)器和區(qū)域的引入和漫游。關(guān)鍵詞：

2、Unity3D，虛擬現(xiàn)實(shí)，場景漫游目 錄第一章 緒 論21.1 引言21.2 研究背景、目的與意義31.2.1 研究背景31.2.2 研究目的41.2.3 研究意義41.3 國內(nèi)外研究動態(tài)51.3.1 國外虛擬現(xiàn)實(shí)研究動態(tài)51.3.2 國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)研究動態(tài)61.3.3 目前研究存在問題及不足8第二章 綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)總體設(shè)計92.1 引言92.2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)92.3 用戶需求與用戶心理分析102.3.1 用戶需求分析102.3.2 用戶心理分析102.4 開發(fā)平臺及環(huán)境的選擇112.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計132.5.1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖132.5.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)132.5.3 系統(tǒng)功

3、能結(jié)構(gòu)14第三章 結(jié)論15致 謝16參考文獻(xiàn)17第一章 緒 論1.1 引言在此背景下, 虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 等虛擬技術(shù)將發(fā)揮決定性作用1。虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 技術(shù)集成了各種學(xué)科和技術(shù)。以計算機(jī)技術(shù)為核心, 結(jié)合實(shí)際情況, 生成了高度模擬的仿真環(huán)境。用戶可以通過使用某些設(shè)備與模擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互, 從而完成真實(shí)的視覺、聽覺和觸覺響應(yīng), 并使用戶在現(xiàn)實(shí)世界中感受和體驗(yàn)。它被認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的發(fā)展學(xué)科, 是代表現(xiàn)實(shí)世界的一種方式, 也是仿真技術(shù)發(fā)展的重要方向。Unity 3D 是 unity Technologies 開發(fā)的多平臺集成游戲開發(fā)工具。它使技術(shù)人員能夠輕松

4、實(shí)現(xiàn)交互式內(nèi)容, 如三維視頻游戲開發(fā)、建筑可視化演示和實(shí)時三維動畫播放。它的編輯器可以在 Windows 和 Mac OS 下運(yùn)行, 游戲可以發(fā)布到 Windows、Mac、I Phone、Web GL (HTML5)、Windows Phone 和 Android 平臺。同時, Unity web 播放器插件也可用于發(fā)布支持 Mac 和 Windows 的網(wǎng)絡(luò)游戲, 這是一個完全集成的專業(yè)游戲引擎?；谔摂M現(xiàn)實(shí)場景構(gòu)建技術(shù)、三維虛擬模型制作技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 對綜采工作面設(shè)備進(jìn)行建模設(shè)計, 并進(jìn)行三維可視化。采用 Unity 3D 建立了操作與仿真平臺, 實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的全景過程

5、和動態(tài)運(yùn)動仿真, 展示了綜采工作面各設(shè)備的外觀和特點(diǎn)。生動生動的方式。實(shí)際運(yùn)行環(huán)境 (包括三臺綜采機(jī)、巷道、支架、煤墻和煤粒、設(shè)備列車等) 可以實(shí)現(xiàn)礦工的虛擬作業(yè), 為礦工提供了一種新的、高效的、安全的、經(jīng)濟(jì)的、新的、新的、新的、高效的、經(jīng)濟(jì)的、新的、高效的、新的、高效的、高效的、新的、高效的、可實(shí)現(xiàn)的。低碳節(jié)能技術(shù)、培訓(xùn)教學(xué)手段為煤礦企業(yè)、高校、科研院所等單位的設(shè)計和使用3-5。全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于探索階段。綜采工作面的全景虛擬現(xiàn)實(shí)只是虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用的一個方面。仍有許多未開發(fā)的內(nèi)容有待進(jìn)一步研究6, 7。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如果能應(yīng)用于整個煤礦的生產(chǎn), 必將使煤礦開

6、采、技術(shù)培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、事故模擬等方面達(dá)到一個新的高度, 具有積極而深遠(yuǎn)的意義這對礦山生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)代化的影響, 也將是我國工業(yè)信息化和煤礦數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。1.2 研究背景、目的與意義1.2.1 研究背景在這種情況下, 迫切需要找到新的解決方案, 改進(jìn)適應(yīng)過程, 改善職業(yè)健康, 確保在安全可控的環(huán)境中進(jìn)行崗前培訓(xùn)和實(shí)踐的機(jī)會, 以加強(qiáng)和提高安全性認(rèn)識和工人自身的專業(yè)和技術(shù)水平, 并從根本上減少和避免傷亡8。綜采工作面主要由采煤機(jī)、柔性刮板輸送機(jī)和自行式液壓支架組成。它是煤礦開采過程中最重要的部分。在工業(yè)4.0 帶來的機(jī)遇的推動下, 如何利用無縫數(shù)據(jù)集成和轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化和數(shù)字化挖掘已成為一

7、個非常緊迫的課題。在此背景下, 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將發(fā)揮決定性作用1, 9。 工程背景煤是我國能源經(jīng)濟(jì)的主體。煤礦安全生產(chǎn)關(guān)系到整個煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國家能源安全, 關(guān)系到無數(shù)礦工的生命財產(chǎn)安全10。數(shù)據(jù)研究表明, 事故率是礦業(yè)安全生產(chǎn)過程中最高的。地下生活環(huán)境惡劣, 工作條件惡劣, 訓(xùn)練機(jī)制落后, 安全管理問題突出。近年來, 國家穩(wěn)步加大政策力度, 鼓勵和支持企業(yè)建立安全監(jiān)測和運(yùn)營體系, 加強(qiáng)對礦工實(shí)際作業(yè)技能的培訓(xùn)和考核8-10。在此背景下, 必須牢固貫徹以人為本的理念, 努力提高安全意識, 提高綜合素質(zhì)。 1.2.2 研究目的本文研究的綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)是基于

8、先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和 Unity-3d 系統(tǒng)開發(fā)引擎平臺。它致力于模擬綜采工作面的真實(shí)工作狀態(tài), 監(jiān)測和控制其工作狀態(tài)和事故的發(fā)生, 解決當(dāng)前技術(shù)背景下存在的各種不足, 以解決當(dāng)前的問題。礦工的安全。教育技術(shù)培訓(xùn)面臨的各種問題, 使礦工在未來進(jìn)入礦山前, 能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所體現(xiàn)的綜采工作面上進(jìn)行操作和培訓(xùn), 了解作業(yè)情況和工作情況設(shè)備在實(shí)際地下生產(chǎn)中的原則, 為企業(yè)乃至高校提供了新的安全教育和技術(shù)培訓(xùn)模式。1.2.3 研究意義本課題的主要研究意義如下:虛擬現(xiàn)實(shí)操作更加生動, 訓(xùn)練效果較好。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用計算機(jī)生成一個融合了各種信息的交互式、真實(shí)的仿真環(huán)境。它是一個仿真系統(tǒng), 可以在虛擬

9、世界中創(chuàng)建和體驗(yàn)三維動態(tài)場景和特定行為。它可以使用戶浸入其中。在這種環(huán)境下, 就像在現(xiàn)實(shí)中一樣。虛擬環(huán)境中物體的運(yùn)動完全基于現(xiàn)實(shí)世界中的物理運(yùn)動規(guī)律。理想的仿真環(huán)境可以達(dá)到真假之間無法理解的程度。作為主角, 用戶可以真正感受到他們存在于模擬環(huán)境中, 然后可以自然地在模擬環(huán)境中操作對象, 并從環(huán)境中獲得反饋。利用這個系統(tǒng)進(jìn)行安全教育和技術(shù)培訓(xùn), 可以改善目前培訓(xùn)系統(tǒng)的單一手段、不明確的表達(dá)和沉悶的條件, 使礦工能夠真正體驗(yàn)和操作他們需要了解、熟悉自己的設(shè)備提前與地下環(huán)境, 降低地下事故發(fā)生的概率。為提高培訓(xùn)的安全系數(shù), 傳統(tǒng)的煤礦安全培訓(xùn)方法單一而無效。他們中的大多數(shù)人依靠閱讀書面材料, 這些材

10、料單調(diào)乏味。雖然有些視頻材料可以相對直觀地解釋一些操作方法和避免事故的方法, 但這些視頻材料并不能真正使礦工充分了解每臺機(jī)器和設(shè)備的工作原理和操作過程。更別提動手操作了在當(dāng)前形勢下, 礦工們沒有對地下環(huán)境和設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行全面、系統(tǒng)的培訓(xùn), 然后趕往地下作業(yè), 事故發(fā)生的概率要高得多。然而, 利用綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng), 礦工可以體驗(yàn)地下礦山的實(shí)際工作環(huán)境, 達(dá)到生動逼真的體驗(yàn)效果, 避免了前往的巨大危險。地下實(shí)際工作在早期階段提高技術(shù)熟練程度和安全培訓(xùn)意識, 提高整體培訓(xùn)的安全系數(shù)。降低企業(yè)培訓(xùn)成本, 為綜采工作面開發(fā)一套成熟的全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng), 可以在早期投入一定的人力和物力,

11、但開發(fā)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于邀請專家進(jìn)行講座培訓(xùn), 或?yàn)榈V工經(jīng)濟(jì)運(yùn)營建立實(shí)際比例的培訓(xùn)礦山, 一旦系統(tǒng)建成, 只需進(jìn)行。后來的維護(hù)和更新只需要一些技術(shù)人員和資金來購買計算機(jī)設(shè)備, 這大大降低了企業(yè)的培訓(xùn)成本。1.3 國內(nèi)外研究動態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)是在20世紀(jì)90年代提出的。一旦提出來, 就引起了全世界的廣泛關(guān)注。近年來, 由于相關(guān)研究部門對這一技術(shù)的發(fā)展高度重視, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在被不同行業(yè)提升到了一個新的高度的同時。現(xiàn)在世界各國特別是一些發(fā)達(dá)國家對其進(jìn)行了廣泛、徹底、深入的研究, 完成了一些階段和突破的新進(jìn)展, 取得了一些可觀的新成就。1.3.1 國外虛擬現(xiàn)實(shí)研究動態(tài)v r 技術(shù)的研究受到了世界上許多國家的高度

12、重視, 特別是美國、歐洲、加拿大和日本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在世界范圍內(nèi)取得了長足的進(jìn)步, 其研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件上11-22。作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)祥地, 美國的技術(shù)水平在一定程度上代表了這一技術(shù)的國際發(fā)展水平11, 12。他們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空、衛(wèi)星和空間站上構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)。他們還成功地建立了 VR 教育系統(tǒng)13, 可以在全國范圍內(nèi)使用, 并建立了一個虛擬訓(xùn)練系統(tǒng), 可以模擬軍事領(lǐng)域使用的各種戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)形式14。此外, 美國北卡羅來納大學(xué) (UNC) 的計算機(jī)系是最早也是最著名的 VR 研究大學(xué)機(jī)構(gòu)。在顯示技術(shù)方面, 他們利用 VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)了一個

13、名為 Pixel 飛機(jī)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助用戶在復(fù)雜的情景視覺環(huán)境中建立實(shí)時動態(tài)顯示, 并可以進(jìn)行處理, 實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)。真正的技術(shù)和其他技術(shù)的組合一次只能完成一個任務(wù)的組合和效率, 這使得顯示技術(shù)產(chǎn)生更顯著的效果15。在歐洲一些發(fā)達(dá)國家, 英國在行業(yè)中處于領(lǐng)先地位, 其 VR 技術(shù)的發(fā)展和研究主要應(yīng)用于分布式并行處理和輔助設(shè)備設(shè)計。Al鋒ason 是英國南部桌面 v r 研究的先驅(qū), 他關(guān)注的不是佩戴設(shè)備, 而是良好的互動體驗(yàn)和視覺效果。許多學(xué)術(shù)界和業(yè)界的用戶, 如公司基于 PC486 系統(tǒng)開發(fā)的桌面系統(tǒng), 雖然 VR 是非沉浸式的, 即它不使用頭盔安裝的顯示器, 但與沉浸式系統(tǒng)相比, 視覺

14、效果和動態(tài)差質(zhì)量, 該系統(tǒng)可以提供高質(zhì)量的圖像和實(shí)時交互16, 17, 具有更大的市場優(yōu)勢。同時, 華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在新概念的研究中發(fā)揮著主導(dǎo)作用, 也在體驗(yàn)、感知、識別和運(yùn)營。在動態(tài)控制能力的研究中, 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育、設(shè)計、娛樂和制造等領(lǐng)域。波音公司的 V22 運(yùn)輸機(jī)在投入實(shí)際生產(chǎn)之前在實(shí)驗(yàn)室制造虛擬機(jī)18, 19。此外, 伊利諾伊州立大學(xué)還開發(fā)了一個分布式 VR 系統(tǒng), 以支持車輛設(shè)計方面的遠(yuǎn)程協(xié)作, 從而使不同的國家和地區(qū)能夠使用。在車輛設(shè)計過程中, 工程師可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時協(xié)作, 共享虛擬環(huán)境, 在生產(chǎn)系統(tǒng)中采用虛擬樣機(jī), 在生產(chǎn)前對產(chǎn)品進(jìn)行

15、估計和測試, 大大提高產(chǎn)品質(zhì)量,成功地減少了方案圖形的設(shè)計方案, 大大縮短了新產(chǎn)品上市時間20-22。加拿大對礦山安全生產(chǎn)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。MARARCO 公司建立的虛擬房地產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室 (VRL) 基于真實(shí)數(shù)據(jù)模擬采礦生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié), 包括可行性分析、設(shè)計、施工、竣工和采礦過程。它可以為礦山工程師和工程項(xiàng)目研究專家提供一個真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)礦山的安全數(shù)字化。選擇19。此外, 日本也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)的主要國家之一。在工業(yè)設(shè)計、大型虛擬現(xiàn)實(shí)知識庫、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等多個領(lǐng)域做了大量工作, 取得了良好的效果15-18。 1.3.2 國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)研究動態(tài)VR 技術(shù)在我國的引進(jìn)相對

16、較晚, 中外差距較大。然而, VR 技術(shù)的巨大應(yīng)用前景也引起了相關(guān)部門的關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)確實(shí)有廣泛的應(yīng)用。通過各種研究和分析, 可以看出, 國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)研究在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用主要是基于 CAD 軟件的虛擬系統(tǒng)研究 + 各種虛擬現(xiàn)實(shí)平臺。以下是利用不同平臺進(jìn)行開發(fā)的總結(jié): 2009年, 中國礦業(yè)大學(xué)構(gòu)建了一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架和人機(jī)交互平臺, 用于基于以下平臺的綜采支持。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件虛擬工具 4.0, 并詳細(xì)分析了各組件結(jié)構(gòu)的功能和實(shí)現(xiàn)方法。此外, 還分析了系統(tǒng)的通信原理, 通過編寫腳本模塊解決了虛擬平臺與 PLC 控制箱之間的通信問題。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與虛擬面板和實(shí)體按鈕之間的交互23。2011年, 寧芳

17、等人開發(fā)了一套基于 Maya 和 Virtools 軟件的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng), 用學(xué)和分析, 取得了良好的教學(xué)效果。這也減輕了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)的難度和較高的成本視覺效果是逼真和互動的。它突破了從底層開發(fā)虛擬發(fā)動機(jī)的長周期、高成本、高風(fēng)險的局限性。其次, 在虛擬工具軟件的基礎(chǔ)上, 北京礦業(yè)冶金研究所提出了一種開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的采礦漫游系統(tǒng)的方法。利用 3Dd Max 建模軟件建立了復(fù)雜多變模型, 并利用紋理映射創(chuàng)建了一個虛擬場景進(jìn)行挖掘。用戶可以自由漫步在礦區(qū), 這樣, 安全教育和現(xiàn)場教學(xué)為礦山員工25。2012年, 北京航天測試技術(shù)研究所的劉洋和張兵利用 Pro/engineer 軟件建立了液壓支

18、撐系統(tǒng)的實(shí)體模型, 并通過 3D max 建立了系統(tǒng)場景、測繪和渲染。最后, 他們引入了用于交互設(shè)計的虛擬工具平臺, 并提出了從機(jī)械 CAD 軟件到虛擬工具開發(fā)平臺的模型導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換的技術(shù)操作26。2016年, 解放軍后勤學(xué)院使用 Revit、草圖 up 和 3D max 軟件構(gòu)建了武器洞的三維模型?；诼沃械幕緢D形變換和實(shí)時位置顯示技術(shù), 發(fā)布了洞室工程維護(hù)與管理的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng), 解決了洞室缺乏直覺和實(shí)用性的問題。工程教學(xué)與培訓(xùn), 并實(shí)現(xiàn)了其功能。演示、虛擬漫游、虛擬建設(shè)、虛擬培訓(xùn)和評估等預(yù)設(shè)功能, 有效地提高了教學(xué)效果27。此外, 他們還使用虛擬工具平臺來實(shí)現(xiàn)一個虛擬漫游系統(tǒng)的營地規(guī)劃的

19、單位28。(2) 基于2013年的 OGRE 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺, 江西科技大學(xué)基于插件設(shè)計理念和 OGRE 引擎, 設(shè)計了一個虛擬場景瀏覽框架, 包括渲染端和控制端。操作信號輸入到計算機(jī)上, 計算機(jī)作用于虛擬環(huán)境。通過實(shí)時渲染處理結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建, 可以實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的準(zhǔn)確、快速交互29。2015年, 中國礦業(yè)大學(xué)根據(jù)數(shù)字礦山和 OGRE 發(fā)動機(jī)的原理, 建立了湖南省紫江煤礦三維可視化虛擬環(huán)境平臺。實(shí)現(xiàn)了煤礦在地面和礦井下工作狀態(tài)的真實(shí)有效反映。在此基礎(chǔ)上, 收集到的安全生產(chǎn)和運(yùn)營信息進(jìn)行了收集和分析, 以解難和施工管理過程中收集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,理提供了有效的技術(shù)支持。2016年, 中國礦業(yè)大學(xué)通過 O

20、GRE 虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺自主開發(fā)了爆破三維可視化系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)的二維和可視化設(shè)計。爆破聯(lián)動顯示、爆破孔布置和拉拔, 預(yù)測爆破效果, 簡化了爆破設(shè)計人員的設(shè)計工作, 降低了勞動強(qiáng)度, 提高了爆破設(shè)計和采礦的精度。數(shù)字化的程度31。基于2014年的 unity 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺, 山東科技大學(xué)引入了 Unity 3D 與 3D max 相結(jié)合的方法, 實(shí)現(xiàn)了船舶液壓系統(tǒng)的三維虛擬顯示, 解決了使用中存在的問題。半部分, 以實(shí)現(xiàn)之前的系統(tǒng)。在用三維最大值建模的過程中, 采用了輕量級建模方法, 使模型更加具體, 然后采用 Java 腳本對模型進(jìn)行了編譯。該腳本設(shè)計了基本動作, 更直觀、更生動地顯示了船

21、舶的液壓系統(tǒng)。1.3.3 目前研究存在問題及不足通過對虛擬現(xiàn)實(shí)在國內(nèi)外一般領(lǐng)域和煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的研究, 可以發(fā)現(xiàn), 盡管高校和各界學(xué)者積極探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 取得了一些成績結(jié)果表明, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理解和應(yīng)用仍處于概念或初步應(yīng)用階段。大多數(shù)的研究和使用不涉及更深入的技術(shù)研究。主要問題總結(jié)如下:如何模擬虛擬現(xiàn)實(shí)中目標(biāo)對象的真實(shí)運(yùn)動, 是開發(fā)人員和硬件制造商面臨的一大問題。對于一些具有精確運(yùn)動的嚴(yán)肅虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的開發(fā), 許多設(shè)計師根據(jù)自己的想象或經(jīng)驗(yàn)積累來模擬目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動, 但這仍然不是完全正確的。第二章 切水果工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 引言由于切果面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)是一個非常

22、復(fù)雜的系統(tǒng), 在開發(fā)該系統(tǒng)之前, 首先要明確系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。然后, 通過對用戶需求和用戶心理的研究, 對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體闡述。在對現(xiàn)有綜采工作面現(xiàn)場進(jìn)行觀測和體驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 設(shè)計了該系統(tǒng)。對單體和系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論和分析, 最后確定了綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計方案。2.2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ), 結(jié)合了綜采工作面各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)。提出了滿足虛擬漫游要求的綜采工作面場地設(shè)計方案。該系統(tǒng)可為煤礦開采、技術(shù)培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、事故模擬等提供技術(shù)支持和理論支持。根據(jù)系統(tǒng)需求分析, 綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)如下: 建立綜采工作面全景漫游的虛擬環(huán)

23、境, 實(shí)現(xiàn)逼真的設(shè)備狀態(tài)、場景效果、照明和繪圖處理, 使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的沉浸感和現(xiàn)實(shí)性。根據(jù)綜采工作面成套設(shè)備的實(shí)際布局和尺寸, 根據(jù)不同的需要, 利用 UG 和 3D Max 建立準(zhǔn)確的模型漫游仿真要求, 并進(jìn)行映射渲染。建立了綜采工作面虛擬場景, 并將其引入 Unity 3D 系統(tǒng)的開發(fā)工具, 實(shí)現(xiàn)了礦工的漫游功能。實(shí)現(xiàn)了綜采工作面三臺綜采機(jī) (包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架) 等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)動仿真, 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單機(jī)的協(xié)同運(yùn)行。發(fā)動機(jī)運(yùn)動。建立真正的環(huán)境粒子系統(tǒng)。主要是煤炭墜落和運(yùn)輸?shù)挠绊憽?shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)計。它包括場景漫游的特點(diǎn)、設(shè)備信息點(diǎn)的提示、設(shè)備的介紹、采煤機(jī)的虛擬操作

24、以及采煤機(jī)控制接口的完整 UI 交互設(shè)計。為了提高漫游體驗(yàn)的完整性, 在整個系統(tǒng)的漫游過程中增加了環(huán)境聲音、設(shè)備引入聲音和操作聲音。2.3 用戶需求與用戶心理分析用戶體驗(yàn)涵蓋了用戶與產(chǎn)品交互的所有方面, 包括用戶感知、產(chǎn)品理解、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)品及其使用環(huán)境的適應(yīng)性。為了完成一個完整的漫游體驗(yàn)系統(tǒng), 首要任務(wù)是分析和研究用戶的需求和心理, 充分了解用戶的需求, 然后實(shí)現(xiàn)用戶的想法、感受、期望, 從而使用戶體驗(yàn)更豐富。滿意和完整。2.3.1 用戶需求分析在確定系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)的基礎(chǔ)上, 采用問卷調(diào)查的方法, 獲取并分析了用戶的需求, 最后形成了用戶需求分析報告。隨函附上調(diào)查表。總結(jié)用戶群體的需求, 主要

25、需要如下: 漫游體驗(yàn)需要系統(tǒng)的主要用戶群定位由于缺乏地下工作經(jīng)驗(yàn), 地下設(shè)備的操作不是熟練的新礦工。他們對系統(tǒng)最重要的要求是滿足他們在虛擬環(huán)境中漫游和體驗(yàn)地下工作環(huán)境的需求。由于實(shí)現(xiàn)這一要求, 可以保證今后地下實(shí)際運(yùn)行的安全, 提高安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。操作學(xué)習(xí)需要當(dāng)?shù)V工充分體驗(yàn)整個綜采工作面的漫游系統(tǒng)時, 他們不再滿足于僅僅了解其工作和運(yùn)行情況, 而是希望在實(shí)際中進(jìn)一步操作機(jī)械設(shè)備工作面, 了解其工作原理和方法, 為下一步進(jìn)入地下實(shí)際運(yùn)行奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。人機(jī)交互需要操作學(xué)習(xí), 其潛在需求是人機(jī)交互的需求。要很好地模擬用戶的機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行, 就必須實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)操作體驗(yàn)。設(shè)備上的許多操作按鈕和操

26、作顯示將是在 UI 界面中測試整個系統(tǒng)的完整性和體驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。真正的沉浸式系統(tǒng)需要這個系統(tǒng)是一個基于虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游系統(tǒng), 所以漫游過程中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)該非常突出。在問卷調(diào)查中, 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)用戶想要體驗(yàn)的是真正的地下工作條件, 以避免今后再次學(xué)習(xí)的麻煩。因此, 我們應(yīng)該反映虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感, 即增加視覺、聽覺、觸覺等感官體驗(yàn)。2.3.2 用戶心理分析用戶心理是指用戶心目中存在的關(guān)于產(chǎn)品應(yīng)該具備的概念和行為的知識。這些知識可能來自用戶使用類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn), 也可能來自于用戶對產(chǎn)品概念和行為的期望, 這些都是基于使用產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。(1) 建立良好的視覺規(guī)范和交互設(shè)計規(guī)范, 當(dāng)用戶體驗(yàn)產(chǎn)品時, 其顏色、

27、大小和形狀都被感知到視覺體驗(yàn), 這受他人或以往體驗(yàn)的影響較小, 因此良好的設(shè)計必須牢牢把握用戶的心理學(xué)在經(jīng)驗(yàn)的開始。但不同的產(chǎn)品, 由于其娛樂或嚴(yán)肅性的差異, 設(shè)計規(guī)范也不同。此外, 不同的行業(yè)有不同的需求, 因此逐步形成符合自己企業(yè)的視覺和交互設(shè)計規(guī)范是非常重要的。(2) 在使用復(fù)雜產(chǎn)品的過程中, 建立基于 拋光法 的用戶心理模型, 用戶往往以自己的方式了解產(chǎn)品, 這可能與產(chǎn)品的實(shí)際工作原理完全不同。用戶可以通過自己的理解正確預(yù)測產(chǎn)品的使用效果, 這就是互動設(shè)計中的 拋光法。因此, 我們可以建立用戶的心理模型, 對改進(jìn)產(chǎn)品使用方法和功能產(chǎn)生積極影響。(3) 以知識連續(xù)性和繼承為重點(diǎn)的產(chǎn)品的設(shè)

28、計和開發(fā)是一個迭代和細(xì)化的過程。所有新產(chǎn)品都與以前的產(chǎn)品相關(guān), 但不完全相同。一個好的產(chǎn)品應(yīng)該在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新, 這不僅延續(xù)了用戶的操作習(xí)慣, 繼承了以前的操作行為, 還能使用戶獲得更好的使用體驗(yàn)。2.4 開發(fā)平臺及環(huán)境的選擇虛擬系統(tǒng)的建立, 首先建立了計算機(jī)輔助設(shè)計相關(guān)軟件下的實(shí)體模型和場景, 然后完成了映射和渲染處理, 然后進(jìn)一步導(dǎo)入了基于各種游戲引擎的軟件, 如用于運(yùn)動仿真和人機(jī)交互設(shè)計的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺。近年來, 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 建立人機(jī)集成和多維信息交互的仿真模型和仿真環(huán)境成為可能。然而, 由于關(guān)鍵技術(shù)的局限性, 主流虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸暴露了許多棘手的問題, 如粗糙的

29、畫面、速度慢、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交互性差和可移植性差。因此, 利用游戲引擎技術(shù)研究機(jī)械運(yùn)動仿真具有重要意義 31。目前, UG、probe、3D Max 和 Quest 是國內(nèi)流行的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件。不同的軟件可以完成模型精度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接的不同。在本主題的設(shè)計過程中, UG 和 3D Max 主要用于相互設(shè)計?？紤]到 UG 主要適用于大型汽車、飛機(jī)等, 以構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)字模型, 而 probe 則主要適用于中小企業(yè)快速構(gòu)建相對簡單的數(shù)字模型。根據(jù)礦山機(jī)械精度的需要, 大多數(shù)需要仿真功能的設(shè)備選擇 UG 建模。3D max 的性能在三維效果的表現(xiàn)上是突出的, 目前的使用比較成熟, 各種數(shù)據(jù)也比較多

30、, 所以在場景的建立、映射和渲染中選擇了3D 最大值。目前, 虛擬工具、OGRE 和 Unity 3D 是最受歡迎的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺。由于不同的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺具有不同的特點(diǎn), 在虛擬現(xiàn)實(shí)建模的方向上也有不同的特點(diǎn)。現(xiàn)在我們通過比較方法來考慮上面提到的開發(fā)平臺, 然后選擇合適的平臺來開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng), 如表2-1 所示：表 2-1 開發(fā)平臺對比本研究的目的主要是應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)場景的全景建模和漫游方向。它需要簡單和直觀的編輯。同時, 我們希望該系統(tǒng)能夠與平臺分離, 進(jìn)而盡可能降低研發(fā)成本, 具有更好的用戶體驗(yàn)。它也是三維虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展最先進(jìn)的技術(shù), 是一個綜合性、綜合性的專業(yè)。行業(yè)游戲引擎是開發(fā)系統(tǒng)、

31、完成虛擬現(xiàn)實(shí)漫游的最佳選擇。因此, 選擇 Unity 3D 高級渲染引擎, 在綜采工作面開發(fā)全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)。構(gòu)建漫游系統(tǒng)還有一個重要任務(wù), 那就是選擇開發(fā)環(huán)境。經(jīng)過多次取證和研究, 以下是系統(tǒng)開發(fā)決定使用的開發(fā)環(huán)境: 操作系統(tǒng): Windows 8開發(fā)語言: C#, JS 集成開發(fā)環(huán)境: Mono 開發(fā)接口生產(chǎn)軟件: Photoshop CC 2017 建模軟件: 3D 最大值, UG10.0 (6) 引擎選擇: Unity-3d 5.5.4。2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5.1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖 2-1 開發(fā)流程示意圖2.5.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)全機(jī)械化切水果工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系

32、統(tǒng)主要由兩個部分組成: 虛擬現(xiàn)實(shí)模型平臺的建立。首先, 完成了工作場景的布局設(shè)計, 然后根據(jù)現(xiàn)場布局建立了設(shè)備模型。根據(jù)不同的需求, 采用 ug 和 3D Max 進(jìn)行設(shè)備建模。由于有些設(shè)備需要模擬, 并且組件之間的關(guān)系需要是父子關(guān)系, 因此使用 UG 進(jìn)行建模;有些設(shè)備只是靜止在場景中, 只需要實(shí)現(xiàn)一般的外觀, 所以 3D Max 用于建模。生成模型后, 所有文件都將導(dǎo)出到 FBX 格式, 并最終導(dǎo)入到 Unity-3d 中。建立設(shè)備運(yùn)動仿真和礦工漫游。模型平臺建立后, 分別在 Unity-3d 中實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)的運(yùn)動仿真。在此基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)了三臺機(jī)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動仿真。2.

33、5.3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)經(jīng)過分析, 全機(jī)械化切水果工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2-3 所示。其三機(jī)運(yùn)動仿真包括完成采煤機(jī)運(yùn)動仿真、液壓支架運(yùn)動仿真、刮板輸送機(jī)運(yùn)動仿真等運(yùn)動仿真和三機(jī)協(xié)同運(yùn)動仿真;設(shè)備信息介紹, 完成綜采工作面各設(shè)備的主要類型和功能;環(huán)境效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)整個環(huán)境的真實(shí)性, 增加用戶的沉浸感, 包括音效。粒子效應(yīng)和運(yùn)動效應(yīng);礦工漫游是整個系統(tǒng)的用戶視角, 體驗(yàn)者可以在整個綜采工作面的可行區(qū)域漫游;采煤機(jī)的 UI 操作是用戶交互體驗(yàn)的一個重要例子, 可以為進(jìn)一步完成礦工系統(tǒng)培訓(xùn)奠定良好的基礎(chǔ)。圖 2-3 功能結(jié)構(gòu)圖功能目標(biāo)是基于 Unity 3D 引擎的高仿真系統(tǒng), 它可以對礦

34、工進(jìn)行培訓(xùn)、訓(xùn)練安全和模擬事故。通過功能結(jié)構(gòu), 我們可以分析主要完成的主要功能包括以下五個方面: (1) 采煤機(jī), 液壓支架, 刮板輸送機(jī)單模擬運(yùn)動和三個協(xié)調(diào)模擬運(yùn)動: 通過對設(shè)備進(jìn)行動態(tài)分析, 建立數(shù)學(xué)模型, 實(shí)現(xiàn)設(shè)備各部件的平移和旋轉(zhuǎn), 在煤礦工況下完成運(yùn)行運(yùn)行。(2) 設(shè)備的三維顯示和信息介紹: 建立設(shè)備的三維虛擬模型, 建立其中建立的關(guān)鍵設(shè)備的信息點(diǎn)提示。當(dāng)用戶來到關(guān)鍵機(jī)器設(shè)備的前面時, 如果他們想了解設(shè)備的相關(guān)知識, 點(diǎn)擊信息點(diǎn)提示按鈕, 就會介紹機(jī)器的主要類型和功能。(3) 礦工漫游: 用戶可以在綜采工作面可行的可行區(qū)域自由行走, 對整個綜采環(huán)境產(chǎn)生具體直觀的印象, 實(shí)現(xiàn)礦工對工作

35、面環(huán)境的全面了解。(4) 環(huán)境影響: 環(huán)境影響包括聲音效應(yīng)、粒子效應(yīng)和運(yùn)動效應(yīng)。這些特效的整體實(shí)現(xiàn), 可以增強(qiáng)整個環(huán)境的真實(shí)性, 讓用戶對其感覺更加真實(shí)。(5) 人機(jī)交互: 本系統(tǒng)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的 UI 操作。通過操作, 用戶熟悉了采煤機(jī)的功能。以此為例, 為今后礦工的安全教育和技術(shù)培訓(xùn)提供了安全可靠的學(xué)習(xí)模式。通過實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)的功能, 相關(guān)人員可以了解綜采工作面的整體結(jié)構(gòu), 了解設(shè)備信息, 為用戶提供自由漫游的直觀感覺。它;建立綜采工作面的整體環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的三維虛擬顯示和運(yùn)動仿真;同時, 基于相互作用理論, 對綜采設(shè)備進(jìn)行了分析。深入設(shè)計人機(jī)交互, 使用戶能夠全面、真實(shí)地

36、體驗(yàn)綜采工作面的整個生產(chǎn)過程, 為煤礦安全教育和技術(shù)培訓(xùn)提供安全、綠色、可靠的手段企業(yè)和其他單位。第三章 結(jié)論在實(shí)現(xiàn)工作面全景虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)之前, 首先確定了該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo), 然后通過對用戶需求和心理的分析, 選擇了開發(fā)平臺和環(huán)境,介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 詳細(xì)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié), 并在此基礎(chǔ)上確定了系統(tǒng)的功能, 進(jìn)而確定了全景的基本要求。實(shí)現(xiàn)了綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng), 為該系統(tǒng)的研發(fā)做了充分的準(zhǔn)備。本文收集了相關(guān)信息, 了解了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外一般領(lǐng)域和煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀, 并進(jìn)行了總結(jié)。通過分析, 找出了傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用中存在的問題, 確定了

37、本課題的研究方向。通過確定系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和確定系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo), 對漫游系統(tǒng)的開發(fā)過程、整個系統(tǒng)和功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計。致 謝時光飛逝，終于到了論文定稿的這一刻。雖然文章顯得有些粗糙，但畢竟凝聚了自己的心血，在此謹(jǐn)向曾經(jīng)關(guān)心、幫助、支持和鼓勵我的老師、同事、同學(xué)、親人和朋友們致以最誠摯的謝意和最衷心的祝福衷心感謝我的導(dǎo)師謝鐵兔。老師對我兩年來的學(xué)習(xí)、生活給予了悉心的關(guān)懷，在本論文的開題、寫作、修改、定稿方面更是給予了悉心指導(dǎo)和匠心點(diǎn)撥，論文凝結(jié)著導(dǎo)師的汗水和心血。在這兩年多的學(xué)習(xí)和生活過程中，我要向老師們表示衷心的感謝是他們給了我熱情的關(guān)懷、支持和幫助，使我得以順利完成學(xué)業(yè)。同時，衷心感謝我

38、的父母、家人以及和我一起學(xué)習(xí)的各位同學(xué)，是他們在我學(xué)習(xí)和論文寫作過程中，給予我了莫大的支持和鼓勵。最后，再一次感謝所有關(guān)心和支持我的人們，我一定會用所學(xué)知識更好地做好本職工作來報答你們。參考文獻(xiàn)1 Mei Li，Jingzhu Chen，Wei Xiong，et alVRLane：a Desktop Virtual Safety ManagementProgram for Underground Coal MineCInstitute of Remote Sensing and GeographicInformation System，Peking University，Beijing，PRC

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