煤矿场景虚拟建模的研究与分析

摘要

安全是煤矿进行正常开采和矿工生命安全的重要保障。近年来，政府虽然加大了在煤矿安全生产方面的投入，但因为煤矿生产属于地下工作，环境封闭、空间结构复杂，时刻都充满着不可预知性。因此，煤矿行业的发展始终受到煤矿事故的严重制约。利用VR技术开发的煤矿培训系统，能够对煤矿生产环境及不同的煤矿安全事故进行模拟仿真，为矿工提供了一种全新的安全生产培训模式。
　　本文将VR技术应用到煤矿培训系统的开发，对系统开发过程中涉及到的VR理论和关键技术进行了讨论和研究，结合系统开发工具3Ds Max和virtools模拟出了矿井虚拟环境，并初步实现了煤矿培训系统的部分功能。具体工作如下：
　　（1）对煤矿进行实地考察，收集井下相关资料和数据，了解煤矿作业环境和生产流程。依据当前VR技术在煤矿方面的应用及研究状况，确定本文所要研究的主要内容。
　　（2）根据虚拟煤矿培训系统的功能和需求，对系统进行结构设计。详细阐述系统设计步骤，通过对系统的全局分析得出了仿真系统的整体组织构成，对各个功能模块展开详细设计。在系统考核方面本文提出了一种寓教于乐的全新考核模式。
　　（3）本文提出了“中线加载断面”的巷道建模方法，对巷道截面的建模算法进行优化，重点研究了两巷道、三巷道交汇处的建模算法及巷道交汇出的平滑处理。最后运用3ds Max建模技术生成巷道模型。
　　（4）研究了虚拟人物的建模的基本理论和方法，采用3ds Max多边形建模技术创建人物几何模型，将3ds Max与Pro/E相结合对井下采煤机、液压支架等生产设备进行模型创建，实现了井下设备的模型仿真。
　　（5）运用Virtools技术实现虚拟煤矿系统中虚拟人物的控制、不同视角摄像机的控制、场景的三维漫游等功能。结合包围盒碰撞检测法实现虚拟场景中对象的碰撞检测。

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第一章 绪论

1.1选题的背景及理论意义

1.2课题内容的国内外研究现状

1.3本文内容组织结构

第二章 虚拟现实理论及关键技术

2.1虚拟现实技术概述

2.2虚拟现实系统的特点及分类

2.3虚拟现实系统的构成

2.4虚拟现实关键技术

2.5本章小结

第三章 煤矿培训系统的设计

3.1系统开发工具的选择

3.2系统功能

3.3系统设计流程

3.4系统整体设计

3.5系统模块设计

3.6本章小结

第四章 煤矿巷道建模及算法实现

4.1巷道建模数据源及特点

4.2巷道三维网络拓扑

4.3巷道建模算法

4.4本章小结

第五章 虚拟人物及井下设备建模

5.1虚拟人物几何建模技术

5.2虚拟人物模型建立

5.3综采设备建模

5.4其他设备几何模型创建

5.5本章小结

第六章 煤矿培训系统的实现

6.1虚拟场景合成

6.2漫游实现

6.3碰撞检测的实现

6.4系统发布

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果