計算機仿真技術-虛擬現(xiàn)實技術.ppt

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計算機仿真技術 一初級仿真二虛擬現(xiàn)實技術1虛擬現(xiàn)實技術起源2虛擬現(xiàn)實技術特征3虛擬現(xiàn)實技術種類4虛擬現(xiàn)實技術應用5虛擬現(xiàn)實技術在煤礦中的應用6虛擬現(xiàn)實技術在煤礦安全培訓中的應用7虛擬現(xiàn)實技術在煤礦應用中的不足 一初級仿真 1理論再現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有的理論公式或理論基礎對事物運動變化的實質進行簡化 突出某些方面因素的作用 并通過計算機技術將這些現(xiàn)象表現(xiàn)出來達到視覺效果 2理論 實際抽象采用目前已經(jīng)形成的一些計算軟件 通過對實體間的力學聯(lián)系來對一些采礦現(xiàn)象進行仿真模擬 離散元模擬程序UDEC煤層開采過程中水平為一變化情況 有限元模擬軟件FLAC模擬切眼支護 RFPA分析煤層開采覆巖運動情況 二虛擬現(xiàn)實技術 1虛擬現(xiàn)實技術起源及特征虛擬現(xiàn)實技術的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IEIP會議上所作的題 TheUltimateDisplay 的報告 他指出 人們可以把顯示屏當作一個窗戶來觀察一虛擬世界 其挑戰(zhàn)性就在于窗口中的圖像必須看起來真實 而且其中物體的行為也很真 1989年美國VPLResearch公司的JaronLanier提出虛擬現(xiàn)實 VirtualReality VR 又稱為虛擬環(huán)境 Viriua1Environment VE 二虛擬現(xiàn)實技術 2虛擬現(xiàn)實技術特征虛擬現(xiàn)實涉及計算機圖形學 圖象處理 多媒體技術 人機交互 傳感器技術 人工智能 仿真技術 并行實時計算技術 人體工程學 及心理學等多門學科 其目的是以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界 在視 聽 觸 嗅等感知行為的逼真體驗中 使參與者可以直接參與和探索虛擬對象在所處環(huán)境中的作用和變化產(chǎn)生沉浸感 VR的3個特征 1 沉浸感 2 交互性 3 構想性 二虛擬現(xiàn)實技術 3虛擬現(xiàn)實技術種類 1 桌面虛擬現(xiàn)實 2 沉浸式虛擬現(xiàn)實 3 增強現(xiàn)實技術 二虛擬現(xiàn)實技術 4虛擬現(xiàn)實技術的應用20世紀80年代中后期 虛擬現(xiàn)實技術己經(jīng)開始走出實驗室 進入實際的應階段 并在軍事 航天航空 醫(yī)療等領域發(fā)揮了重要的作用 l 醫(yī)療中的應用虛擬解剖訓練系統(tǒng) 外科手術模擬系統(tǒng) 遙控手術手功能診斷 虛擬訓練機 輪椅虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等 2 娛樂 藝術和教育上的應用采用頭盔顯示器的娛樂系統(tǒng) 虛擬演員 虛擬博物館 虛擬音樂等 二虛擬現(xiàn)實技術 3 軍事與航空航天領域的應用坦克訓練網(wǎng)絡SIMNET 虛擬毒刺導彈訓練系統(tǒng) 反潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)ASW等 以及在航空航天上的NASA虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng) EVA訓練系統(tǒng)及虛擬座艙等系統(tǒng) 4 商業(yè)中的應用證券交易可視化系統(tǒng) 燈飾可視化系統(tǒng) 5 自動控制與制造業(yè)領域的應用處于早期的研究和開發(fā)階段 主要的有機器人輔助設計 脫機編程仿真機器人 遠程操作等 二虛擬現(xiàn)實技術 5虛擬現(xiàn)實在煤礦領域的應用與這些領域相比 煤炭企由于資金等條件的限制 虛擬現(xiàn)實技術應用研究顯得比較滯后 一直沒有能夠得到人們重視 直到20世紀90年代后期 隨著煤炭行業(yè)信息化進程的日益加快 國內(nèi)外的研究人員才逐漸認識到虛擬現(xiàn)實技術應用于煤炭行業(yè)的重要性 并在理論和實際應用方面做了探索性的研究 主要體現(xiàn)在 l 礦井規(guī)劃 設計與輔助決策 該虛擬煤礦模型將深度轉換的3D地震反射表面 與透明顯示的煤層底板 礦井模型 鉆孔資料 工作面和斷層情況充分集成 表達了地質結構與地層的斷裂情況 用戶在沿著主坐標軸移動時地震情況能自動顯示在界面上 二虛擬現(xiàn)實技術 2 井下作業(yè)模擬與設備操作訓練VR創(chuàng)造出的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真 交互的特點 可以模擬采礦作業(yè)過程和空間環(huán)境 適于井下作業(yè)模擬與虛擬培訓 可用于工作場所與設備空間的布局規(guī)劃 且滿足于現(xiàn)場操作人員的技術培訓工作 系統(tǒng)提供了靈活的用戶界面 可以設定設備型號及數(shù)量 作業(yè)參數(shù) 也可選擇煤柱尺寸 回采巷道的數(shù)量和幾何參數(shù)等 而且可動態(tài)顯示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖 還可以通過對不同型號設備 不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進行動態(tài)模擬 從而達到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的 二虛擬現(xiàn)實技術 3 井下環(huán)境風險評估風險評估目前已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理的重要工作 其主要內(nèi)容是評價人員對生產(chǎn)過程安全狀況的辨識 然而 識別井下復雜環(huán)境下的所有因素是困難的 常常會影響到風險分析的結果 甚至可能導致人為的失誤 造成災難性后果 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展為風險評價提供了有效的手段 在計算機生成的虛擬環(huán)境中 可以交互式地對作業(yè)空間進行多角度觀測 實現(xiàn)對生產(chǎn)過程更加科學的評估 礦工的上衣顏色作為風險標度 顯示了虛擬環(huán)境的風險狀態(tài) 顯示了虛擬環(huán)境的風險狀態(tài) 二虛擬現(xiàn)實技術 4 事故調查與分析在計算機里再現(xiàn)事故發(fā)生的過程 事故調查者可以從各種角度去觀測 析事故發(fā)生的經(jīng)過 找出事故發(fā)生的原因 包括系統(tǒng)設計原因和現(xiàn)場人員的動作行為 同時可以通過交互式地改變VR環(huán)境中模型的參數(shù)或狀態(tài) 找到如何避免類似事故發(fā)生的途徑 制定相關預防措施 二虛擬現(xiàn)實技術 5 安全監(jiān)察與危險識別通過基于VR的安全監(jiān)察與危險識別訓練系統(tǒng) 訓練者在VR生成的虛擬作業(yè)現(xiàn)場導航 對各種動態(tài)目標和靜態(tài)對象進行觀察 以識別潛在的危險 風險和行為 一經(jīng)發(fā)現(xiàn)危險源 使用者必須回答一系列相關問題 選擇出正確的危險處理方法 實現(xiàn)訓練目標 諾丁漢大學開發(fā)的SAEF VR系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實在安全監(jiān)察與危險識別中的典型應用之一 參加訓練者可以在虛擬場景中按頂板支護規(guī)程監(jiān)察頂板的狀態(tài) 發(fā)現(xiàn)潛在的危險 如不正確安裝的螺栓 不正確的支架間距 滲水等 參訓者可在不同操作狀態(tài)下對設備的各個部分和環(huán)境進行多種情形下的檢驗 當參加培訓者進入不正確的位置或進行不正確操作時 危險就會發(fā)生 二虛擬現(xiàn)實技術 6 礦井火災 瓦斯等事故仿真通過模擬真實的礦井作業(yè)環(huán)境 并結合通風網(wǎng)絡分析和CFD模擬的結果 可以逼真地展示出火災或爆炸發(fā)生的動態(tài)過程除了模擬煙火彌漫狀況外 還可通過人機交互作用顯示出人為因素 如反風 滅火措施等對整個通風網(wǎng)絡的影響 在礦井的某些位置 可以對火災或爆炸進行模擬 并隨之產(chǎn)生有關環(huán)境參數(shù)的各種變化 巷道火災 跑車事故 二虛擬現(xiàn)實技術 6在礦山安全培訓方面VRCoal主要用于采煤機的操作培訓 可構建較真實的采煤環(huán)境 為用戶提供了采煤機 梭式礦車 采煤工作面 煤層 煤層頂?shù)装宓娜S模型 另外 可為用戶提供了聲音效果 這些聲音是在真實的采礦環(huán)境中錄制的 并進行了混音處理 可使用戶按照真的操作面板對采煤機進行虛擬控制 如采煤機的前進 后退 對齊煤層 裝車等 當采煤機遇到不同巖性的巖石時 采煤速度會自動改變 如遇到焦變煤時會加速 遇到巖石時會減速等 VRCoal可以保存學員的培訓日志 供教員在評估培訓效果時參考 以決定該員是否達到培訓要求 二虛擬現(xiàn)實技術 SafeVR是英國諾丁漢大學AIMS研究所的研究人員開發(fā)的安全培訓VR軟件包 可訓練學員正確判斷險情并作相應的處理 用戶可以讓學員指出一種險情并選擇最佳的解決方案 用戶可以定義自己列表并創(chuàng)建一種險情 用戶還可為每一類對象關聯(lián)聲音 聲音是根據(jù)情的存在與否而定的 如管道泄露時會發(fā)出 世噬 的響聲 使用鍵盤 鼠標 或者操縱桿操作 可用鼠標或觸摸屏來排查險情 系統(tǒng)提供培訓課程的全面總結 學員可以看到所有他所遺漏的險情 并可以讓程序給出它們的位置 對于每一個險情 都有附加的文件與其相關聯(lián) 當學員要求得到任險情的其它信息時 不同的多媒體文件 聲音 錄像 文本等 甚至其它的應用程序 能夠自動地顯示或打開 二虛擬現(xiàn)實技術 VROOM是AIMS的研究人員開發(fā)的另一個軟件 主要用于礦山機械設備的操作培訓方面 如采掘機的使用 拖車的實時駕駛等 包含大量的虛擬礦山模型 如礦山表面紋理 卡車 托運線路 鉆機 推土機 索斗鏟 維修車 礦山工人等 以便完成虛擬環(huán)境的創(chuàng)建 VROOM具有如下功能 可以導入數(shù)字高程模型或者地表和地下礦坑的線框模型 用真實的地表紋理選擇性地繪制地表 從三維對象庫中添加植被或礦山地形 導入或者數(shù)字化道路 并可添加活動物體 如拖車 推土機等 設置交通工具的屬性 為固定的視點位置設定坐標 完成了虛擬環(huán)境建模 用戶便可進入虛擬環(huán)境 在地表或地下飛行 行走或者駕駛車輛 用戶可以使用鍵 鼠標或者操縱桿來操縱方向 在與其它車輛相遇時 還會有逼真的聲音效果 二虛擬現(xiàn)實技術 7虛擬技術在煤礦中應用的不足 1 目前國內(nèi)外煤礦VR系統(tǒng)中 著重于虛擬環(huán)境圖形信息的幾何表達 基本未著重考慮虛擬環(huán)境的智能性問題 2 大多數(shù)場景中的物體是靜態(tài)的 被動的 無生命的 還缺少對井下作業(yè)人員 運輸車輛等高級實體的行為建模與研究 不能表現(xiàn)高級實體在環(huán)境中的行為方式及其與虛擬環(huán)境的交互作用 3 缺少對井下物理環(huán)境的逼真表達與模擬方法 或者使用了過于簡單的自然環(huán)境模型 造成虛擬環(huán)境與真實世界有較大差異 嚴重制約了VR系統(tǒng)的應用價值