浅析Unity3d应用于煤矿虚拟教学

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[摘 要]本文首先介绍了虚拟现实技术的基本特征及其关键技术，基于unity3d平台，在虚拟现实技术的基础上，实现煤矿生产中的设备的展示，开发出数据精准、表现力强、交互性强的设备模型展示应用系统。通过搭建一个跨越时空局限性的具有很好的三维展示和互动功能的交流互动平台，实现设备设计与操作者的信息交流，以实现煤矿虚拟现实系统在煤矿信息化发展战略中的重要意义。

[关键词]Unity3d 虚拟现实 煤矿 虚拟教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0247-01

1、引言

虚拟现实是利用计算机技术产生一个三维空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以实时、全方位地观察三维空间内的事物并实现交互。运用Unity3d引擎，可以通过三维建模或三维动画软件如3ds Max、maya等软件建模和完成材质贴图，然后导入到工程文件夹Assets目录下，仿照现实环境，通过调整模型在场景中的坐标（Position）、旋转（Rotation）、缩放比例（Scale）以及动画（Animation）等参数，按一定比例真实模拟现实环境中的场景。在构成的场景基础上，通过添加灯光、声音、相机以及碰撞检测等组件，结合javascript和C#语言面向对象编程实现用户交互，控制场景中的三维模型、声音以及相机等实现复杂过程的模拟。

2、Unity3d在教学中的应用

2.1 科学研究

应用Unity3d基于真实矿井数据建立虚拟数字模型，通过附加真实数据，为冲击地压、煤与瓦斯突出的研究与预警提供可靠依据。搭建矿井通风网络模型，利用矿井中的传感器的监测数据和Uinty3d强大的GUI和NGUI交互界面实时、动态的显示矿井内通风情况与瓦斯浓度。通过Unity3d中的物理引擎进行岩石力学性质的模拟测试等等。

2.2 虚拟学习环境

Unity3d引擎能够为学习者提供生动、逼真、可视化的学习环境，如液压支架推移、回采工艺、露天矿卡车调度过程演示等，在有限的教学环境下提供跨越时间和空间的虚拟体验，从而提高学习者的自觉能动性，

2.3 虚拟实验室

利用Unity3d引擎和采矿工程技术，可以建立一套完全沉浸式煤矿虚拟现实实验室。在虚拟实验室中，学习者既可以在虚拟矿井中学习矿山知识，又可自主设计矿井，有利于培养操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学习者更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。系统采用网络结构，分为客户端和服务器端软件，实验模型与数据等上传至服务器，便于日后的内容添加，系统升级，维护等。

2.4 技能训练

系统以煤矿的真实工作环境为依据，以虚拟建模的方式建立一个与其完全相同的数字化虚拟煤矿，使学习者在系统中行走、工作的感受与在井下工作近乎完全相同，极大提高煤矿安全培训、岗位培训的真实感，如：入井安全培训、采煤机司机岗位培训、井下紧急避险培训和应急救援及安全避灾训练等等。对井下工人进行上岗前的操作及安全教育培训，如虚拟井下的各种工况及险情，使被训练者身临其境地去体验，并学会采取有效的应急措施去处理各种险情，使每一名下井的人员都清楚矿井的结构和逃生技巧，消除事故隐患。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学习者能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。由于虚拟的训练系统无任何危险，学习者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。

3、应用在教学中的优势

3.1 节省成本

通常采矿工程学习者由于设备、场地、经费以及安全等硬件的限制，无法进入真实的矿井中学习知识与训练技能。而利用虚拟现实系统，学习者在学校中就可以学习各种技能，获得与真实矿井中一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。

3.2 规避风险

煤矿培训中的一些真实训练或操作通常会带来各种危险，利用Unity3d开发的虚拟现实系统进行虚拟实验，学习者在虚拟矿井环境中，可以放心地去做各种危险的模拟。

3.3 打破空间和时间的限制

利用虚拟现实技术，可以彻底打破时间与空间的限制。从矿山外部到矿井内部再到综采工作面，学习者可以观察整个矿山的分布情况。煤层顶板应力的变化等在短时间内不易观察的现象，通过Unity3d引擎，可以在很短的时间内呈现给学习者观察。

4、结语

利用Unity3d引擎和虚拟现实技术创造出的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点，可以直观模拟采矿环境及其作业过程，供采矿工程专业的学生实习，这样既可以降低实习费用，又可缩短教学时间，让更多的人接受高等教育。Unity3d应用于煤矿虚拟教学能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和内容，使学习者更直观、更容易了解煤矿知识和训练技能。

参考文献

[1]宣雨松，Unity 3D游戏开发，人民邮电出版社，2012.6

[2]吴立新，数字矿山技术，中南大学出版社，2009.11

[3]张茂军，虚拟现实系统，科学出版社，2003.8