VR交互式三维虚拟起重装备建模与仿真

起重机作为广泛应用的特种装备,运行危险性大,极易发生安全事故。为降低由操作不当引起的安全事故,国家高度重视起重机的安全培训工作。目前培训操作多为传统的示教式培训,培训成本高、效果差。虚拟现实技术具有沉浸式、交互性、多感知等优点。基于此,采用虚拟现实技术建立起重装备培训和考核系统,大幅提升工人培训效果。为还原起重机真实使用场景,采用逆向工程技术对起重机及起重机厂房进行建模;针对三维虚拟场景真实性以及模型数量巨大交互模型复用性差的问题,采用细节层次（levels of detail,LOD）模型构建起重装备几何模型,从而优化系统的真实感和实时性;利用Unity平台实现了起重装备的三维场景漫游、碰撞检测和快速导航;基于MySQL数据库,实时存储培训数据以及起重机重要参数数据;依据现有桥机平台对虚拟平台进行了验证,结果显示该起重机虚拟现实培训系统可以在降低培训成本的同时大幅提升了培训感官,实验效果良好。     

基于虚拟现实的煤矿大型设备培训系统研究

针对煤矿设备操作培训中存在的不足,设计并实现了一种基于虚拟现实技术的煤矿大型设备虚拟培训系统,利用三维建模软件Maya对井下主要设备采煤机、液压支架、刮板输送机等生产机械设备进行三维模型的创建,结合虚拟现实制作软件Unity3D进行虚拟场景整合与交互设计,利用C#编程语言实现对煤矿大型设备运动仿真控制.通过接口电路实现用户与虚拟场景设备的真实交互.经测试表明,系统不仅实现了煤矿大型设备操作培训的功能,而且增加了系统的交互性,弥补了传统培训方式的不足,节约了培训成本,缩短了培训周期.     

数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术

目前掘进机远程截割控制方法大多基于视频监控与平面信息,巷道断面成形质量取决于人工操作经验,可靠性较低。针对该问题,研究了数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术,从数据感知、数据驱动、数据传输、远程自动截割控制等方面介绍了数字孪生驱动掘进机自动截割的实现过程。采用视觉测量技术获取掘进机位姿数据、气体传感器等获取掘进环境数据,构成数字孪生驱动的数据来源;建立掘进机虚拟模型和虚拟场景并完成虚拟模型动作编程及虚拟模型与虚拟场景的耦合,通过求解掘进机运动学正逆解,实现掘进机与虚拟模型交互;基于三次多项式方法进行巷道断面"S"形截割轨迹规划,设计反馈线性积分滑模控制器实现截割轨迹跟踪控制;采用MySQL数据库作为数据交互媒介,通过井下工业以太环网及矿用5G技术实现数据远程传输。实验结果表明,掘进机截割头能稳定跟随规划轨迹,且同一时刻虚拟界面显示的掘进机截割头位姿与实际位姿一致。     

基于防摇吊具的集装箱起重机半物理仿真系统

针对集装箱起重机学员培训周期长、安全性差等问题,提出一种基于3D图形渲染引擎（OGRE）的虚拟现实技术,实现集装箱起重机半物理仿真操作培训的方法。设计集装箱起重机司机室硬件操作平台,使用OGRE渲染引擎驱动集装箱货场的三维虚拟场景;建立防摇吊具摆动的动力学模型,模拟起重机吊具的残余摆动;并用以太网通讯实现起重机联动台等实物硬件与虚拟现实仿真软件的信息交互。解决仿真操作系统中的虚拟场景的驱动、吊具残余摆动的模拟、实物硬件与虚拟软件的实时通讯等关键问题。实验结果表明,该半物理仿真系统真实感强,对集装箱起重机驾驶训练有重要价值。     

虚拟现实视域下的变电站可视化巡检培训系统设计研究

以虚拟现实技术设计变电站可视化巡检培训系统，设计培训系统整体框架，基于三维虚拟场景建模技术进行变电站三维模型构建，实现变电站可视化，以交互式、体验式等特性为操作员工提供良好的虚拟实践训练场景，同时以变电站环境与运行流程模拟仿真，促使操作员工熟悉实际现场环境，牢记操作流程与方法，处理模拟故障，以真实的带电作业实践操作体验，提高巡检培训效率与质量。     

基于MultiGen的虚拟场景真实感研究

虚拟校园是数字城市的缩影.以北京交通大学的真实校园场景为研究对象,采用模块化、层次结构和纹理映射技术相融合的方法,通过运用实时可视化三维建模软件系统MultiGen Greator进行建模,创建了较为逼真的校园虚拟场景模型,并从数据库结构和组成模型的面片数两方面对其进行了优化,最后利用仿真系统Vega实现了校园虚拟场景的驱动显示.对于校园虚拟现实系统关键技术的研究与实现成为完成逼真合理的大规模虚拟场景的基础.     

基于Quest3D的虚拟中药药材展示系统研究与实现

随着计算机软硬件和虚拟现实技术的发展,运用虚拟现实技术辅助规划设计和展示已成为该领域的研究热点.本文介绍了一种基于虚拟现实软件实现的虚拟药材展示系统的设计方法,即利用三维建模软件3ds max进行三维实体及场景建模,采用虚拟交互平台Quest3D为场景驱动.本文以应用该方案实现的虚拟药材展示系统为例,重点介绍了系统架构和实现的技术流程,并对实现过程中的场景建模技术、交互设计中的图形化设计方法以及增强场景真实感方法做了深入的阐述.     

虚拟校园三维仿真系统关键技术研究

应用Multigen和Vega开发工具,可以开发逼真的三维仿真系统.而建模的好坏和交互效果直接影响系统的运行,结合虚拟校园三维仿真系统研制中的具体工作,研究了基于Multigen场景建模和Vega实时驱动的关键技术,并给出了虚拟校园三维场景建模和实时驱动的设计实现.     

一种虚拟场景的动态建模与实时仿真方法

针对虚拟现实技术中虚拟场景的生成及仿真问题,将场景中的实体位置状态及其基元间的连接关系统一用关节描述;通过建立场景连接图来描述场景结构模型,并采用关节驱动基元的方式来进行场景的更新操作,从而提出一种面向连接的关节驱动型虚拟场景的动态建模与实时仿真方法.在此基础上,开发通用的虚拟场景可视化软件平台,并通过测试验证提出的方法可以有效提高场景的建模与仿真处理效率.     

基于虚拟现实和增强现实的虚拟仿真实训室平台

基于虚拟现实与增强现实等技术,探讨了楼宇智能化设备安装与运行专业课程技能实训在线仿真虚拟培训方法,对其中的三维场景可视化、设施设备仿真、人机交互仿真等关键技术展开研究。以Unity3D引擎为平台,采用多源化混合方式建立模型。利用几何优化、贴图置换、LOD分级显示等技术控制模型总片面数。建立虚拟仿真实训室平台,并将该平台成功发布到PC、手机及平板等客户端。应用结果表明,该平台能够直观展示智能化楼宇的复杂环境,支持开展沉浸式虚拟漫游和虚拟实训,为楼宇智能化设备安装与运行课程的实训提供了新的方式,对提升学生的实战和动手能力具有重要意义。     

基于虚拟现实技术的钻井仿真系统设计

针对基于三维动画和OpenGL技术的钻井仿真系统存在画面沉浸感不强、交互性差等不足,开发了基于虚拟现实技术钻井仿真系统。在对钻井过程进行数学建模的基础上,设计了模型计算软件,该软件逼真地再现了钻井现场参数的变化情况。利用3D MAX建模软件构建了复杂的钻井设备模型,并在Virtools平台下利用行为模块控制各模型独立的运动,实现了动态的钻井虚拟场景。该场景在硬件平台的配合下,能够逼真地再现钻进、起下钻、接单根、上扣、卸扣等几十种钻井工艺流程。该系统的实现为油田安全作业的培训提供了一条新的途径,具有一定推广价值。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

基于虚拟现实的煤矿设备装配仿真系统研究

针对煤矿大型设备装配存在拆装繁琐和成本高的问题,以采煤机、液压支架、掘进机和提升机为研究对象,采用虚拟现实技术设计并实现了一套由虚拟装配子系统、场景仿真与漫游子系统组成的虚拟装配与仿真系统.利用Maya对大型设备建模,通过VS程序设计,在Unity中进行交互控制,实现了设备的虚拟装配与拆卸、采煤工作面的虚拟仿真漫游功能.系统有效地提高了训练效果,形象逼真地再现了煤矿井下生产过程,具有良好的沉浸性和交互性.测试表明:经该仿真系统训练与使用,有效提高了设备实际装配与拆卸能力,同时降低了成本,具有显著的实际应用效果.     

基于虚拟现实的机场消防救援虚拟演练平台

针对机场实地消防应急演练中人力物资消耗多、演练组织协调难,以及桌面式演练中情景感知支持不足等缺陷,提出一种基于虚拟现实技术的机场消防应急救援虚拟演练平台。基于虚拟现实技术的特点,采用三维建模技术构建机场消防救援场景中典型三维实体模型。利用粒子系统实现火灾虚拟场景及应急处置特效,并基于Unity3D引擎实现教员和学员人机交互界面。借助于虚拟现实头盔和手柄支持学员进入虚拟演练场景展开交互。平台测试表明:平台具有良好的易用性、稳定性和实时性,可以支持实现低成本、高沉浸感的机场消防救援虚拟演练。     

沉浸式虚拟训练中的虚拟手操控技术研究

将人手的自然动作加入沉浸式虚拟现实系统中,可有效提高系统的沉浸感和交互性,简便快捷、成本低廉的虚拟手建模及操控技术,有助于此项内容的推广应用;在对虚拟手骨骼结构模型分析的基础上,提出了基于Leap Motion的虚拟手控制方法和流程;以维修训练为任务背景,设计了四种用于虚拟手操作的手势规则,并对实现流程和关键技术进行了分析;构建基于Unity3D引擎的原型系统对虚拟手进行仿真验证,结果表明,基于Leap Motion的虚拟手操控简单、交互自然,可以满足虚拟现实系统交互需要。     

Three views of virtual reality: nonimmersive virtual reality

Nonimmersive virtual reality (VR), which places the user in a 3D environment that can be directly manipulated with a conventional graphics workstation using a monitor, a keyboard; and a mouse, is discussed. The scene is displayed with the same 3D depth cues used in immersive VR: perspective view, hidden-surface elimination, color, texture, lighting, shading and shadows. As in immersive VR, animation and simulation are interactively controlled in response to the user's direct manipulation. Much of the technology used to support immersive and nonimmersive VR is the same. They use the same 3D modeling and rendering and many of the same interaction techniques. The advantages and applications of nonimmersive VR systems are discussed. Immersive and nonimmersive VR systems are compared and hybrid possibilities are reviewed     

基于OGRE的煤矿安全虚拟现实3D软件设计与实现

随着煤矿安全的数字化管理,基于3D技术的煤矿系统虚拟现实成为煤矿安全中进行安全培训的重要技术手段。本文以OGRE引擎为软件开发环境设计煤矿安全虚拟现实3D软件,阐述OGRE的软件结构、煤矿安全虚拟现实3D软件的构成、3D模型的建模方法和实现方式,设计具有运动功能的3D模型的操作和控制方法。对煤矿安全管理和数字化煤矿的建设具有现实意义。     

分布式汽车驾驶交互仿真系统的实现

以驾驶模拟器的视景系统作为对象,提出了图像建模与几何建模相结合的建模方法,实现了以较少的系统消耗达到更加真实的视景仿真效果;采用基于Cg的"Shader"新技术,实现了虚拟环境中的动态流体特效和多层次纹理细节级别的良好效果;自主研发了基于计算机群集的多通道屏幕投影与显示技术,满足了沉浸式虚拟驾驶演示环境的特殊要求;实现了基于网络的分布式多客户、同场景的交互驾驶与实时通信对话.文中方法对分布式交互仿真系统的研究与开发有一定的参考价值.