2024年4月22日发(作者：麻寒烟)
第
47
卷第
10
期
2016
年
10
月
SafetyinCoalMines
Vol．47No．10
Oct．2016
DOI：10．13347/j．cnki．mkaq．2016．10．032
煤矿虚拟现实技术应用与发展
张
许
辉
，
聂百胜
，
滕
（
中国矿业大学
（
北京
）
资源与安全工程学院
，
北京
100083）
要
：
通过对国内外煤矿虚拟现实
（VＲ）
技术研究与应用进行统计
，
总结出目前煤矿
VＲ
技术
应用方向主要分为培训类
、
可视化类与综合类
3
种
；
现有煤矿
VＲ
系统按照输入
/
输出设备的不
摘
同
，
可分为桌面通用式
、
投影定制式与沉浸自然式
3
类
。
目前国内研究主要以桌面通用式系统为
主
，
国外成熟产品主要以投影定制式系统为主
，
而沉浸自然式系统是未来煤矿
VＲ
系统的最佳形
式
。
针对煤矿
VＲ
技术不同的应用方向
，
分别提出了未来的研究重点
。
结合头戴显示器与动作
捕捉设备
，
研制了一套沉浸式自然交互煤矿虚拟现实培训系统
，
证实了沉浸自然式系统在培训应
用中的有效性
。
关键词
：
煤矿虚拟现实技术
；
虚拟现实
；
沉浸感
；
自然交互
；
培训系统
中图分类号
：TD79
文献标志码
：A
文章编号
：1003－496X（2016）10－0118－04
UtilizationandDevelopmentofVirtualＲealityinCoalMines
ZHANGHui，NIEBaisheng，XUTeng
（FacultyofＲesourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing）
，Beijing100083，China）
Abstract：ThroughthestatisticsofresearchandapplicationofVＲincoalminefromallovertheworld，itwasconcludedthattheappli-
cationfieldsofVＲinmineinstatusquoweremainlyinthreetypes：training，visualizationandcomprehensiveapplication．Basedon
thedifferentialoftheinput/outputdevicesthatusedintheVＲsystem，thecurrentVＲsystemincoalminecouldbedividedintothree
types：desktop－basedandgeneralinputdevice，projector－basedandcustomizedinputdevice，andheadmountdisplay－basedand
naturalinputdevice．ThetypeusedinChinarightnowwasmainlydesktop－basedandgeneralinputdevice，andthetypeusedinthe
maturemarketallovertheworldwasmainlyprojector－basedandcustomizedinputdevice，whileinthefuture，theheadmountdisplay
－basedandnaturalinputdeviceisthemostsuitabletypefortheVＲsystemincoalmine．ConsideringthedifferentVＲtechniqueap-
plicationfieldsincoalmine，thekeyresearchaspectsinthefuturewerediscussed．Basedontheheadmounteddisplayandmotion
trackingdevice，animmersiveandnaturalinteractiveVＲminetrainingsystemwasdeveloped，andtheeffectivenessofthiskindofsys-
temisvalidated．
Keywords：coalminevirtualrealitytechnology；virtualreality；immersion；naturalinteraction；
trainingsystem
VＲ）
技术是通过计算
虚拟现实
（VirtualＲeality，
机图形技术构建虚拟场景
，
利用输入设备实现用户
与虚拟场景交互
，
再利用输出设备让用户通过视觉
、
听觉
、
触觉
，
甚至味觉和嗅觉等感官
，
获得接近甚至
。
目前大家普遍认可
超越真实世界体验的技术
Interaction
的虚拟现实
3I
原则
：Imagination－
构想
、
－
人机交互和
Immersion－
沉浸感
，
最早是由
Burdea
［1］
和
Coiffet
1994
年在著作
《VirtualＲealityTechnolo-
gy》
第一版中提出的
。
关于虚拟现实技术的发展
，
不
［2－4］
。
少学者都进行了详细的论述
基金项目
：
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目
（2009K03）；
国家自然科学基金青年科学基金资助项目
（51504258）
［1－4］
煤矿是典型的高危行业
，
也是虚拟现实技术的
［5－6］
理想应用行业之一
。
张瑞新等
最早介绍了英国
诺丁汉大学
AIMS
研究室矿山虚拟现实技术的研究
进展
；
之后国内外许多学者都对矿山虚拟现实技术
在世界范围内的研究做了总结
［7－12］
。
目前
，
煤矿虚
拟现实技术仍是一个新的研究应用方向
，
该技术成
功使用对煤矿安全生产非常重要
。
1
煤矿虚拟现实系统组成
一个完整的煤矿虚拟现实系统包含
5
个组成部
［1］
分
：
虚拟现实引擎
、
输入
/
输出设备
、
软件
＆
数据
库
、
用户和任务
。
其中输入
/
输出设备对
3I
原则中
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2016
年
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月
SafetyinCoalMines
Vol．47No．10
Oct．2016
的人机交互和沉浸感影响最大
，
因此对其进行重点
分析
。
1．1
输入设备
目前
，
虚拟现实技术可用的输入设备主要包括
［1，13－14］
视觉输出设备极大地决定了煤矿虚拟现实系统的沉
［11，16－17］
，
浸感
。
基于以前研究
结合目前显示设备的
最新发展
，
对煤矿虚拟现实显示技术进行了总结
，
可
分为桌面显示器
、
大尺寸投影仪
、
头戴式显示器与全
息投影仪
4
类
，
煤矿虚拟现实显示设备分类见表
2。
2
2．1
煤矿虚拟现实技术应用现状
手动输入与自动捕捉
2
大类
设备总结见表
1。
表
1
类别
具体种类
手动
通用设备
输入
定制道具
，
虚拟现实输入
虚拟现实输入设备总结
设备
键盘
、
手柄等
定制操作平台等
直观学习难
程度
易程度
低高
/
中
中
/
高中
/
低
高
高
高
低
低
低
煤矿虚拟现实技术应用方向
通过对目前世界范围煤矿
VＲ
系统进行统计
，
对煤矿虚拟现实技术的应用方向进行了总结
，
主要
身体追踪摄像头
、
红外传感器
、
景深相机等
自动
动作捕捉数据手套
、
陀螺仪
、
全向跑步机等
捕捉
麦克风等
声音捕捉
可分为
：
培训类
、
可视化类与综合类
3
种
。
1）
培训类
。
具体为
：
①生产相关培训
，
如打钻
等设备操作培训
；
②安全相关培训
，
如危险源识
［19］
别等安全培训
；
③其他培训
，
如矿用设备维修等
。
［18］
1．2
输出设备
视觉负责提供人类感知世界的
70%
比例
，
听觉
［14－15］
10%
，
和其余
3
种感知仅分别负责
20%、
因此
表
2
类别
桌面显示器
具体种类
普通显示器
3D
显示器
平面投影仪
曲
/
多面投影仪
小尺寸高清显示器
小尺寸光学投影
全息投影设备
［20］
2）
可视化类
。
具体为
：
①煤矿信息可视化
，
如
数字矿山漫游
、
认知学习等
；
②科研数据可视化
，
如
应力分布等数据可视化
；
③辅助设计
，
基于三维信息
煤矿虚拟现实显示设备分类
使用
人数
单人
单人
单人
/
多人
单人
/
多人
单人
单人
单人
/
多人
成本
低
低
中
高
低
/
中
中
－
优点
①技术成熟
②对场地无要求
①技术成熟
②能与真实场景互动
③可以多人同时使用
④部分沉浸感
①完全沉浸感
②对场地无要求
①与现实结合度最高
缺点
①无沉浸感
②无法自由移动
①需要较大场地
②投资巨大
①长时间佩戴不适
②画面延迟较高
①
无成熟技术
沉浸感
无
无
部分
部分
完全
完全
完全
观看真实
世界
否
否
是
是
否
是
是
大尺寸投影仪
头戴式显示器
全息投影仪
可视化的矿井相关设计
故的虚拟现实再现
程操作系统等
。
［21］
；
④辅助调查
，
如矿井事
的培训类应用较少
，
常用在数字矿山展示
、
科研数据
可视化等可视化类应用
交互不自然
。
2）
投影定制式煤矿
VＲ
系统
。
是指采用各种投
影仪
，
结合定制操作平台的系统
，
在目前国内外成熟
的矿山
VＲ
培训系统中应用较多
，
例如
：
加拿大
CAE
Mining
公司与澳大利亚
ImmersiveTechnologies
公司
的投影式设备培训系统
，
英国
QinetiQ
公司的
360°
环幕投影安全培训系统
，
大连理工与曼恒数字联合
打造的数字矿山虚拟现实系统等
；
同时该类系统也
有用于矿山数据可视化等方面用途
［23－24］
［22］
等
。
；
目前我国培训类研究与
3）
综合类
。
结合其他技术
，
如建立煤矿设备远
经过统计
，
国内外主要应用方向为培训类
，
且国
外有成熟产品
；
可视化应用方向占有一定比例
，
且有
一定发展
；
综合类应用目前比例不多
，
但可预期未来
煤矿
VＲ
技术将结合更多其他技术
，
实现更加丰富
的功能
。
2．2
煤矿虚拟现实系统类型
基于煤矿
VＲ
系统输入
/
输出设备的不同
，
可将
现有煤矿
VＲ
系统分为
3
种类型
：
桌面通用式
、
投影
定制式与沉浸自然式
。
1）
桌面通用式煤矿
VＲ
系统
。
是指采用桌面显
示器与通用输入设备的系统
，
无法获得沉浸感
，
成熟
应用主要使用桌面通用式煤矿
VＲ
系统
，
沉浸感低
、
。
3）
沉浸自然式煤矿
VＲ
系统
。
是指用头戴显示
器
，
结合自动捕捉输入设备的系统
，
能提供完全的沉
浸感与真实的交互体验
，
代表目前
VＲ
领域最先进
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SafetyinCoalMines
［18］
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技术
，
也是未来煤矿
VＲ
系统的发展方向
3
3．1
煤矿虚拟现实技术未来研究方向
。
4
沉浸式自然交互煤矿钻孔
VＲ
培训系统
培训类应用研究方向
对于培训类应用
，
煤矿
VＲ
系统的沉浸感与人
机交互自然程度是其关键
，
其次虚拟煤矿的物理表
未来煤矿虚拟现实培训系统的最佳形式是沉浸
自然式煤矿
VＲ
系统
，
使用沉浸式输出设备和自动
捕捉输入设备
，
这样的系统能够给使用者提供最高
的沉浸感和自然的交互体验
。
结合目前最新的硬件
技术
，
提出一套沉浸式自然交互煤矿钻孔虚拟现实
培训系统
，
属于煤矿
VＲ
的培训类应用
。
该培训系
统由头戴式显示器
、
动作捕捉设备
、
计算机硬件等组
。
其中头戴式显示器由
VＲ
盒子与智能手机组成
，
成
，
动作捕捉设备为
LeapMotion，
位于头戴式显示
器前方
。
用户与系统之间的交互通过
LeapMotion
设备进行
，
利用内部的红外相机监测有效范围内用
户的手部动作并传递给系统
，
来实现对用户手部动
作的监测
。
Unity3D
该系统的软件部分主要通过
Blender、
等软件实现
。
虚拟矿工
、
井下巷道空间
、
钻机设备等
三维模型是在
Blender
中建立并导入
Unity3D
中的
，
而用户与模型之间的交互逻辑
、
判别
、
触发等功能是
在
Unity3D
中编写的
。
受训者可以通过头戴式显示器体验完全沉浸式
的井下环境
、
通过旋转
/
扭动头部控制头戴式显示器
的视角
，
并通过
LeapMotion
利用双手直接对虚拟场
景中的钻机进行控制
，
最终能够在室内获得媲美现
场的培训体验
。
5
结语
现
（
例如矿石垮落
、
粉尘漂浮等
）
要尽可能真实
，
再
［25］
次还要实现多人协同培训等其他功能
，
同时需结
［26］
合煤矿从业人员特点
，
保证培训系统的易用性
、
［12］
使用效果等
。
结合目前现状
，
培训类煤矿
VＲ
技
术应用未来要着重发展
：
1）
自动捕捉设备和头戴显示器等高沉浸
、
自然
交互式的煤矿
VＲ
输入
/
输出设备研究
。
2）
基于现有的
VＲ
引擎进行二次开发
，
结合岩
石力学
、
流体力学等学科
，
开发出能更好模拟真实煤
矿物理现象的
VＲ
引擎
。
3）
高沉浸感与自然交互式煤矿
VＲ
培训系统的
多人协同培训系统与软件开发
。
4）
基于煤矿从业人员特点
，
对煤矿
VＲ
培训系
统易用性进行研究
，
保证培训效果
。
3．2
可视化类应用研究方向
对于可视化类应用
，
主要通过煤矿
VＲ
系统将
矿山各种信息以三维或四维
（
加时间
）
的方式展示
出来
，
其关键是保证煤矿三维模型的准确性
，
同时保
证煤矿
VＲ
系统的信息导入
/
导出功能与接口的通
用性
。
结合目前现状
，
可视化类煤矿
VＲ
技术未来
要着重发展
：
1）
基于激光扫描
、
红外景深测量等技术
，
研究
煤矿真实三维模型自动快速建立技术
，
例如澳大利
［27］
亚
CSIＲO
的
Zlot
等
结合即时定位与映像构建
（SLAM）
技术
，
开发了基于激光扫描的矿山三维模
煤矿
VＲ
技术的研究与应用目前取得了一定成
绩
，
但仍然是一个新的研究应用方向
。
对于不同的
煤矿
VＲ
应用类型
，
分别提出了有针对性的研究方
向
。
随着国内外学者对这些方向的深入研究
，
未来
的煤矿
VＲ
技术将更加成熟
，
通过实现煤矿培训
、
煤
矿数据可视化
、
以及各类煤矿综合应用
，
煤矿虚拟现
实技术必将成为煤矿安全的可靠保障
。
参考文献
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周忠
，J］．
中国周颐
，
肖江剑
．
虚拟现实增强技术综述
［
型快速构建系统
。
2）
基于现有煤矿
VＲ
系统开发软件与引擎
，
研
究煤矿
VＲ
系统与测绘
、
统计
、
数值模拟等专业与科
研软件之间的数据接口连接
，
以及数据可视化效果
控制等方面内容
。
3．3
综合类应用研究方向
综合类的应用主要是将煤矿
VＲ
技术与其他设
备或技术相结合
，
以实现一些新的功能
。
对于综合
类应用
，
未来需要在深入研究并领会煤矿
VＲ
技术
特点的基础上
，
结合煤矿行业的需要
，
开拓思路
，
结
合其他技术
，
研究开发出更多新的适合煤矿使用的
综合类系统
，
例如将煤矿
VＲ
技术与煤矿设备相结
合
，
开发出煤矿机械设备的
VＲ
远程操作系统等
。
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47
卷第
10
期
2016
年
10
月
2015，45（2）：157－180．
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：
信息科学
，
SafetyinCoalMines
Vol．47No．10
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作者简介
：
张辉
（1987－），
在读博士研河南登封人
，
究生
，
主要研究矿山压力
、
采场顶板裂隙时空演化特征
、
矿山
安全培训等领域内容
。
（
收稿日期
：2016－07－06；
责任编辑
：
李力欣
）
·121·
2024年4月22日发(作者：麻寒烟)
第
47
卷第
10
期
2016
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SafetyinCoalMines
Vol．47No．10
Oct．2016
DOI：10．13347/j．cnki．mkaq．2016．10．032
煤矿虚拟现实技术应用与发展
张
许
辉
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聂百胜
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资源与安全工程学院
，
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100083）
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通过对国内外煤矿虚拟现实
（VＲ）
技术研究与应用进行统计
，
总结出目前煤矿
VＲ
技术
应用方向主要分为培训类
、
可视化类与综合类
3
种
；
现有煤矿
VＲ
系统按照输入
/
输出设备的不
摘
同
，
可分为桌面通用式
、
投影定制式与沉浸自然式
3
类
。
目前国内研究主要以桌面通用式系统为
主
，
国外成熟产品主要以投影定制式系统为主
，
而沉浸自然式系统是未来煤矿
VＲ
系统的最佳形
式
。
针对煤矿
VＲ
技术不同的应用方向
，
分别提出了未来的研究重点
。
结合头戴显示器与动作
捕捉设备
，
研制了一套沉浸式自然交互煤矿虚拟现实培训系统
，
证实了沉浸自然式系统在培训应
用中的有效性
。
关键词
：
煤矿虚拟现实技术
；
虚拟现实
；
沉浸感
；
自然交互
；
培训系统
中图分类号
：TD79
文献标志码
：A
文章编号
：1003－496X（2016）10－0118－04
UtilizationandDevelopmentofVirtualＲealityinCoalMines
ZHANGHui，NIEBaisheng，XUTeng
（FacultyofＲesourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology（Beijing）
，Beijing100083，China）
Abstract：ThroughthestatisticsofresearchandapplicationofVＲincoalminefromallovertheworld，itwasconcludedthattheappli-
cationfieldsofVＲinmineinstatusquoweremainlyinthreetypes：training，visualizationandcomprehensiveapplication．Basedon
thedifferentialoftheinput/outputdevicesthatusedintheVＲsystem，thecurrentVＲsystemincoalminecouldbedividedintothree
types：desktop－basedandgeneralinputdevice，projector－basedandcustomizedinputdevice，andheadmountdisplay－basedand
naturalinputdevice．ThetypeusedinChinarightnowwasmainlydesktop－basedandgeneralinputdevice，andthetypeusedinthe
maturemarketallovertheworldwasmainlyprojector－basedandcustomizedinputdevice，whileinthefuture，theheadmountdisplay
－basedandnaturalinputdeviceisthemostsuitabletypefortheVＲsystemincoalmine．ConsideringthedifferentVＲtechniqueap-
plicationfieldsincoalmine，thekeyresearchaspectsinthefuturewerediscussed．Basedontheheadmounteddisplayandmotion
trackingdevice，animmersiveandnaturalinteractiveVＲminetrainingsystemwasdeveloped，andtheeffectivenessofthiskindofsys-
temisvalidated．
Keywords：coalminevirtualrealitytechnology；virtualreality；immersion；naturalinteraction；
trainingsystem
VＲ）
技术是通过计算
虚拟现实
（VirtualＲeality，
机图形技术构建虚拟场景
，
利用输入设备实现用户
与虚拟场景交互
，
再利用输出设备让用户通过视觉
、
听觉
、
触觉
，
甚至味觉和嗅觉等感官
，
获得接近甚至
。
目前大家普遍认可
超越真实世界体验的技术
Interaction
的虚拟现实
3I
原则
：Imagination－
构想
、
－
人机交互和
Immersion－
沉浸感
，
最早是由
Burdea
［1］
和
Coiffet
1994
年在著作
《VirtualＲealityTechnolo-
gy》
第一版中提出的
。
关于虚拟现实技术的发展
，
不
［2－4］
。
少学者都进行了详细的论述
基金项目
：
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目
（2009K03）；
国家自然科学基金青年科学基金资助项目
（51504258）
［1－4］
煤矿是典型的高危行业
，
也是虚拟现实技术的
［5－6］
理想应用行业之一
。
张瑞新等
最早介绍了英国
诺丁汉大学
AIMS
研究室矿山虚拟现实技术的研究
进展
；
之后国内外许多学者都对矿山虚拟现实技术
在世界范围内的研究做了总结
［7－12］
。
目前
，
煤矿虚
拟现实技术仍是一个新的研究应用方向
，
该技术成
功使用对煤矿安全生产非常重要
。
1
煤矿虚拟现实系统组成
一个完整的煤矿虚拟现实系统包含
5
个组成部
［1］
分
：
虚拟现实引擎
、
输入
/
输出设备
、
软件
＆
数据
库
、
用户和任务
。
其中输入
/
输出设备对
3I
原则中
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47
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10
期
2016
年
10
月
SafetyinCoalMines
Vol．47No．10
Oct．2016
的人机交互和沉浸感影响最大
，
因此对其进行重点
分析
。
1．1
输入设备
目前
，
虚拟现实技术可用的输入设备主要包括
［1，13－14］
视觉输出设备极大地决定了煤矿虚拟现实系统的沉
［11，16－17］
，
浸感
。
基于以前研究
结合目前显示设备的
最新发展
，
对煤矿虚拟现实显示技术进行了总结
，
可
分为桌面显示器
、
大尺寸投影仪
、
头戴式显示器与全
息投影仪
4
类
，
煤矿虚拟现实显示设备分类见表
2。
2
2．1
煤矿虚拟现实技术应用现状
手动输入与自动捕捉
2
大类
设备总结见表
1。
表
1
类别
具体种类
手动
通用设备
输入
定制道具
，
虚拟现实输入
虚拟现实输入设备总结
设备
键盘
、
手柄等
定制操作平台等
直观学习难
程度
易程度
低高
/
中
中
/
高中
/
低
高
高
高
低
低
低
煤矿虚拟现实技术应用方向
通过对目前世界范围煤矿
VＲ
系统进行统计
，
对煤矿虚拟现实技术的应用方向进行了总结
，
主要
身体追踪摄像头
、
红外传感器
、
景深相机等
自动
动作捕捉数据手套
、
陀螺仪
、
全向跑步机等
捕捉
麦克风等
声音捕捉
可分为
：
培训类
、
可视化类与综合类
3
种
。
1）
培训类
。
具体为
：
①生产相关培训
，
如打钻
等设备操作培训
；
②安全相关培训
，
如危险源识
［19］
别等安全培训
；
③其他培训
，
如矿用设备维修等
。
［18］
1．2
输出设备
视觉负责提供人类感知世界的
70%
比例
，
听觉
［14－15］
10%
，
和其余
3
种感知仅分别负责
20%、
因此
表
2
类别
桌面显示器
具体种类
普通显示器
3D
显示器
平面投影仪
曲
/
多面投影仪
小尺寸高清显示器
小尺寸光学投影
全息投影设备
［20］
2）
可视化类
。
具体为
：
①煤矿信息可视化
，
如
数字矿山漫游
、
认知学习等
；
②科研数据可视化
，
如
应力分布等数据可视化
；
③辅助设计
，
基于三维信息
煤矿虚拟现实显示设备分类
使用
人数
单人
单人
单人
/
多人
单人
/
多人
单人
单人
单人
/
多人
成本
低
低
中
高
低
/
中
中
－
优点
①技术成熟
②对场地无要求
①技术成熟
②能与真实场景互动
③可以多人同时使用
④部分沉浸感
①完全沉浸感
②对场地无要求
①与现实结合度最高
缺点
①无沉浸感
②无法自由移动
①需要较大场地
②投资巨大
①长时间佩戴不适
②画面延迟较高
①
无成熟技术
沉浸感
无
无
部分
部分
完全
完全
完全
观看真实
世界
否
否
是
是
否
是
是
大尺寸投影仪
头戴式显示器
全息投影仪
可视化的矿井相关设计
故的虚拟现实再现
程操作系统等
。
［21］
；
④辅助调查
，
如矿井事
的培训类应用较少
，
常用在数字矿山展示
、
科研数据
可视化等可视化类应用
交互不自然
。
2）
投影定制式煤矿
VＲ
系统
。
是指采用各种投
影仪
，
结合定制操作平台的系统
，
在目前国内外成熟
的矿山
VＲ
培训系统中应用较多
，
例如
：
加拿大
CAE
Mining
公司与澳大利亚
ImmersiveTechnologies
公司
的投影式设备培训系统
，
英国
QinetiQ
公司的
360°
环幕投影安全培训系统
，
大连理工与曼恒数字联合
打造的数字矿山虚拟现实系统等
；
同时该类系统也
有用于矿山数据可视化等方面用途
［23－24］
［22］
等
。
；
目前我国培训类研究与
3）
综合类
。
结合其他技术
，
如建立煤矿设备远
经过统计
，
国内外主要应用方向为培训类
，
且国
外有成熟产品
；
可视化应用方向占有一定比例
，
且有
一定发展
；
综合类应用目前比例不多
，
但可预期未来
煤矿
VＲ
技术将结合更多其他技术
，
实现更加丰富
的功能
。
2．2
煤矿虚拟现实系统类型
基于煤矿
VＲ
系统输入
/
输出设备的不同
，
可将
现有煤矿
VＲ
系统分为
3
种类型
：
桌面通用式
、
投影
定制式与沉浸自然式
。
1）
桌面通用式煤矿
VＲ
系统
。
是指采用桌面显
示器与通用输入设备的系统
，
无法获得沉浸感
，
成熟
应用主要使用桌面通用式煤矿
VＲ
系统
，
沉浸感低
、
。
3）
沉浸自然式煤矿
VＲ
系统
。
是指用头戴显示
器
，
结合自动捕捉输入设备的系统
，
能提供完全的沉
浸感与真实的交互体验
，
代表目前
VＲ
领域最先进
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卷第
10
期
2016
年
10
月
SafetyinCoalMines
［18］
Vol．47No．10
Oct．2016
技术
，
也是未来煤矿
VＲ
系统的发展方向
3
3．1
煤矿虚拟现实技术未来研究方向
。
4
沉浸式自然交互煤矿钻孔
VＲ
培训系统
培训类应用研究方向
对于培训类应用
，
煤矿
VＲ
系统的沉浸感与人
机交互自然程度是其关键
，
其次虚拟煤矿的物理表
未来煤矿虚拟现实培训系统的最佳形式是沉浸
自然式煤矿
VＲ
系统
，
使用沉浸式输出设备和自动
捕捉输入设备
，
这样的系统能够给使用者提供最高
的沉浸感和自然的交互体验
。
结合目前最新的硬件
技术
，
提出一套沉浸式自然交互煤矿钻孔虚拟现实
培训系统
，
属于煤矿
VＲ
的培训类应用
。
该培训系
统由头戴式显示器
、
动作捕捉设备
、
计算机硬件等组
。
其中头戴式显示器由
VＲ
盒子与智能手机组成
，
成
，
动作捕捉设备为
LeapMotion，
位于头戴式显示
器前方
。
用户与系统之间的交互通过
LeapMotion
设备进行
，
利用内部的红外相机监测有效范围内用
户的手部动作并传递给系统
，
来实现对用户手部动
作的监测
。
Unity3D
该系统的软件部分主要通过
Blender、
等软件实现
。
虚拟矿工
、
井下巷道空间
、
钻机设备等
三维模型是在
Blender
中建立并导入
Unity3D
中的
，
而用户与模型之间的交互逻辑
、
判别
、
触发等功能是
在
Unity3D
中编写的
。
受训者可以通过头戴式显示器体验完全沉浸式
的井下环境
、
通过旋转
/
扭动头部控制头戴式显示器
的视角
，
并通过
LeapMotion
利用双手直接对虚拟场
景中的钻机进行控制
，
最终能够在室内获得媲美现
场的培训体验
。
5
结语
现
（
例如矿石垮落
、
粉尘漂浮等
）
要尽可能真实
，
再
［25］
次还要实现多人协同培训等其他功能
，
同时需结
［26］
合煤矿从业人员特点
，
保证培训系统的易用性
、
［12］
使用效果等
。
结合目前现状
，
培训类煤矿
VＲ
技
术应用未来要着重发展
：
1）
自动捕捉设备和头戴显示器等高沉浸
、
自然
交互式的煤矿
VＲ
输入
/
输出设备研究
。
2）
基于现有的
VＲ
引擎进行二次开发
，
结合岩
石力学
、
流体力学等学科
，
开发出能更好模拟真实煤
矿物理现象的
VＲ
引擎
。
3）
高沉浸感与自然交互式煤矿
VＲ
培训系统的
多人协同培训系统与软件开发
。
4）
基于煤矿从业人员特点
，
对煤矿
VＲ
培训系
统易用性进行研究
，
保证培训效果
。
3．2
可视化类应用研究方向
对于可视化类应用
，
主要通过煤矿
VＲ
系统将
矿山各种信息以三维或四维
（
加时间
）
的方式展示
出来
，
其关键是保证煤矿三维模型的准确性
，
同时保
证煤矿
VＲ
系统的信息导入
/
导出功能与接口的通
用性
。
结合目前现状
，
可视化类煤矿
VＲ
技术未来
要着重发展
：
1）
基于激光扫描
、
红外景深测量等技术
，
研究
煤矿真实三维模型自动快速建立技术
，
例如澳大利
［27］
亚
CSIＲO
的
Zlot
等
结合即时定位与映像构建
（SLAM）
技术
，
开发了基于激光扫描的矿山三维模
煤矿
VＲ
技术的研究与应用目前取得了一定成
绩
，
但仍然是一个新的研究应用方向
。
对于不同的
煤矿
VＲ
应用类型
，
分别提出了有针对性的研究方
向
。
随着国内外学者对这些方向的深入研究
，
未来
的煤矿
VＲ
技术将更加成熟
，
通过实现煤矿培训
、
煤
矿数据可视化
、
以及各类煤矿综合应用
，
煤矿虚拟现
实技术必将成为煤矿安全的可靠保障
。
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基于现有煤矿
VＲ
系统开发软件与引擎
，
研
究煤矿
VＲ
系统与测绘
、
统计
、
数值模拟等专业与科
研软件之间的数据接口连接
，
以及数据可视化效果
控制等方面内容
。
3．3
综合类应用研究方向
综合类的应用主要是将煤矿
VＲ
技术与其他设
备或技术相结合
，
以实现一些新的功能
。
对于综合
类应用
，
未来需要在深入研究并领会煤矿
VＲ
技术
特点的基础上
，
结合煤矿行业的需要
，
开拓思路
，
结
合其他技术
，
研究开发出更多新的适合煤矿使用的
综合类系统
，
例如将煤矿
VＲ
技术与煤矿设备相结
合
，
开发出煤矿机械设备的
VＲ
远程操作系统等
。
·120·
第
47
卷第
10
期
2016
年
10
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作者简介
：
张辉
（1987－），
在读博士研河南登封人
，
究生
，
主要研究矿山压力
、
采场顶板裂隙时空演化特征
、
矿山
安全培训等领域内容
。
（
收稿日期
：2016－07－06；
责任编辑
：
李力欣
）
·121·