基于3D MAX 和Virtools 制作煤层切削动画

　　摘 要：虚拟现实（VR）技术是近年来发展起来的高新技术, 在航空航天、建筑等工程领域和基础研究方面已取得令人瞩目的成就。从煤炭安全生产形势和传统实验教学环节存在不足入手，引入了虚拟现实技术对矿井虚拟仿真系统的设计与开发。本文主要介绍了在制作数字矿山虚拟系统中，运用3D MAX 软件制作煤层切削过程动画，并将其导入Virtools 中，将煤层切削过程以三维动画互动的方式更为直观地展现出来，为数字矿山虚拟系统提供模型或用于产品展示。
　　
　　关键词： 数字矿山；煤层切削；3D MAX；Virtools;
　　
　　
　　
　　0 引 言
　　
　　煤炭工业一直被称为“工业之母”，煤矿又是一个复杂的多维生产系统，人们仅靠文字和二维或者三维的图纸不容易清楚地了解煤矿的生产系统和运行等状况，同时用文字和图纸讲授或学习时既费时又不能迅速形成身临其境的感觉，在学习和教学中往往效果不理想，因而需要有一个能够模拟煤矿生产真实环境的系统来辅助人员感受这种环境，而虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术则可以实现这种需求。而本文介绍了在矿井虚拟仿真系统设计中，制作煤层切削动画的方法。
　　
　　
　　1 3D MAX 与Virtools 简介
　　
　　1.1 3D MAX 简介
　　3D MAX是Autodesk 出品的一款3D 动画软件，现已成为世界上应用最广的三维建模、动画、渲染工具，并且广泛应用于游戏开发、角色动画、电影电视视觉效果和设计行业等领域，完全满足制作高质量动画、最新、设计效果的需要。它的主要特点有：
　　（1）功能强大，扩展性好：建模功能强大是3D MAX 被用于虚拟现实系统构建的重要原因，另外在角色动画方面具备很强的优势，此外丰富的插件也是其一大亮点。
　　（2）操作简单，容易上手：与其强大的功能相比，3D MAX 可以说是最容易上手的3D软件。
　　（3）和其它相关软件配合流畅。极大改进了交互，明显提高了操作速度。
　　
　　1.2 Virtools 简介
　　Virtools 软件是一套多功能的三维开发工具，由开发模块、生成模块和发布模块组成。开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包(SDK)，Vtrtools 是创作应用程序的主要部分，可以快速生成丰富、对话式的3D 作品。Virtools 中采用行为模块(Building Blocks 简称BBs)流程图的形式来设计作品。Virtools 中有500 多个行为模块，其中的Run VSL 模块可运行自己添加的Virtools 语言代码，利用这些行为模块可以相互搭配串连设计出很多不同的互动效果。生成模块包括行为引擎和渲染引擎。发布模块包括EXE 文件生成器和Web 播放器(Virtools Web Player)。
　　
　　
　　2 方法介绍
　　
　　2.1 处理三角煤切削过程
　　三角煤逐步切削过程，要实现这个动画我们巧妙地运用了一些障眼法，放大三角煤的前端，可见其前面是个四边面，而不是一条线，这是为了利用在其编辑多边形面中的边约束来实现三角煤切割，然后我们选中前端的四边面拖动，发现其会沿着边移动，很容易就能实现动画切削的过程。这里要注意一点这个前端的四边面要足够小，小到动画运行过程肉眼观察感觉就是一条线。
　　
　　2.2 处理不同动画之间的顺序衔接问题
　　box1 和box2 是同一个对象的两个元素，box1 和box2 为两个不同的动画组合成的一个整体动画，这个动画分两部分：①box1 垂直方向的动画②box2 的水平方向的动画。动画的顺序：先①后②。动画的实现：编辑多边形面层级下使用移动工具移动模型面来实现。其制作步骤为：
　　第一步：动画开始时；
　　第二步：box1 垂直动画结束点；
　　第三步：box2 水平方向动画结束点；
　　运行动画则会发现动画①和动画②会同时执行。而我们需要的是动画①完成后再执行动画②。解决方法：这里我们又使用到了障眼法，我们在原始的第二步和第三步之间加上一步：水平向右移动非常小的距离（要求在观看整个动画过程中几乎察觉不到）。之后，再设定一关键点，问题解决。当然此方法也适用于同一元素或对象的不同动画的处理。
　　
　　2.3 处理煤层切削至消失的问题
　　由于要表现煤层的切削过程，即煤层逐渐消耗至消失的过程，而煤层消失的动画不能通过关键点时隐藏和删除实体来完成，所以我们把煤层缩短后再向下隐藏到地板下来实现煤层消失的效果。同一对象的两个不同的动画，仿照上面已经介绍的方法很容易实现，这里不再赘述。这里使用到的障眼法有两条：
　　（1）地板遮挡住了残留下来的模型。
　　（2）且他们的间隔仅为一帧，这样在动画运行过程中就感觉煤层突然一下消失了，事实上是煤层在一帧的时间内缩到地板下去了。
　　
　　
　　3 制作可交互性的控制动画
　　
　　利用 Virtools 或其他3D 游戏设计软件提供的导出插件，将煤层切削动画导出到Virtools中利用的Virtools 行为组实现键盘鼠标或游戏控制杆控制，结合工作面场景制作成具有交互性的虚拟现实仿真模型，与使用者与之进行互动。
　　
　　
　　4 结 论
　　
　　3D MAX 独特的工作界面使操作更直观、更便捷，利用了窗口的所有空间并将其发挥到极点，快捷键的合理组合使动画制作事半功倍。对制作而言，相对较稳定，对计算机的硬件利用率也比较高。为采掘设备、巷道、地面建筑的建模及动画制作带来了极大方便、可以实现煤炭生产过程中的仿真动画模拟。