Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный технический университет
Кафедра ТОМиС
НАУЧНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ РАБОТА
Дисциплина Средства и системы имитационного моделирования горного оборудования
Тема: Интуитивная система обучения виртуальной реальности на основе отображение для горнодобывающей промышленности
Руководитель: д.т.н. доц. Бейсембаев К.М.
Выполнил: Магистрант гр. ТМОМ - 17-1 Уалиханов Д.С.
Караганда 2017
Содержание
1. Введение
2. Устройства ввода / вывода и классификация системы обучения
2.1 Устройства ввода
2.2 Устройства вывода
3. Интуитивная система обучения шахтам ВР на базе HMD
3.1 Обшие понятия
3.2 Интуитивная система обучения шахтам ВР на базе HMD
3.2.1 Системные компоненты
3.2. 2 Учебное программирование
3.2.3 Эмуляция для обучения в части автоматизированного управления процессами добычи
3.2.4 Мониторинг динамического состояния очистного забоя
4. Дискуссия
4.1 Факторы, влияющие на результаты обучения
4.2 Будущие исследования
Заключение
Список литературы
1. Введение
Технология виртуальной реальности (ВР) основана на компьютерной графике, которая может создавать виртуальные сцены и элементы, которые могут манипулировать пользователем через устройства ввода, а также видеть, слышать, затрагивать, даже ощущать запах через устройства вывода, и пользователь может на должном уровне погрузиться в нужную атмосферу во время взаимодействия [1-3]. Используя хорошо продуманную и встроенную систему ВР, пользователи могут чувствовать себя так же, как в реальном мире. В ВР показанная среда полностью виртуальна, что противоположно реальному миру, и между ними есть дополненная реальность и увеличенная виртуальность. Все они создают континуум виртуальной реальности [4]. Бурдеа и Койфет создали «3I» систему виртуальной реальности-погружения, воображения и взаимодействия, как показано на рисунке 1 [2].
Рисунок 1 3I виртуальной реальности
Развлечения, особенно компьютерные игры, являются одной из величайших возможностей для содействия быстрому развитию технологии виртуальной реальности, и было разработано много новых устройств ввода / вывода, разработанных для ВР. В настоящее время на рынке существует множество видов устройств с дисплеем (HMD), таких как устройства Unicody - Oculus Rift и HTC Vive или отделенные устройства - гарнитура ВР и решения для смартфонов. Миниатюризация и портативность визуальных устройств ВР способствовали развитию индустрии ВР резко, и в будущем на рынке появятся более доступные устройства ВР.
Благодаря внутренним свойствам ВР, которые предлагают практически реальный мировой опыт в безвредной виртуальной среде, он является идеальным инструментом для обучения и в настоящее время широко используется во многих областях, таких как военные, аэрокосмические, авиационные, и т. д. После десятилетий разработок было предложено много теоретического и практического опыта. Камень поднял некоторые основные правила и принципы для разработки серьезных военных игр; Бурдеа и Койффет, Стоун обсудили важность учета факторов пользователей; Бертрам и соавторы изучили оценку эффективности учебных систем ВР [2,5,6]. Хотя ВР изучалось и использовалось в течение нескольких десятилетий, все еще существует много аспектов, которые необходимо изучить в будущем, особенно с быстрыми технологическими достижениями в последние годы.
Добыча является типичной отраслью высокого риска, и операторы в этой отрасли требуют достаточной подготовки для обеспечения безопасности. Среди этих учебных заданий некоторые из них очень трудны или невозможны для практики в реальном мире, таких как спасение мин, спасение от стихийных бедствий и т. д., Что делает технологию ВР очень подходящей в качестве учебного инструмента для таких ситуаций. Кизил М. представляет шесть основных преимуществ использования ВР в горнодобывающей промышленности, то есть сокращение времени, неограниченный доступ к дорогостоящему / недоступному оборудованию, экономия затрат, умение практиковать опасные условия, обучение, рассеянное по широкой географической области, и использование существующих компьютерных инвестиций [ 7,8].
Во многих горнодобывающих странах, таких как Австралия, США, Канада, Южная Африка, США и Китай, многие исследователи изучали возможность использования ВР в качестве учебного инструмента в горнодобывающей промышленности в течение последних двух десятилетий [8-15]. Разработаны десятки прототипов, некоторые из них стали популярными продуктами. Нынешние популярные зрелые системы обучения шахтам ВР в основном состоят из проектора с несколькими / изогнутыми экранами, который может обеспечить некоторое погружение для слушателей и настраиваемую рабочую платформу.
В этой статье обсуждаются компоненты системы ВР в горнодобывающей промышленности. Основываясь на таксономии устройств ввода / вывода, системы обучения ВР для горнодобывающей промышленности подразделяются на несколько типов. Построен и протестирован прототип иммерсивной и интуитивно понятной системы обучения ВР для горнодобывающей промышленности. На основе результатов испытаний предлагаются будущие направления исследований систем обучения ВР для горнодобывающей промышленности.
2. Устройства ввода / вывода и классификация системы обучения
горнодобывающий промышленность забой добыча
По сути, технология ВР - это среда следующего поколения для людей, которая получает искусственную информацию, а предыдущее поколение основано на двухмерной технологии экрана. Самое большое различие между ними заключается в том, что технология виртуальной реальности обладает полностью захватывающим и интуитивным характером интерактивного опыта, который позволит пользователям войти в полностью виртуальный мир.
Бурдеа представил пять классических компонентов системы ВР, которые являются двигателем ВР, программным обеспечением и базами данных, устройствами ввода / вывода, пользователем и задачами [2]. Система обучения ВР для горнодобывающей промышленности должна содержать те же пять компонентов (рис.2).
Рисунок 2 Компоненты системы ВР
Среди пяти компонентов системы обучения шахтам ВР наиболее важным является устройство ввода / вывода, поскольку они являются исключительным способом, с помощью которого пользователи могут взаимодействовать и воспринимать виртуальную среду. В данной статье обобщены текущие устройства ввода / вывода виртуальной реальности систем обучения ВР.
2.1 Устройства ввода
Основываясь на предыдущих исследованиях, общие устройства ввода системы ВР можно разделить на две категории: ручной и автоматический захват, как показано в таблице 1 [2,3,16].
Можно видеть, что эти два типа устройств ввода имеют большие различия. Ручные устройства управления имеют низкую степень интуитивности, а общие устройства, такие как клавиатура и мышь, трудно освоить и использовать новичкам. Однако устройства ручного управления являются очень зрелой технологией, что делает их очень точными во время работы. Напротив, автоматические устройства слежения имеют гораздо более высокую степень интуитивного и очень низкого уровня обучения, но из-за использования различных датчиков и новых алгоритмов точность отслеживания не гарантируется.
2.2 Устройства вывода
Система подготовки шахт ВР должна иметь выходные устройства, чтобы пользователи могли «ощущать» в виртуальном мире. Согласно Мазурику и др., Визуальный смысл и слуховое чувство берут на себя 70% и 20% соответственно от общего ощущения для человека [3,8]. Остальные три чувства - запах, прикосновение и вкус - всего 10% (рис.3). Таким образом, визуальный смысл является самым важным для пользователей системы ВР.
Рисунок 3 Взаимодействие пяти человеческих чувств
Основываясь на предыдущих исследованиях, общие устройства визуального вывода могут быть классифицированы как экраны, проекторы, дисплеи с головкой (HMD) и голографические устройства, как показано в таблице 2 [4,14].
Для этих технологий технология экрана не может обеспечить ощущение погружения, но цена дешевая, и многие из них используются в системах ВР. Технология проектора очень зрелая, но дорогостоящая, а CAVE - самая ранняя система такого типа [17]. HMD был разработан давно, но только с Oculus Rift, как HMD-устройства, анонсированные в последние годы, он стал более популярным. Технология голографических проекторов - лучшее решение для визуального оборудования для виртуальной реальности, но технология все еще незрелая, поэтому стоимость не определена.
Как видно из таблицы 2, существует два типа HMD, и разница между ними в основном заключается в том, прозрачен экран или нет, что определит, смогут ли пользователи одновременно видеть виртуальную среду и реальную среду. Экран небольшого экранного устройства с высоким разрешением трудно быть прозрачным, что в конечном итоге приведет к блокированию реального мира; в то время как небольшое оптическое проекционное устройство основано на оптической (прозрачной) технологии объективов, поэтому пользователь может видеть реальный мир через объектив, видя виртуальные объекты. Строго говоря, небольшой оптический проектор HMD-устройства следует классифицировать как устройство смешанной реальности, но его также можно использовать в области виртуальной реальности.
По результатам всестороннего анализа установлено, что только устройства HMD являются доступными устройствами, которые могут обеспечить полное погружение и при низкой / средней цене, поэтому считается, что HMD являются наиболее подходящими визуальными устройствами для обучающих систем ВР. Существует очевидная проблема с HMD - одно устройство HMD не может использоваться несколькими пользователями одновременно. Бедназ и соавторы обсудили распределенные совместные рамки ВР-систем для горнодобывающей промышленности, и выясняется, что эту проблему можно решить, просто подключив несколько HMD и их пользователей к одному ВР и виртуальной средой [18].
2.3 Система ВР для подготовки горной промышленности
На основе классификации ввода/вывода устройств, новая систематика систем обучения ВР для горнодобывающей промышленности, которая состоит из трех типов, поднимается следующим образом:
(1) Экранная общая система ВР
Общая система на основе экрана использует общие физические устройства, таких как клавиатура и джойстик в качестве устройств ввода, и настольный монитор в качестве устройства вывода [19,20]. У всей системы мало погружения и в основном используется для разработки базовых систем подготовки шахт ВР.
(2) Индивидуальная система обучения ВР на основе проектора
В настоящее время система обучения ВР на основе проектора самая популярная система обучения ВР для горнодобывающей промышленности. Устройства вывода для визуального восприятия - это проекторы с различными типами экранной ткани - толстые, множественные, изогнутые или куполообразные и т. д. В то же время, множество настраиваемых операционных платформ, основанных на реальном оборудование широко используется в такой системе. С помощью проекторов и больших экранных тканей, эта система могла бы обеспечить некоторое погружение в пользовательскую среду. Есть некоторые коммерческие продукты на рынке, основанные на такой системе ВР, таких как разработка САЕ и продукты QinetiQ.
3. Интуитивная система обучения ВР на основе HMD
3.1 Обшие понятия
Интуитивно понятная система на основе HMD означает, что устройства с высоким погружением для визуального вывода (дисплей с головным креплением) и интуитивно понятное устройство ввода (автоматические устройтва слежения) используются в системе. В этой системе ВР слушатели могут чувствовать полное погружение, и взаимодействовать с виртуальной средой и оборудованием и интуитивно. На данный момент, иммерсивная естественная широко используется, но считается, что усовершенствованная система и будущее моих обучающих систем ВР [21].
3.2 Интуитивная система обучения шахтам ВР на базе HMD
3.2.1 Системные компоненты
В этом исследовании новая интуитивная система обучения ВР на базе HMD построенный для подготовки сценариев бурения на подземных шахтах.
Компоненты этой системы обучения ВР заключаются в следующем:
(1) пользователь: новый бурильщик в подземной шахте;
(2) устройства ввода / вывода;
(2.1) устройства ввода;
(2.1.1) автоматические устройства отслеживания головыдатчики в HMD;
(2.1.2) автоматическое устройство отслеживания рук движение;
(2.2) устройства вывода: HMD;
(3) двигатель ВР: единственное трехмерное персональное издание;
(4) программное обеспечение и база данных: генерируемые единством 3D после установки учебных процедур; и (5) задачи: бурение скважин на основе рабочих процедур.