煤礦井下三維幾何建模及情景漫游技術(shù)研究

安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 周華平 林浩偉 孫克雷

1.引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，拓寬和深化了計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集和信息處理方面的應(yīng)用，尤其是人與信息科學(xué)相結(jié)合的高新技術(shù)——可視化(Visualization)與虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)給計(jì)算機(jī)的應(yīng)用帶來了新的活力。在計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造的三維虛擬環(huán)境中，用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，可視化及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必將成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的重要手段并將對(duì)信息的處理及提高信息的利用率產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在礦業(yè)領(lǐng)域中由于新技術(shù)和新設(shè)備的不斷引入，增強(qiáng)了礦業(yè)對(duì)于安全高效、自動(dòng)化的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為滿足這一需求提供了有效手段。因此虛擬現(xiàn)實(shí)的研究開發(fā)無疑對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)、礦工安全保護(hù)意識(shí)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，它通過多種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中，是實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。實(shí)際上它就是一種先進(jìn)的人機(jī)接口，通過給用戶同時(shí)提供諸如視、聽、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以完全徹底地轉(zhuǎn)化人們的想象力，在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生另一種境界，將境界的有關(guān)信息傳給人的感覺器官，使人們獲得一種全新的感受，讓人覺得其的確是在另外一個(gè)三維世界中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺、聽覺、味覺等感觸，使人作為參與者通過適當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)設(shè)置，自然的對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。

圖1 OpenGL的基本工作流程

圖2 三維虛擬漫游系統(tǒng)的總框圖

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

1)多感知性

除了一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還具有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、味覺感知和嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具有人的一切感知功能，目前由于傳感器技術(shù)的限制，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所能提供的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺和觸覺等。

2)用戶投入性

這是VR系統(tǒng)的核心，是指用戶進(jìn)入到計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景中的能力，用戶在虛擬場(chǎng)景中有身臨其境之感。

3)用戶與虛擬場(chǎng)景的交互性

指用戶與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象相互作用的能力。它是人機(jī)和諧的關(guān)鍵因素。交互性包括對(duì)象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場(chǎng)景中對(duì)象依據(jù)物理學(xué)定律運(yùn)動(dòng)的程度等。VR是自主參考系，即以用戶的視點(diǎn)變化進(jìn)行虛擬交換，這個(gè)過程中最重要的因素是實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)能夠響應(yīng)用戶的輸入并立即改變虛擬場(chǎng)景狀態(tài)的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中獲取新知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思并輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會(huì)將處理后的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示或由傳感裝置反饋給用戶。

3.OPENGL三維模型構(gòu)建

OpenGL（Open Graphics Library）是美國(guó)SGI公司開發(fā)的三維圖形設(shè)計(jì)軟件，獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的圖形開發(fā)系統(tǒng)的通用接口，被認(rèn)為是高性能圖形和交互式視景處理的標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)領(lǐng)域的集大成者。在三維仿真建模、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等領(lǐng)域，OpenGL發(fā)揮著重要的作用。OpenGL突出的特點(diǎn)是與平臺(tái)無關(guān)，它適用UNIX，Windows95/98，MacOS，WindowsNT等多種操作系統(tǒng)，而且在Visual C++2。0及以上版本中都封裝了OpenGL圖形庫(kù)。它包括100多個(gè)圖形函數(shù)，開發(fā)者可以用這些函數(shù)構(gòu)造出接近光線跟蹤的高質(zhì)量的三維景物模型、進(jìn)行三維圖形實(shí)時(shí)交互軟件的開發(fā)。OpenGL提供的基本功能有：模型繪制、模型觀察、光照處理、色彩處理、位圖和圖像處理、紋理映射、實(shí)時(shí)動(dòng)畫、物體運(yùn)動(dòng)模糊處理、交互技術(shù)等。因此利用OpenGL與Visual C++結(jié)合可以開發(fā)出完美的3D圖形產(chǎn)品。

OpenGL實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整功能的圖形處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是：底層為圖形硬件，依次向上為操作系統(tǒng)、窗口系統(tǒng)、OpenGL和應(yīng)用軟件。其基本工作流程如圖1所示。

4.三維幾何建模方法研究

OpenGL提供對(duì)2D、3D圖形的基本操作，但并不提供描述復(fù)雜幾何物體及建立復(fù)雜物體模型的手段，即它僅提供繪制復(fù)雜幾何物體本身的機(jī)制而非描述復(fù)雜物體本身的方法，因而，必須尋找自身的三維建模方法才能繪制出適合需要的真實(shí)世界。

(1)分割重組法

分割重組法生成一個(gè)宏觀物體，需要拆分和重組兩個(gè)步驟。拆分過程是將物體人為地細(xì)節(jié)化，而重組則是將己拆分的圖形片元按一定規(guī)律組裝起來，是拆分的逆過程。下面是這兩個(gè)步驟的具體過程。

l)拆分

考慮一個(gè)宏觀物體，從各個(gè)方向?qū)⑵淝蟹郑蟹衷瓌t應(yīng)保證每?jī)汕忻嬷g的形狀為方形、圓形或兩者的結(jié)合。應(yīng)根據(jù)物體的形狀，選擇恰當(dāng)?shù)那蟹贮c(diǎn)，使切分后的物體比較簡(jiǎn)單、規(guī)則。采用這一切分原則可以較為細(xì)致地刻畫出物體的每個(gè)細(xì)節(jié)，因而方便了圖形的重新組織工作。對(duì)物體進(jìn)行切分之后，可得到由基本幾何形狀組成的切分面(多邊形、圓、方形等)，對(duì)圓形切面以相近多邊形擬合，獲得合適的多邊形之后，確定重組物體所需的長(zhǎng)方體側(cè)面數(shù)。為方便計(jì)算，常取8、16、32、64多邊形來逼近某一曲面。

2)重組

重組的過程也是尋找圖形對(duì)象點(diǎn)、線、面關(guān)系的過程。還以上述的物體為例，將各部分分別編號(hào)并按順序連接兩面對(duì)應(yīng)點(diǎn)，從而形成所需模型。

(2)曲面合成法

在實(shí)際的礦井系統(tǒng)仿真中，經(jīng)常會(huì)遇到制作光滑曲面、閉合曲面的情形，如彎道、交叉口以及機(jī)械構(gòu)件等實(shí)物造型。為了很好的實(shí)現(xiàn)曲面建模，可采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中較為成熟的Bezier、NURBS等樣條曲一面理論，同時(shí)借助OpenGL語言的強(qiáng)大功能來完成曲面設(shè)計(jì)方法。利用Bezier曲線的形狀(有一組多邊折線的頂點(diǎn)唯一地確定)可以畫出十分光滑的曲線，在多邊形多個(gè)頂點(diǎn)中，只有第一個(gè)和最后一點(diǎn)在Bezier曲線上，第一條和最后一條折線的方向是Bezier曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的切線方向，而其余的頂點(diǎn)則用于定義曲線的形狀。改變多邊折線的頂點(diǎn)和改變曲線的形狀有著形象直觀的聯(lián)系。

5.煤礦井下三維漫游

5.1 煤礦井下三維漫游總體結(jié)構(gòu)

三維漫游系統(tǒng)是包括一個(gè)逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，它是一個(gè)真實(shí)空間或假想空間的實(shí)時(shí)仿真虛擬空間，用戶借助一定的裝備以自然的方式在該虛擬空間中漫游，從任意角度對(duì)環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生親臨其境的真實(shí)感覺，同時(shí)也可以對(duì)其中的物體進(jìn)行操作獲取反饋。在構(gòu)建煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過該數(shù)據(jù)庫(kù)可以構(gòu)建不同虛擬現(xiàn)實(shí)礦井，以便適應(yīng)不同的煤礦需求。利用目前比較成熟的Vega虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)工具，結(jié)合煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)模型，實(shí)現(xiàn)煤礦的漫游功能。在漫游功能的基礎(chǔ)上，能夠?qū)ΦV工進(jìn)行礦井地圖識(shí)別訓(xùn)練、礦井搜索訓(xùn)練等任務(wù)，使礦工在虛擬環(huán)境下能對(duì)礦井有所熟悉，并且對(duì)各種安全設(shè)施所在的方位了如指掌，增加礦工在災(zāi)變環(huán)境下的逃生能力。三維虛擬漫游系統(tǒng)的總框圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)和礦井三維虛擬環(huán)境子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)與管理，能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的記錄進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢及表格顯示。三維可視化子系統(tǒng)主要對(duì)礦井實(shí)物采用三維的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。礦井虛擬環(huán)境模塊采用一系列的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬的礦井環(huán)境，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，并能與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。礦井下漫游主要包括：

1)巷道漫游模塊

用戶在巷道里進(jìn)行自由漫游，并且把控制權(quán)交到用戶手中，使其具有很強(qiáng)的漫游感，了解主要巷道的情況，在不下井的情況下清楚地了解到井下巷道的布置狀況，為以后的工作生產(chǎn)以及安全培訓(xùn)提供了優(yōu)越的條件。

2)開采工作面模塊

動(dòng)態(tài)模擬出開采工作面的工作情況，使用戶了解礦山穿孔、爆破等階段的情況，起到教學(xué)培訓(xùn)的作用

3)運(yùn)輸作業(yè)模塊

動(dòng)態(tài)模擬出電機(jī)車運(yùn)輸?shù)教嵘藁\，以及提升的過程。在這個(gè)過程中，用戶可以從各種角度觀察整個(gè)過程，并且通過鍵盤來控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。

5.2 三維視景驅(qū)動(dòng)引擎

Vega是Multigen-Paradigm公司推出的應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)仿真及其它可視化領(lǐng)域的高性能軟件環(huán)境。它能夠?yàn)橛脩籼峁┨幚韽?fù)雜仿真事件的便捷手段，用戶可以簡(jiǎn)單迅速地創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用。Vega主要包括2個(gè)部分：其一是被稱為L(zhǎng)ynx的圖形用戶界面工具箱；另外一個(gè)是基于C語言的函數(shù)庫(kù)。

本系統(tǒng)在Vega體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用2層軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，底層為Vega/OpenGL Performer虛擬現(xiàn)實(shí)功能的實(shí)現(xiàn)，上層為程序界面和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢。這兩層通過公共結(jié)構(gòu)g_pVrInterface實(shí)現(xiàn)信息交換，軟件結(jié)構(gòu)清晰明了，增強(qiáng)了程序的健壯性。

6.井下巷道三維顯示實(shí)例

井下巷道繪制的實(shí)現(xiàn)步驟是：①首先從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取繪制井下巷道的控制數(shù)據(jù)(如控制巷道斷面形狀的參數(shù)、巷道中心線等)；②根據(jù)讀取的巷道控制數(shù)據(jù)，利用OpenGL語言繪制出井下巷道(其中包括巷道法向量的計(jì)算、巷道紋理坐標(biāo)的計(jì)算等)。

根據(jù)淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦井下巷道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)上述煤礦井下三維幾何模型構(gòu)建方法，繪制出了該礦井下巷道的三維視圖，如圖3所示，圖4是模擬井下瓦斯抽放的三維圖。由其三維幾何模型數(shù)據(jù)庫(kù)，采用成熟的Vega虛擬現(xiàn)實(shí)軟件利用VC調(diào)用函數(shù)庫(kù)對(duì)Lynx生成的ADF文件進(jìn)行編程構(gòu)建了煤礦井下虛擬現(xiàn)實(shí)情景的漫游畫面和煤礦井下虛擬工作面，分別如圖5和圖6所示。

7.結(jié)束語

本文將三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境中，對(duì)煤礦三維建模方法進(jìn)行了研究，采用OpenGL對(duì)煤礦井下情景進(jìn)行三維建模，并設(shè)計(jì)了煤礦井下三維漫游系統(tǒng)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、有效管理、高效運(yùn)行等提供了一種新的思路。

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