基于OpenGL的虛擬礦山系統(tǒng)的研究

摘 要：利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井三維可視化是虛擬礦山系統(tǒng)的重點(diǎn)，分析了基于OpenGL開發(fā)虛擬礦山系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)的OpenGL選擇算法，實(shí)現(xiàn)了選擇三維圖形對(duì)象，獲取屬性信息和進(jìn)行空間查詢分析，使用OpenGL紋理映射技術(shù)，使巷道的顯示更有真實(shí)感，對(duì)礦山設(shè)備分類建立了三維模型，基于此技術(shù)研究，構(gòu)建了一個(gè)小型的虛擬礦山系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：OpenGL；虛擬礦山；紋理映射；選擇

中圖分類號(hào)：TP311.1

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子、機(jī)械、視聽等高新技術(shù)，模擬人在特定環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)[1]。

OpenGL是由SGI公司推出的獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境的開放式三維圖形庫(kù)，作為一種用于實(shí)時(shí)3D圖形的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可和接受。OpenGL具有強(qiáng)大的圖形功能和良好的跨平臺(tái)移植能力，目前已被廣泛應(yīng)用于可視化技術(shù)、實(shí)體造型、模擬仿真等諸多領(lǐng)域[2]。

利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井三維可視化是虛擬礦山系統(tǒng)的重點(diǎn)，本文研究分析了基于OpenGL開發(fā)虛擬礦山系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)。

1 三維圖形對(duì)象的選擇

在基于OpenGL礦山三維可視化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)通過(guò)選擇三維圖形對(duì)象，獲取圖形對(duì)應(yīng)的屬性信息，進(jìn)行空間查詢和分析。

根據(jù)虛擬礦山系統(tǒng)的需求分析，需要完成以下功能：在三維顯示圖形上，煤層或地表上任一點(diǎn)的三維坐標(biāo)的獲取，應(yīng)力云圖上任一點(diǎn)的應(yīng)力值的獲取，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊巷道、工作面、設(shè)備等三維模型，可以獲得其對(duì)應(yīng)的屬性信息。關(guān)鍵是解決在已經(jīng)渲染至窗口的三維場(chǎng)景中，使用鼠標(biāo)選擇三維對(duì)象的問(wèn)題。

OpenGL提供了選擇與反饋機(jī)制來(lái)滿足用戶使用鼠標(biāo)交互操作三維圖形的需要。選擇與反饋機(jī)制有許多缺陷，難以滿足虛擬礦山系統(tǒng)中選擇三維對(duì)象的要求，因此采用改進(jìn)的OpenGl選擇算法，其主要思想如下：

在OpenGL中，視野的邊界所圍成的幾何體是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平截頭體（Frustum），視錐的錐頂就是視點(diǎn)，如圖1所示，遠(yuǎn)裁剪面ABCD和近裁剪面A1B1C1D1構(gòu)成了平截頭體，加上虛線部分就是視錐，頂點(diǎn)O就是攝像機(jī)所在的視點(diǎn)。我們點(diǎn)擊屏幕上的某一點(diǎn)，也就確定了屏幕上從O點(diǎn)出發(fā)的射線OP，點(diǎn)P在遠(yuǎn)裁剪面ABCD，我們稱OP選擇射線，反映到視錐中，就是選中了所有的從點(diǎn)P到點(diǎn)P1的點(diǎn)，點(diǎn)P1在近裁剪面A1B1C1D1上。

因此根據(jù)窗口的XY坐標(biāo)，只能獲得一條出發(fā)自O(shè)點(diǎn)的選擇射線，并不能得到用戶想要的點(diǎn)在這條射線上的確切位置。只有通過(guò)Z坐標(biāo)，才能確定選擇的點(diǎn)在射線上的位置。假如用戶點(diǎn)擊了屏幕上的點(diǎn)（200，200），通過(guò)OpenGL相關(guān)的方法可求得P、P1點(diǎn)，即可得到射線OP，然后遍歷場(chǎng)景中的所有三維對(duì)象（場(chǎng)景中三維對(duì)象的管理采用了八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高了遍歷速度），與射線OP求交點(diǎn)，如果找到一個(gè)相交的三維對(duì)象，就表示此三維對(duì)象是要選中的對(duì)象，選中點(diǎn)為交點(diǎn)，如果找到多個(gè)相交的三維對(duì)象，比較交點(diǎn)的z坐標(biāo)，即可確定與視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，選擇符合條件的作為選擇的對(duì)象，例如，選離視點(diǎn)最近的三維對(duì)象作為選擇的對(duì)象。

2 巷道三維渲染

2.1 巷道屬性表達(dá)

在構(gòu)建了巷道的三維模型之后，為了使巷道的漫游更真實(shí)，還需考慮煤礦巷道的具有多種空間形態(tài)和功能，即有不同的屬性。常見(jiàn)的巷道斷面形狀主要有直壁拱形、梯形、矩形等。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法對(duì)直壁拱形、梯形、矩形斷面進(jìn)行建模，這三種斷面都統(tǒng)一看作是多邊形，這樣就簡(jiǎn)化了斷面的建模。巷道具有多種功能，例如采煤巷道、運(yùn)輸巷道、儲(chǔ)水巷道（水倉(cāng)）等，有時(shí)一條巷道有多種用途，也就具有多重功能[3]。使用OpenGL三維可視化技術(shù)，可以使用紋理、顏色、光照等可視化表達(dá)屬性來(lái)顯示巷道，將可視化表達(dá)屬性與巷道的功能、支護(hù)方式等巷道屬性關(guān)聯(lián)起來(lái)。例如，可使用紋理來(lái)表達(dá)錨網(wǎng)支護(hù)和U型鋼支護(hù)的不同外觀。

2.2 巷道紋理映射

在巷道的三維顯示中，使用紋理映射技術(shù)，使巷道的顯示更有真實(shí)感，并能表示出巷道的屬性，例如要模擬巷道的混凝土內(nèi)壁表面，首先，做好混凝土位圖，然后通過(guò)紋理映射覆蓋到巷道的內(nèi)壁表面，這樣巷道內(nèi)壁就變成了混凝土材質(zhì)；例如要模擬巷道的錨網(wǎng)支護(hù)，可以將錨網(wǎng)照片做成位圖，使用紋理映射就可以將其覆蓋到巷道的內(nèi)壁表面，這樣就可以比較真實(shí)地模擬錨網(wǎng)支護(hù)的場(chǎng)景。

概括地說(shuō)，使用紋理映射的一般步驟為：定義紋理貼圖、控制紋理、說(shuō)明紋理貼圖方式，定義紋理坐標(biāo)等。下面以使用紋理映射實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)壁混凝土材質(zhì)為例，說(shuō)明定義紋理坐標(biāo)的過(guò)程：

使用glTexCoord2f設(shè)置紋理坐標(biāo)，glTexCoord2f的第一個(gè)參數(shù)是X坐標(biāo)，0.0f是紋理的左側(cè)，0.5f是紋理的中點(diǎn)，1.0f是紋理的右側(cè)。glTexCoord2f的第二個(gè)參數(shù)是Y坐標(biāo)，0.0f是紋理的底部。0.5f是紋理的中點(diǎn)，1.0f是紋理的頂部。一段巷道的三維模型，是由多個(gè)四邊形組成，由于巷道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，紋理要沿巷道重復(fù)多次才能覆蓋組成巷道的四邊形，紋理坐標(biāo)必須根據(jù)巷道長(zhǎng)度計(jì)算，設(shè)拱形巷道長(zhǎng)度length，巷道側(cè)壁高度height，巷道寬度為width，設(shè)yy=1。

巷道頂面紋理坐標(biāo)計(jì)算：巷道頂面有8個(gè)四邊形組成，假設(shè)巷道的長(zhǎng)度為設(shè)置第i（i從0到7）個(gè)四邊形4個(gè)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)如下：

3 礦山設(shè)備三維建模

巷道內(nèi)部包含各種設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)漫游，必須對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行三維建模。巷道內(nèi)設(shè)包備括軌道、傳送帶、電纜、管道、機(jī)車、采煤機(jī)等。根據(jù)巷道內(nèi)設(shè)備的位置確定和形狀，可以分為兩類：一種是線狀物，如軌道、管道、電纜等，另一類是點(diǎn)狀物，如機(jī)車、采煤機(jī)等。對(duì)于點(diǎn)狀物設(shè)備，可以先使用專門的三維建模工具軟件構(gòu)建模型，然后加載到漫游軟件中，放置到指定位置，并進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整方位，對(duì)于線狀設(shè)備，可以類比繪制巷道體的算法進(jìn)行建模，直接使用OpenGL技術(shù)進(jìn)行繪制、渲染。如圖2所示，巷道中的管道、電纜都是線狀物，使用OpenGL直接建立三維模型。

使用OpenGL技術(shù)，可以繪制、渲染任何一個(gè)三維模型。但對(duì)應(yīng)巷道內(nèi)的點(diǎn)狀物設(shè)備，繪制十分復(fù)雜，對(duì)于這樣的情況，使用OpenGL代碼來(lái)創(chuàng)建模型顯得即復(fù)雜又不直觀，難以調(diào)試。因此，先使用專門的建模工具M(jìn)aya創(chuàng)建模型，再將模型導(dǎo)出為特定的格式，然后在系統(tǒng)中載入這個(gè)模型。過(guò)程如下：

（1）使用建模工具M(jìn)aya創(chuàng)建模型；（2）將模型輸出為OBJ格式；（3）載入OBJ模型，在程序中放置到指定位置，并進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，調(diào)整方位，渲染模型，確定模型的位置與方向是關(guān)鍵。

4 結(jié)束語(yǔ)

探討了基于OpenGL基于開發(fā)虛擬礦山系統(tǒng)的基本原理和一些關(guān)鍵技術(shù)，如OpenGL選擇算法的改進(jìn)，紋理映射技術(shù)，載入Maya模型等，并基于這些技術(shù)研究，構(gòu)建了一個(gè)小型的虛擬礦山系統(tǒng)，證明基于OpenGL開發(fā)虛擬礦山系統(tǒng)是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳立新.3維地學(xué)模擬與虛擬礦山系統(tǒng)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2002（31）.

[2]湯彬.基于OpenGl的交互技術(shù)研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（20）.

[3]王寶山，魏占營(yíng).煤礦虛擬環(huán)境的巷道3維建模研究[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（22）.

作者簡(jiǎn)介：董林（1971-），男，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

作者單位：山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826