虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用研究

姜天碩 穆存遠(yuǎn) 董建軍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110168)

虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用研究

姜天碩 穆存遠(yuǎn) 董建軍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110168)

采礦工程中,若對(duì)于地下巖層環(huán)境不了解,就會(huì)使采礦工程的開(kāi)展造成很多不便,可視化仿真技術(shù)恰恰可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn),本文針對(duì)可視化仿真技術(shù)在采礦工程中的適用性來(lái)展開(kāi)論述。而采礦工程的可視化仿真也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,在研究和分析可視化仿真技術(shù)過(guò)程中還存在諸多問(wèn)題,主要問(wèn)題在于虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)的基礎(chǔ)模型構(gòu)建所延伸出的相關(guān)問(wèn)題,給工程的進(jìn)行帶來(lái)了很大的不便,可視化仿真技術(shù)是一項(xiàng)根據(jù)不可見(jiàn)的地方的數(shù)據(jù)收集而進(jìn)行模擬仿真成為實(shí)體的一項(xiàng)技術(shù),本文主角介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)的簡(jiǎn)要步驟,以及簡(jiǎn)要的說(shuō)明了基礎(chǔ)模型的構(gòu)建方法。采礦工程運(yùn)用可視化仿真技術(shù),可以打破傳統(tǒng)的采礦模式,讓采礦行業(yè)更加的科學(xué),對(duì)其數(shù)據(jù)的收集更加的定量化。

三維 虛擬現(xiàn)實(shí) 可視化 仿真 采礦工程

1 采礦工程現(xiàn)狀

礦山是經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間才形成的，一般來(lái)說(shuō)礦藏都是存在于地下，構(gòu)造復(fù)雜，環(huán)境多變，在這樣的環(huán)境下進(jìn)行采礦非常困難。為了采礦工程的順利進(jìn)行，在采礦過(guò)程中需要不斷的對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘察和檢測(cè)，以便及時(shí)獲得各種各樣的信息和數(shù)據(jù)，并且用一定的方法將這種信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便能了解地質(zhì)現(xiàn)有的情況，這樣才能實(shí)時(shí)的掌握采礦工程的安全性。

現(xiàn)有的礦山采礦工程中對(duì)數(shù)據(jù)和信息的儲(chǔ)存大多以文字、圖紙、圖表為主，對(duì)勘察結(jié)果的表達(dá)也是數(shù)字或平面圖，這對(duì)分析研究非常不便。由于數(shù)據(jù)和平面圖的空間感不足，表達(dá)不夠直觀，采礦工程中出現(xiàn)的問(wèn)題就難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

在傳統(tǒng)的采礦工程中，大量的數(shù)據(jù)沒(méi)有得到真實(shí)的反應(yīng)，不能有針對(duì)性地做出決策，使采礦工程風(fēng)險(xiǎn)是很大。像這樣的直觀能力差、表現(xiàn)力差、數(shù)據(jù)利用不充分、繪圖費(fèi)時(shí)、工作效率不高的傳統(tǒng)模式漸漸被淘汰。相對(duì)于其他的研究者，地質(zhì)體是一個(gè)類(lèi)型多、變化大的復(fù)雜體，由于其完全是沒(méi)有任何規(guī)律可言，因此研究起來(lái)只有打破常規(guī)，很麻煩。對(duì)于地質(zhì)的研究一般來(lái)說(shuō)包括了巖層的劃分、斷層的特征、巖土的特性、水文地質(zhì)等等，而這些數(shù)據(jù)一般來(lái)說(shuō)都是從鉆孔得到的。這些數(shù)據(jù)反映了地質(zhì)的真實(shí)情況，這對(duì)于可視化仿真技術(shù)的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。而由于地質(zhì)是一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，其內(nèi)部環(huán)境沒(méi)有固定的模式，因此在進(jìn)行取證數(shù)據(jù)時(shí)就變得尤為困難。地質(zhì)數(shù)據(jù)也是對(duì)于一個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)的數(shù)據(jù)，如果要運(yùn)用到大面積的反映還是存在一些不確定性，而為了解決這一不準(zhǔn)確性，數(shù)學(xué)上一般都會(huì)采取多地點(diǎn)取樣來(lái)進(jìn)行多數(shù)據(jù)的采集，這樣就可以有效的減少誤差，而這樣做的缺點(diǎn)就是建立出來(lái)的三維模型往往都是點(diǎn)分布不均衡，離散型的，這樣對(duì)后期的分析是非常困難的。

圖1

圖2

圖3

2 采礦工程三維可視化技術(shù)的基本介紹

三維可視化技術(shù)是一個(gè)用于對(duì)地下情況的顯示，以了解地下情況的一種技術(shù)，一般用于地質(zhì)和地球物理研究中。三維可視化技術(shù)就是將肉眼看不見(jiàn)而確實(shí)存在的東西利用數(shù)據(jù)描繪出來(lái)，便于研究者的理解，其實(shí)質(zhì)是一種對(duì)于數(shù)據(jù)的真實(shí)表現(xiàn)，而不僅僅是一種模擬。是一個(gè)利用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話的技術(shù)，利用數(shù)據(jù)使被研究對(duì)象“可視化”，然后可以檢查已有資料的可靠性，也可以對(duì)于以后的數(shù)據(jù)收集進(jìn)行一個(gè)綜合的辨認(rèn)，以防數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，被研究對(duì)象如果出現(xiàn)異常也會(huì)從數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出來(lái)，這不僅在地質(zhì)學(xué)上，在很多地方都有很廣泛的用處。

可視化仿真技術(shù)是利用三維對(duì)于被研究對(duì)象的一種解釋?zhuān)瑫r(shí)更是對(duì)研究成果的形象而生動(dòng)的表達(dá)。在傳統(tǒng)的地質(zhì)研究中，研究者通過(guò)對(duì)不同地層進(jìn)行逐個(gè)研究，才會(huì)合成一個(gè)三維空間，三維可視化仿真技術(shù)就是通過(guò)對(duì)地層的數(shù)據(jù)收集、透明度收集，直接利用三維技術(shù)在三維空間內(nèi)合成用來(lái)表達(dá)地層的構(gòu)造和屬性。

圖4

3 采礦工程虛擬現(xiàn)實(shí)可視化的制作步驟

虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)是今年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)和三維技術(shù)，將得到的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以三維空間的方式展現(xiàn)出來(lái)，這樣就可以方便的處理了大量的數(shù)據(jù)和信息，并且以最簡(jiǎn)單的方式展現(xiàn)出來(lái)，這對(duì)于信息和數(shù)據(jù)的處理和利用都是有非常大的作用的。虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)是現(xiàn)在最熱門(mén)的立體三維展示技術(shù)，它是將被研究的對(duì)象利用其得到的數(shù)據(jù)將其在現(xiàn)實(shí)生活中模擬的再現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)然這是需要特定的空間數(shù)據(jù)收集和處理方法，這樣才能做一個(gè)仿真的模型，讓用戶(hù)研究更加的方便快捷。在采礦工程中，礦山壓力和巖層控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)三維空間問(wèn)題，而我們所繪制的圖形要么是平面圖形，要么是靜態(tài)三維圖形，即使是現(xiàn)場(chǎng)參觀，看到的還是靜態(tài)的，這對(duì)于礦山壓力和巖層的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，這樣對(duì)于其分析就帶來(lái)了很大的不便。一般來(lái)說(shuō)在地下是存在很多的壓力的，這是看不見(jiàn)的，只能通過(guò)所學(xué)的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)想象，這樣造成的誤差就非常的大。而針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)得到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算研究，得到礦山之間的壓力，從而對(duì)其得到很好的控制，下面我們就對(duì)采礦工程的具體制作步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

首先我們要按照工程的要求進(jìn)行，例如礦上的整體尺寸、燈光的布局、以及材質(zhì)的應(yīng)用都應(yīng)該準(zhǔn)確。在采礦工程三維場(chǎng)景建立好之后，需要在場(chǎng)景中安裝一盞攝像機(jī)來(lái)模擬人的眼睛，攝像機(jī)的高度調(diào)節(jié)成人的高度，視野設(shè)置成人的視野范圍，以求真實(shí)。最后將制作好的文件導(dǎo)入VRML瀏覽器中，以方便操作用戶(hù)更直觀的了解工程。具體的制作步驟如下：

3.1 利用3Dmax三維軟件初步建立可視化三維結(jié)構(gòu)及模型

地質(zhì)是一個(gè)非常復(fù)雜的研究對(duì)象，其不僅包含了不同的質(zhì)地，形狀和結(jié)構(gòu)也是復(fù)雜多變的，在研究地質(zhì)的時(shí)候首先就是要根據(jù)三維可視化仿真技術(shù)的需要，充分的反應(yīng)所研究的對(duì)象的屬性和特點(diǎn)，這樣才能讓建立出來(lái)的三維仿真系統(tǒng)最大程度的反應(yīng)被研究對(duì)象的特點(diǎn)。將三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行收集，利用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立采礦工程虛擬可視化仿真環(huán)境。

虛擬可視化三維環(huán)境的建立中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)包括模型、材質(zhì)、燈光、攝像機(jī)和動(dòng)畫(huà)五大要素來(lái)構(gòu)成虛擬可視化三維系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)我們要利用到3Dmax三維制作工具，要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)效果精良的虛擬操作環(huán)境，首先就要掌握基礎(chǔ)環(huán)節(jié)這五大要素的基礎(chǔ)知識(shí)，首先我們對(duì)第一要素模型的建立進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，圖1為仿真模型建立。

通常，建模技術(shù)可分為兩類(lèi)：幾何建模和行為建模。幾何模型是基于物體的幾何形狀等信息和表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等問(wèn);行為建模則是處理對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)和行為的描述，通常稱(chēng)之為動(dòng)畫(huà)這個(gè)我們?cè)诘谖逡绖?dòng)畫(huà)中會(huì)有介紹。

幾何建模的方法按其結(jié)構(gòu)又可分以下兩種：

(1)層次建模法：是利用樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示物體的各個(gè)組成部分。樹(shù)形結(jié)構(gòu)不僅提供了一種簡(jiǎn)便自然的分割復(fù)雜物體的方法，而且對(duì)模型的修改也十分有利。在移動(dòng)單獨(dú)的局部節(jié)點(diǎn)時(shí)，只需要描述該節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其父節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置和方向即可。層次建模法對(duì)于物體的結(jié)構(gòu)自然描述，易于顯示。

(2)屬主建模法：屬主建模法的思想是讓同一種對(duì)象擁有同一個(gè)屬主，包含了該類(lèi)對(duì)象的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)要建立某個(gè)重復(fù)模型時(shí)只要建立一個(gè)指向?qū)僦鞯闹羔樇纯?。此方法的?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單高效、易于修改、一致性強(qiáng)。對(duì)于同一種物體相同的物體結(jié)構(gòu)只需要建立一次。

3.2 三維結(jié)構(gòu)模型的材質(zhì)與貼圖

采礦工程虛擬可視化三維環(huán)境系統(tǒng)中光有模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如果一個(gè)物體僅具有一種單調(diào)的顏色，這個(gè)物體就不會(huì)給操作用戶(hù)帶來(lái)更直觀的預(yù)覽效果，其真實(shí)感也將大大減弱。材質(zhì)，就是在物體表面創(chuàng)造出一種光學(xué)效果，讓模型在著色時(shí)展現(xiàn)出不同的質(zhì)地和色彩。例如，讓模型看起來(lái)像玻璃、金屬或者大理石等。貼圖是材質(zhì)編輯器中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，一個(gè)好的三維場(chǎng)景，其貼圖的使用是很頻繁的。用好貼圖將大大增強(qiáng)模型的真實(shí)感。圖2為模型材質(zhì)烘培。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化場(chǎng)景的燈光與環(huán)境

在制作了逼真的三維模型與精美的材質(zhì)后，還需要模擬一些自然界中的環(huán)境效果，使采礦工程場(chǎng)景顯得更為真實(shí)。3Dmax系統(tǒng)主要為用戶(hù)提供了兩種環(huán)境處理手段，即燈光和霧。燈光是制作三維場(chǎng)景時(shí)一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。在3Dmax中，燈光是一種特殊的對(duì)象，它本身不能被渲染著色，但它卻影響著其他物體的表面和色彩。因而，燈光和材質(zhì)起著同樣的作用和效果，二者相結(jié)合，將使物體更具真實(shí)感與魅力。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化場(chǎng)景中動(dòng)畫(huà)制作與攝像機(jī)動(dòng)畫(huà)

動(dòng)畫(huà)為動(dòng)態(tài)的觀察和表現(xiàn)三維場(chǎng)景及其物體提供了一種最為有效的方法。在3Dmax中，可以制作變換動(dòng)畫(huà)(移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放)、放樣動(dòng)畫(huà)、粒子動(dòng)畫(huà)、管理器動(dòng)畫(huà)、動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫(huà)、正向或反向鏈接動(dòng)畫(huà)、環(huán)境動(dòng)畫(huà)、材質(zhì)動(dòng)畫(huà)以及變形動(dòng)畫(huà)等。總之在3dmax中凡是有參數(shù)設(shè)定的模塊功能，幾乎都可以制作成為某種形式的動(dòng)畫(huà)效果。

在虛擬空間中建立模型后，如果在再建立一臺(tái)攝像機(jī)，并使它運(yùn)動(dòng)起來(lái)擺設(shè)這個(gè)虛擬的空間景象，就可以獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的攝影過(guò)程，從而形成一種全方位的場(chǎng)景瀏覽動(dòng)畫(huà)。圖3，圖4為攝像機(jī)設(shè)置過(guò)程圖。

3.5 Dmax與VRML的結(jié)合

VRML其實(shí)是一套虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言規(guī)范，他的特點(diǎn)是文件小，靈活度比較自由，比較適合網(wǎng)絡(luò)傳播，但程序語(yǔ)言繁雜且年代較久遠(yuǎn)，所以畫(huà)面效果比較差，與VRML復(fù)雜的程序指令相比，3Dmax則是一種快捷直觀的建模方法。對(duì)于一個(gè)在3Dmax中創(chuàng)建出來(lái)的三維場(chǎng)景，用戶(hù)不但可以將它直接導(dǎo)出到VRML中，還能夠在其中插入多種VRML節(jié)點(diǎn)，并且將這些節(jié)點(diǎn)和空間中的造型鏈接在一起，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，以致最后得到的VRML文件和直接編寫(xiě)的VRML文件完全相同。

首先是將上述的模型軟件轉(zhuǎn)換為VRML可支持的格式，在3DMax中用Export命令，將模型轉(zhuǎn)換為.WRL文件，這是支持的文件格式，然后在VRML瀏覽器中進(jìn)行程序語(yǔ)言描述。在這里可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作控制。通過(guò)程序控制可以設(shè)置鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)的導(dǎo)航控制，也可以實(shí)現(xiàn)豐富的漫游動(dòng)作控制，如在一個(gè)場(chǎng)景中，用鍵盤(pán)來(lái)控制左右行走，用鼠標(biāo)來(lái)控制行走、開(kāi)關(guān)等以及更為復(fù)雜的機(jī)關(guān)系統(tǒng)，同時(shí)也可以嵌入音樂(lè)以及動(dòng)畫(huà)，使得漫游更為豐富。

4 結(jié)語(yǔ)

可視化仿真技術(shù)在現(xiàn)在來(lái)說(shuō)在地質(zhì)方面受到了很大的重視，其在采礦方面的應(yīng)用使得采礦工程更加的方便，采礦工程結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，相關(guān)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)工作難度系數(shù)很高，其內(nèi)外形態(tài)的不可預(yù)見(jiàn)性決定了可視化仿真技術(shù)研究成為一個(gè)重要難點(diǎn)。本論文研究在采礦工程的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真技術(shù)的具體制作步驟中，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論。

(1)可視化仿真技術(shù)是一項(xiàng)需要非常謹(jǐn)慎而又復(fù)雜的工程，必須要有先進(jìn)的三維建模軟件和操作技巧作為采礦工程建模的關(guān)鍵基礎(chǔ)，同時(shí)還要掌握虛擬現(xiàn)實(shí)可視化建模技術(shù)、以及對(duì)采礦工程等專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，根據(jù)一定的工程經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造三維空間結(jié)構(gòu)模型。

(2)采礦工程可視化仿真技術(shù)模型的構(gòu)建對(duì)于殘余礦物儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)具有很重要的意義，假使建模不能即使反饋地下礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，就會(huì)影響殘余礦物開(kāi)發(fā)回采的經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

[1]梁宇濤.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006年03期.

[2]夏艷華,白世偉.層狀地質(zhì)體與地下工程開(kāi)挖三維可視化[J].巖土力學(xué),2004(12).

[3]張建桃,伏永明.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井規(guī)劃與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2005年03期.

姜天碩,男,遼寧沈陽(yáng)人,學(xué)歷：碩士,主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。