增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓衛(wèi)關(guān)

[摘要]通過介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維顯示技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人機(jī)交互等學(xué)科結(jié)合應(yīng)用于采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，探討采礦實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的各類問題和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在解決這些問題上的應(yīng)用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向?qū)Σ傻V工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值和促進(jìn)作用，為采礦工程節(jié)約資本，增加效益，拓寬學(xué)生思維。

[關(guān)鍵詞]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 采礦 教學(xué)

[中圖分類號(hào)] P61 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-443-1

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興科技技術(shù)因計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)時(shí)代的飛速發(fā)展、現(xiàn)實(shí)生活的需要而得到了飛速發(fā)展。

采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是通過教授專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生掌握固體礦床開采的基本理論和方法，具備采礦工程師的基本能力，能在采礦領(lǐng)域等方面從事礦區(qū)開發(fā)規(guī)劃、礦山（露天、井下）設(shè)計(jì)、礦山安全技術(shù)及工程設(shè)計(jì)、監(jiān)察、生產(chǎn)技術(shù)管理科學(xué)研究等工作。

本文通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來介紹它在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)交互和可視化

所謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR），是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用通常是以透過式頭盔顯示系統(tǒng)和注冊(cè)（AR系統(tǒng)中用戶觀察點(diǎn)和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體的定位）系統(tǒng)相結(jié)合的形式來實(shí)現(xiàn)的，是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Environments，簡(jiǎn)稱VE）技術(shù)的升級(jí)技術(shù)，是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來。

使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的用戶，將完全沉浸于一個(gè)虛擬的合成世界中，這個(gè)時(shí)候，用戶是無法看到他所處的現(xiàn)實(shí)世界的。

而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻可以讓用戶看到虛擬事物和信息與現(xiàn)實(shí)世界重疊的二維世界。

也就是說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是使用信息技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種補(bǔ)充和增強(qiáng)，而不是用虛擬化技術(shù)制造出一個(gè)完全虛擬的世界來取代現(xiàn)實(shí)世界。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬進(jìn)入到人們所不能進(jìn)入到的特殊環(huán)境中。

攝像機(jī)攝取的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬景象合成，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將數(shù)字化信息和真實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)融合到同一個(gè)屏幕空間，將虛擬的礦下管線和虛擬圖形模型和對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬仿真后再進(jìn)行疊加，并輸出到屏幕顯示器用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場(chǎng)景圖片。

進(jìn)行采礦勘測(cè)時(shí)，可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行方位的識(shí)別，獲得勘測(cè)地點(diǎn)的地理數(shù)據(jù)等重要勘測(cè)數(shù)據(jù)。

這種采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將規(guī)劃效果疊加真實(shí)場(chǎng)景中以直接獲得規(guī)劃的效果的做法，既保留重要信息，減少細(xì)節(jié)冗余又使其可視化。

2對(duì)采礦機(jī)械的研究和維修建設(shè)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在采礦工程中，以其精度和穩(wěn)定性，可以用于對(duì)采礦機(jī)械進(jìn)行功能開發(fā)、裝配和維修建設(shè)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來展示如何讓機(jī)械臂融入到地下的環(huán)境、機(jī)械的操作范圍，而且還能用來演示機(jī)械的工作范圍和運(yùn)作狀態(tài)，以及如何與其他設(shè)備或其他工業(yè)機(jī)械協(xié)同工作，或是某些不可測(cè)因素或突發(fā)事件對(duì)機(jī)械所造成的的干擾。

工業(yè)機(jī)械模型和地下礦道的逼真立體感和交互感，使模型中的礦井結(jié)構(gòu)足夠逼真，減少與實(shí)際礦井結(jié)構(gòu)的差距。

懸浮在真實(shí)器械表面的3D虛擬指令，可以告訴操作者每一步該做什么，怎么做，這當(dāng)然要比帶有文字和圖片的操作手冊(cè)更加直接明了，維修人員通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、被維修設(shè)備零件圖等，可以獲取更加有用的維修信息。

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬環(huán)境模型和實(shí)物模型相疊加、結(jié)合的特點(diǎn)，將真實(shí)的裝配空間和虛擬的零件模型操作結(jié)合到一起，使裝配環(huán)境更加真實(shí)，交互方式更加自然，裝配操作更加直觀高效，裝配效果更加可靠。給研究人員和學(xué)生以形象直觀的感觸，將教學(xué)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大化。

3節(jié)省場(chǎng)地設(shè)施、經(jīng)費(fèi)，保證教學(xué)質(zhì)量

高校作為非盈利性機(jī)構(gòu)，在教學(xué)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等方面的資金捉襟見肘，無法真正地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐能力的需要。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中設(shè)定教學(xué)模型，增加動(dòng)態(tài)操作，緩解了經(jīng)費(fèi)投入不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地的建設(shè)滯后的問題，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐能力。

在巷道設(shè)計(jì)、機(jī)械維修、采礦工藝、礦山開采過程等方面進(jìn)行高度仿真，可支持大學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，模擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，補(bǔ)充了現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐不足，對(duì)礦山不可及、不可逆的工程問題的解決，提供了新的研究手段和方法，節(jié)約了人力、物力、財(cái)力，減少了對(duì)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)耗材的支出，有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法占用大量時(shí)間、試驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料問題，具有費(fèi)用低廉、可重復(fù)操作性強(qiáng)、師生安全上有保證等優(yōu)點(diǎn)。

4總結(jié)

在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，應(yīng)充分發(fā)揮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化采礦業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。能對(duì)礦山開采過程，機(jī)械維修和運(yùn)作、巷道設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行高度模擬和仿真，可支持大學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。明確發(fā)展思路，豐富和改進(jìn)理論知識(shí)，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，創(chuàng)新教學(xué)模式，凝練優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓展培訓(xùn)和交流方式，，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，不斷擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輻射范圍，發(fā)揮科技作為第一生產(chǎn)力的引領(lǐng)作用，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，為國(guó)家建設(shè)培養(yǎng)一批高質(zhì)量應(yīng)用型人才，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也必將在采礦工程等眾多行業(yè)的應(yīng)用中體現(xiàn)巨大的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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