西山煤田巖礦標(biāo)本精細(xì)化三維建模及其虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)

張瓊月，陳黎明，趙金貴，王建民

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質(zhì) 114 勘查院，山西 長治 046011)

館藏巖礦標(biāo)本具有唯一性和不可再生性，是地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員學(xué)術(shù)交流和地學(xué)科普工作開展的載體，存在采集難度大、缺乏統(tǒng)一管理、服務(wù)利用受客觀條件限制等問題[1]，使得礦區(qū)、高校等單位巖礦標(biāo)本利用程度不高，給地質(zhì)工作和學(xué)習(xí)帶來諸多不便，不利于巖礦標(biāo)本潛在價(jià)值的發(fā)掘和利用。

隨著數(shù)字化和可視化技術(shù)的進(jìn)步，地質(zhì)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相互結(jié)合，逐步推進(jìn)地學(xué)資源信息化、科技化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化[2-4]，是地學(xué)科普發(fā)展的整體趨勢。國外一些較著名的化石標(biāo)本庫和博物館將館藏標(biāo)本及相關(guān)資料已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，但標(biāo)本信息主要以文字和圖片的形式呈現(xiàn)，如著名巖礦數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站Mindat.org和Geologynet Online Geology Database[5]。國家?guī)r礦化石資源共享平臺(tái)[6]整合了我國重要的巖礦化石標(biāo)本資源，以文字、圖片、視頻等形式對標(biāo)本資源進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)標(biāo)本信息數(shù)字化管理與資源網(wǎng)絡(luò)共享，但該平臺(tái)晶體標(biāo)本三維模型數(shù)據(jù)量較少且需要依賴插件瀏覽，紋理清晰度仍有待提高。羅玉瓊等[7]利用Visual FoxPro 數(shù)據(jù)庫技術(shù)研發(fā)出“礦物、巖石、古生物標(biāo)本數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)”，該信息數(shù)字化管理系統(tǒng)僅存儲(chǔ)了實(shí)物標(biāo)本的數(shù)字影像。前人主要從國家和高校層面對地學(xué)相關(guān)標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化管理和分享，共享形式主要以文本、圖片和視頻為主，然而在信息技術(shù)發(fā)展極其迅速的時(shí)代，人們對可視化的需求不僅停留在圖片、視頻等形式，三維模型更受青睞[8]。P.K.Allen 等[9]利用三維激光掃描技術(shù)對斯特大教堂建立起三維模型，但該技術(shù)成本高，適用于對大尺度實(shí)物進(jìn)行三維建模，而巖礦標(biāo)本一般尺寸較小，對三維模型建模質(zhì)量以及紋理清晰度要求更高。牛永斌等[10]基于小尺度地質(zhì)體建模思路，將表面特征建模和實(shí)體結(jié)構(gòu)建模相結(jié)合，表面特征建模采用三維掃描儀完成，實(shí)體結(jié)構(gòu)建模利用VRML(虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)，該方法成本高、效率低。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在攝影測量中的發(fā)展和應(yīng)用，呈現(xiàn)出一些優(yōu)秀的三維建模軟件，如3DF Zephyr、ContextCapture Center Master、PhotoScan，這些軟件主要用于大型航測影像三維建模，也能很好地適用小尺度實(shí)物三維建模[11]。李銳[12]、陳志軍[13]等對中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)300 多個(gè)巖礦石標(biāo)本建立起三維模型，并基于Google Earth GIS 技術(shù)和Unity 技術(shù)開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，但巖礦標(biāo)本三維重建流程還可以進(jìn)一步優(yōu)化，網(wǎng)站加載三維模型速度還有提高空間。

三維模型相較于文本和圖片是一種更生動(dòng)逼真的科普和展示形式，巖礦標(biāo)本作為指導(dǎo)勘探、生產(chǎn)、開發(fā)以及科學(xué)研究的基礎(chǔ)，對于三維重建的需求與日俱增。借鑒前人對巖礦標(biāo)本三維模型重建的研究成果，筆者將進(jìn)一步從原始圖像質(zhì)量和三維重建軟件比選兩方面出發(fā)，優(yōu)化礦區(qū)巖礦標(biāo)本三維建模技術(shù)，提高建模精度，并搭建巖礦標(biāo)本虛擬仿真平臺(tái)，在保證三維模型精度前提下通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換壓縮三維模型數(shù)據(jù)內(nèi)存，加快三維模型在瀏覽器上加載和渲染的速度，最終形成一套規(guī)范化的礦區(qū)巖礦標(biāo)本建模流程和虛擬仿真平臺(tái)搭建方法，具有較高的可執(zhí)行性和一定的經(jīng)濟(jì)效益。該研究可有效提升西山煤電集團(tuán)煤礦地質(zhì)工作者的基本地質(zhì)素養(yǎng)，提高基本地質(zhì)技能，拓展煤礦地質(zhì)工作者的全局觀、系統(tǒng)觀、科學(xué)觀以及地質(zhì)視野。

1 巖礦標(biāo)本精細(xì)化三維重建

目前比較常用的三維重建技術(shù)有三類：第一，幾何建模技術(shù)，適用于結(jié)構(gòu)簡單、紋理單一的巖石和礦物標(biāo)本，而西山煤田巖礦標(biāo)本種類多種多樣，大多紋理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；第二，三維激光掃描技術(shù)，其構(gòu)建三維模型速度快、精度高、效果好，但此方法成本高，適用于對高價(jià)值、大體積的實(shí)物進(jìn)行建模，對于小尺度的巖礦標(biāo)本適用性較差；第三，多視圖圖像三維重建技術(shù)，該技術(shù)是近些年發(fā)展成熟的一種三維重建技術(shù)，通過量測或非量測相機(jī)多視角、多層次地拍攝照片，得到一組高重疊率物體表面的照片，然后通過提取各照片的特征點(diǎn)，依據(jù)這些特征點(diǎn)的稀疏匹配解算出照片的三維位置，進(jìn)而經(jīng)過密集匹配獲得物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)[14]，相比幾何建模和三維激光掃描技術(shù)具有采集數(shù)據(jù)效率高、易操作、成本低的特點(diǎn)，可對大量巖礦標(biāo)本進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，依據(jù)礦區(qū)巖礦標(biāo)本自身特性，本文選擇多視圖圖像三維重建技術(shù)，通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集專用裝置優(yōu)化原始圖像質(zhì)量，并優(yōu)選三維建模軟件，給出適用于該技術(shù)的巖礦標(biāo)本建模流程，能夠?qū)崿F(xiàn)巖礦標(biāo)本精細(xì)化建模。

1.1 原始圖像質(zhì)量優(yōu)化

原始圖像質(zhì)量決定三維重建效果，為提高原始圖像質(zhì)量，本文從相機(jī)參數(shù)、照片重疊度、拍攝環(huán)境三方面考慮，設(shè)計(jì)三維環(huán)物攝影裝置。該裝置是獲取高質(zhì)量圖像的重要保障，由小型攝影棚、旋轉(zhuǎn)托盤、單反相機(jī)、三腳架組成(圖1)。攝影棚主要用于消除周圍雜物和自然光線不均勻而產(chǎn)生陰影等問題，從而消除其對圖像中主要物體建模產(chǎn)生的影響，而充足的光線能夠保證顏色較深的煤和泥巖等標(biāo)本的清晰度，使其表面色彩、紋理等細(xì)節(jié)更清晰；三腳架穩(wěn)定相機(jī)能夠有效防止拍攝時(shí)的機(jī)身抖動(dòng)，從而改善拍攝效果；自動(dòng)旋轉(zhuǎn)托盤配合相機(jī)連拍，極大提高圖像采集速度。

圖1 三維環(huán)物攝影系統(tǒng)裝置組件Fig.1 Device assembly of the three-dimensional ring object photography system

在圖像數(shù)據(jù)采集中，相機(jī)分辨率、光圈值、感光強(qiáng)度和焦距等設(shè)置都會(huì)影響照片質(zhì)量。綜合考慮紋理清晰度以及建模所用時(shí)間，分辨率選取為3 840×2 560。選用較小光圈以保證拍攝物體前后清晰。圖2 對比了相機(jī)不同參數(shù)對特征點(diǎn)提取數(shù)量的影響，在快門速度不變的情況下，調(diào)整感光度和光圈值使得曝光強(qiáng)度保持一致，使用Visual SFM 軟件提取4 張不同參數(shù)拍攝照片的特征點(diǎn)。結(jié)果表明，當(dāng)快門速度為1/160 s 時(shí)，保持光圈值在5.6～11.0，感光強(qiáng)度為100～400，圖像上可以提取到更多的特征點(diǎn)。

圖2 不同相機(jī)參數(shù)對特征點(diǎn)個(gè)數(shù)的影響Fig.2 Influence of different camera parameters on the number of feature points

拍攝前，搭建小型攝影棚，調(diào)整好燈光強(qiáng)度、相機(jī)參數(shù)以及拍照角度和位置，將巖石標(biāo)本放置在旋轉(zhuǎn)托盤上并置于攝影棚中央，用圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)拍方式獲取標(biāo)本360 度圖像。為保證模型結(jié)構(gòu)完整、紋理清晰，相鄰兩張圖像重疊率應(yīng)不低于60%，且照片數(shù)量不少于60 張。對太原西山煤田300 多塊巖礦標(biāo)本采用上述方式進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，建模質(zhì)量較高，保證了模型的完整度，而且工作效率得到很大提升。

1.2 三維重建軟件優(yōu)選

高質(zhì)量圖像是精細(xì)化建模的關(guān)鍵，而建模效率和建模質(zhì)量取決于建模軟件的性能，為保證建模效率和質(zhì)量，本文使用3DF Zephyr、ContextCapture Center、PhotoScan 三種主流軟件分別構(gòu)建白云巖標(biāo)本三維模型，并進(jìn)行綜合對比分析。從圖3 可見，PhotoScan 軟件重建的三維模型顏色與實(shí)物相差較大，3DF Zephyr軟件重建的三維模型存在空洞；ContextCapture Center 軟件較3DF Zephyr 和PhotoScan 重建的白云巖標(biāo)本三維模型形狀最完整，紋理最清晰，與標(biāo)本實(shí)物最為接近。另外從建模平均時(shí)間比較3 個(gè)軟件對地質(zhì)標(biāo)本的三維重建的性能(表1)，可以看出ContextCapture Center 建模軟件比其他兩個(gè)軟件建模速度快，并且自動(dòng)化程度高，操作簡單。因此，本文選擇ContextCapture Center 軟件作為建模工具，導(dǎo)出OBJ 格式的三維模型以便進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

表1 不同軟件建模性能比較Table 1 Comparison of modeling of different softwares

圖3 不同軟件三維建模質(zhì)量對比Fig.3 Comparison of the quality of 3D modeling of different softwares

2 巖礦標(biāo)本虛擬仿真平臺(tái)搭建-以西山煤田為例

西山煤田是我國開發(fā)最早的煤田之一，是華北石炭-二疊系標(biāo)準(zhǔn)剖面的命名地，是中國煤田地質(zhì)科學(xué)研究的搖籃。經(jīng)過一百余年的勘探開發(fā)和科學(xué)研究，積累了豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)和科研成果。在山西能源工業(yè)優(yōu)化轉(zhuǎn)型的新形勢下，亟需系統(tǒng)地收集現(xiàn)有的地質(zhì)信息，以圖、表、實(shí)物、信息系統(tǒng)等形式，通過分析、歸納、總結(jié)，系統(tǒng)集成西山煤田地質(zhì)成果，構(gòu)建起科學(xué)-生產(chǎn)-安全-管理的地質(zhì)信息平臺(tái)，全方位提升西山煤田地質(zhì)規(guī)律認(rèn)知的產(chǎn)學(xué)研高度，為進(jìn)一步尋找地質(zhì)規(guī)律，指導(dǎo)勘探、生產(chǎn)、開發(fā)以及科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。本文以西山煤田巖礦化石標(biāo)本為例，應(yīng)用上述技術(shù)和方法對已有的300 多塊巖礦標(biāo)本進(jìn)行高精度三維重建，并構(gòu)建起巖礦標(biāo)本虛擬仿真平臺(tái)。

2.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

太原西山煤田地質(zhì)成果系統(tǒng)集成平臺(tái)主要采用B/S(Browser/Server)模式，總體架構(gòu)如圖4 所示，數(shù)據(jù)庫層以MySQL 作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，其中標(biāo)本信息表主要存放巖礦標(biāo)本基本信息，除文字外還包括圖片存放路徑、三維數(shù)據(jù)存放路徑、音頻解說存放路徑等，系統(tǒng)信息表主要存放該網(wǎng)站其他頁面中所需圖片、視頻和文檔路徑。文件夾主要存放圖片、三維模型、音頻、視頻和文檔等內(nèi)存較大的數(shù)據(jù)。服務(wù)器層以Express 框架作為后端開發(fā)框架，主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和傳輸客戶端所需數(shù)據(jù)。瀏覽器端使用Vue.js 進(jìn)行前端界面設(shè)計(jì)，應(yīng)用WebGL 接口加載三維模型，主要設(shè)計(jì)有網(wǎng)站首頁、地質(zhì)科普、地質(zhì)標(biāo)本、地質(zhì)規(guī)定、地質(zhì)資料、地質(zhì)系統(tǒng)、路線地質(zhì)以及地質(zhì)演化8 個(gè)模塊，各個(gè)模塊主要功能如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 System architecture diagram

圖5 平臺(tái)主要功能模塊Fig.5 Main functional modules of the platform

2.2 巖礦標(biāo)本分類及數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對西山煤田具有代表性的巖礦標(biāo)本進(jìn)行整理，根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)需求分類，并對不同類別進(jìn)行編碼，如圖6 所示。為方便在瀏覽器中調(diào)用標(biāo)本信息，將標(biāo)本信息(表2)存放入MySQL 數(shù)據(jù)庫中。

圖6 巖石標(biāo)本分類及類別編號(hào)Fig.6 Classification and category number of rock specimens

表2 標(biāo)本信息表Table 2 Specimen information sheet

2.3 模型在網(wǎng)頁上加載速度優(yōu)化

到目前為止已有70 多種不同格式的3D 數(shù)據(jù)，OBJ 文件是一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)三維模型文件格式，一般包括3 個(gè)子文件(.obj、.mtl、.jpg/.png)，文件結(jié)構(gòu)簡單，但只在特定的3D Web 框架中支持，因此，常被用在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D 文件格式轉(zhuǎn)換。

GLTF(Graphics Language Transmission Format)格式是一種新興的3D 數(shù)據(jù)格式[15]，包括3 個(gè)子文件：.gltf、.bin、.jpg/.png。與傳統(tǒng)的OBJ 格式相比，GLTF作為跨平臺(tái)的三維模型數(shù)據(jù)格式可在絕大多數(shù)框架中兼容，這種格式已成為網(wǎng)頁上3D 模型的JPG 格式：Web 導(dǎo)出的通用標(biāo)準(zhǔn)。而GLB 是一個(gè)包含GLTF 模型所有資源的二進(jìn)制文件，可有效規(guī)避GLTF 的一些缺陷。

對OBJ 格式和GLB 格式的巖礦標(biāo)本三維模型在網(wǎng)頁上的加載效率進(jìn)行對比(表3)，為減少網(wǎng)速對模型加載速度的影響，取每個(gè)模型加載10 次的平均值作為該模型的最終加載時(shí)間。由表3 可知，GLB 格式的三維模型數(shù)據(jù)量明顯小于OBJ 格式，模型加載時(shí)間明顯縮短，且模型顯示效果無差別。因此，本文選用GLB格式三維模型進(jìn)行展示，使用obj2glTF 插件將OBJ 格式轉(zhuǎn)換成GLB 格式，以提高網(wǎng)頁加載速度，改善用戶體驗(yàn)感。

表3 OBJ 三維模型與GLB 三維模型網(wǎng)頁加載速度對比Table 3 Comparison of web page loading speed between the OBJ 3D model and GLB 3D model

2.4 巖礦標(biāo)本虛擬仿真平臺(tái)的搭建

結(jié)合以上工作，本文應(yīng)用WebGL 圖形庫Three.js構(gòu)建西山煤田巖礦標(biāo)本虛擬仿真平臺(tái)。用戶無需安裝任何輔助插件就可以查看地質(zhì)標(biāo)本三維模型，操作簡潔。如圖7 所示，三維標(biāo)本展示界面主要包括標(biāo)本分類導(dǎo)航欄，三維模型顯示窗口以及屬性顯示欄。界面左側(cè)是標(biāo)本目錄導(dǎo)航欄，根據(jù)標(biāo)本所屬類別編號(hào)將標(biāo)本名稱加載到導(dǎo)航欄中。在導(dǎo)航欄上端可以根據(jù)輸入的關(guān)鍵詞檢索相關(guān)模型。界面右側(cè)是標(biāo)本屬性顯示欄，主要顯示標(biāo)本圖片、屬性信息(如名稱、主要化學(xué)成分、顏色、年代、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等)、細(xì)節(jié)描述和具體用途，并可實(shí)現(xiàn)語音朗讀屬性功能，給用戶提供更好的體驗(yàn)感。界面中部是三維模型顯示窗口，用于對地質(zhì)標(biāo)本三維模型進(jìn)行加載和渲染，通過旋轉(zhuǎn)、縮放從不同角度觀察巖礦標(biāo)本。

圖7 三維模型PC 端顯示界面Fig.7 PC display interface of the 3D model

此外，將二維碼技術(shù)與平臺(tái)地質(zhì)標(biāo)本模塊功能結(jié)合，為西山煤電集團(tuán)資源地質(zhì)部標(biāo)本室每個(gè)巖礦標(biāo)本設(shè)計(jì)二維碼標(biāo)簽，如圖8 所示，工作人員可以通過手機(jī)掃描二維碼查看標(biāo)本三維模型以及詳細(xì)信息，如圖9所示。

圖8 西山地質(zhì)處標(biāo)本簽Fig.8 Xishan Geological Office specimen label

圖9 移動(dòng)端巖礦標(biāo)本三維模型加載Fig.9 3D model loading of rock and mineral specimens at the mobile end

3 結(jié)論

a.結(jié)合巖礦標(biāo)本結(jié)構(gòu)紋理復(fù)雜、數(shù)量多等特征，從原始圖像質(zhì)量和三維重建軟件比選方面出發(fā)，選擇多視圖圖像三維重建技術(shù)，優(yōu)化了太原西山煤田巖礦標(biāo)本三維模型重建技術(shù)，提高了三維建模精度。

b.地質(zhì)標(biāo)本模塊結(jié)合WebGL 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖礦標(biāo)本三維模型在PC 端的展示。通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，優(yōu)化了三維模型在瀏覽器上的加載速度，建立了西山煤田地質(zhì)成果系統(tǒng)集成平臺(tái)。

c.該平臺(tái)已搭建完成，部署在西山煤電集團(tuán)內(nèi)網(wǎng)，在使用過程中可根據(jù)實(shí)際需求持續(xù)更新和改進(jìn)。關(guān)于如何深入體現(xiàn)地質(zhì)標(biāo)本三維模型的科研價(jià)值還有進(jìn)一步升級和優(yōu)化的空間，將繼續(xù)對其進(jìn)行探索。