虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的分析論文
論文關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術礦山軟件虛擬礦山
論文摘要：隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，將其應用于礦山建設逐漸成為礦山研究熱點之一。應用虛擬現(xiàn)實技術可以生成三維的“虛擬礦山”，直觀地顯示礦山的地質(zhì)情況和巷道分布情況，可向設計者、審查者、公眾展示…個三維的、動態(tài)的礦山。虛擬現(xiàn)實技術在礦山設計、技術改造及生產(chǎn)中具有重要作用。
1虛擬現(xiàn)實技術及軟件簡介
虛擬現(xiàn)實技術可利用計算機產(chǎn)生一個以自然的視、聽、觸等功能感受的三維環(huán)境，人們可以方便地對生成的“虛擬世界”進行交互式的觀察、分析、操作和控制。它以仿真方式給用戶創(chuàng)造了一個實時反映實體變化與相互作用的界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，它具有多媒體信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特點。利用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建出逼真的礦山工程環(huán)境對優(yōu)化系統(tǒng)設計具有重要的實用價值。
為了給用戶創(chuàng)建一個能使其感到身臨其境和沉浸其中的環(huán)境，必要的條件就是根據(jù)需要能在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中逼真地顯示出客觀世界中的一切對象：不僅要求所顯示的對象模型在外形上與真實對象酷似，而且要求在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面十分逼真。
目前，相關軟件發(fā)展迅速、種類較多，其中常用的軟件有MultiGenGreator、Vega、OpenGI以及我國圖靈公司的VRMAP、適普公司的IMAGIS等。
1．1模型構建軟件
MultiGenCreator是美國MultiGenParadigm公司開發(fā)的三維建模軟件，廣泛用于視景仿真、虛擬城市、模擬設計、交互式游戲等。它在滿足實時性的前提下可生成逼真的場景，可進行多邊形建模、矢量建模和地形生成。它的層次細節(jié)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級、自由度設置等高級功能使得其數(shù)據(jù)格式OpenFlight在實時三維領域成為流行的圖像生成格式。該軟件可接受DXF、DEM和其它矢量格式的數(shù)據(jù)與AutoCAD和GIS軟件結合方便。
1．2支持視景生成的語言——OpenGL
應該使用已有的商品化或標準化的圖形庫和程序設計語言來設計與實現(xiàn)虛擬環(huán)境，其中OpenGI(服務器)及其支持系統(tǒng)就是這樣一種可選用的圖形生成環(huán)境。OpenGI可按函數(shù)庫的形式被C語言調(diào)用，也可以被窗口系統(tǒng)直接調(diào)用。OpenGI是使用專用圖形處理軟件接口，該接口目前由幾百個過程函數(shù)組成，用以支持用戶對高質(zhì)量三維對象的圖形和圖像進行操作。
()penGI指令的模型是客戶／服務器模式，即一個程序(客戶)提供指令，該指令由OpenGI解釋并處理，它直接執(zhí)行3D及2D圖型的基本操作。這些操作包括轉換矩陣、光照模型和光線跟蹤、反混淆方法、z～Buf以及像素更新操作等。OpenGI也支持雙緩沖技術，該技術提供了生成動畫效果圖形所需要的機制，使所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運動。
1．3視景漫游軟件
Vega是MultiGen--Paradigm公司開發(fā)的應用于實時視景、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的高性能軟件環(huán)境和開發(fā)平臺，由Lynx圖形化用戶接口和Vega庫組成。利用Vega庫函數(shù)可在Lynx中建立漫游所需要的場景、窗口、通道、運動和碰撞方式，可以定義對象的初始化參數(shù)并建立對象之間的相互聯(lián)系。
2地質(zhì)構造情況的模擬
對于礦山技術人員來說地質(zhì)構造情況非常重要，如果對煤層、巖層、含水層、流沙層以及斷層和褶曲等情況的推斷有偏差，或圖形表現(xiàn)不直觀易懂，則在建井或生產(chǎn)過程中就可能發(fā)生塌方、突水等事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。應用虛擬現(xiàn)實軟件可以根據(jù)地質(zhì)體的三維分布，使礦井的規(guī)劃設計更加直觀方便。
綜合國內(nèi)外現(xiàn)狀，三維地質(zhì)體的繪制有塊段、表面、實體和斷面建模法等。
MultiGenCreator中需要的曲面數(shù)據(jù)是ded或。dem格式，使用GIS軟件Arolnfo、用插值方法生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，然后轉成USGSDEM格式，將其導入Creator就可以生成煤層曲面。然后，通過光照、著色、紋理、渲染等處理三維地質(zhì)體更加逼真。
3地形地貌及地物的模擬
地形地貌和地物的建立需要相應的三維數(shù)據(jù)。如果有研究區(qū)域的紙質(zhì)地形圖，可以用掃描數(shù)字化的方法得到平面數(shù)據(jù)，按照圖上的標注得到高程數(shù)據(jù)；如果已有該區(qū)域的電子地圖，則可直接使用或通過數(shù)據(jù)格式轉換得到需要的數(shù)據(jù)；如果沒有上述數(shù)據(jù)源，則需要由野外測量獲得。
地形生成與地質(zhì)曲面生成過程類似，先用ArcInfo將地形圖上的等高線和高程點進行數(shù)字化，把圖上標注的高程值輸入到屬性表中，生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，然后轉成USGSDEM格式將其導入Creator生成三維地形。
對于建筑物、道路、圍墻、河流、湖泊等的'建立，先用Auto—CAD進行數(shù)字化，得到其平面位置。將得到的*．def文件導入Creator，并與地形匹配。如果建筑物比較規(guī)則，則直接將其底面按照高度拉伸為立體，如果建筑物造型比較復雜，則需要分成規(guī)則的幾部分進行構建。
4礦山井下巷道建模
目前，礦山信息主要是通過CAD格式的雙線采掘工程平面圖來表達。首先根據(jù)采掘工程平面圖上的高程信息，利用CAD中的三維多線段重新描繪巷道，同時將高程信息賦予每個節(jié)點，實現(xiàn)巷道的單線顯示，井筒和巷道設計要布置合理，盡量避免穿過斷層、褶曲、含水層等不良地質(zhì)構造，盡量減少礦井建設和生產(chǎn)地面的影響。
使用MultiGenCreator進行設計，用圓柱體表示井簡，用半圓型截面的柱體表示巖巷，然后進行模擬生產(chǎn)，以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中可能遇到的問題，對設計方案進行比較和選擇。設計方案完成后可模擬不同設備、不同開采方式的生產(chǎn)系統(tǒng)進行生產(chǎn)，從而達到優(yōu)化礦井設計和生產(chǎn)系統(tǒng)的目的。綜合考慮地質(zhì)和技術條件、經(jīng)濟、環(huán)境等各種因素，選擇合理的方案。
5虛擬巷道系統(tǒng)的建立
虛擬巷道系統(tǒng)是對礦井真實巷道多分辨率的三維虛擬表示，建立的主要任務之一是實現(xiàn)基于web環(huán)境下的可交互的、真實巷道的三維可視化表達，用戶可以從各個角度對巷道虛擬環(huán)境進行任意的瀏覽和觀察，并可通過網(wǎng)絡進行各種交互。
5．1礦井巷道的建模
礦井中各種實體大多是三維實體，其表面為不規(guī)則曲面，且內(nèi)部礦體品位分布不均勻。對于礦體的外形，可用一個不規(guī)則的封閉曲面來確定。為確定礦體的范圍，要經(jīng)地表勘查、地下勘探及推估等手段來完成。在瀏覽器上發(fā)布三維實體模型，可通過將現(xiàn)有的三維礦體模型中存儲的信息按照一定的規(guī)范轉換為系統(tǒng)可接受的格式得到。要在MuhiGenCreator中構建三維礦井巷道模型，首先應進行簡單的坐標轉換，這是因為MuhiGenCreator中采用的坐標系和地學中實際采用的坐標系的含義有所不同。MultiGenCreator中采用的坐標系為符合右手規(guī)則的空間坐標系，是以MuhiGenCreator瀏覽器中用戶區(qū)的中作為其坐標系的圓心，基底坐標為XOZ面，y表示高程。其坐標長度以米為單位，標準角度以弧度為單位。因此，為使它與人們通常采用的地學坐標系保持一致，應將原來礦井三維實體的(，Y，：)坐標轉換為MuhiGenCreator坐標系中的(，Y，Z)。轉換后的三維實體坐標應滿足虛擬場景中所采用的局部坐標系顯示的需要。由于礦井實體坐標的數(shù)值一般相當大，而實際顯示坐標值的前幾位高位數(shù)據(jù)對圖形形狀不產(chǎn)生任何影響，因此可將地理坐標數(shù)據(jù)各分量同時做一預選。
5．2虛擬巷道場景的繪制
對于規(guī)則格網(wǎng)構成的礦山地表模型及礦井實體的頂?shù)装鍞?shù)字表面模型，可用ElevationGrid節(jié)點構建。該節(jié)點能很容易有效地設計創(chuàng)建一個位于局部坐標系X()Z平面上高低起伏的地域造型。該造型用高度值組成的標量陣列描述，陣列指定了表面每個格網(wǎng)點上的高度。和z方向的柵格點數(shù)量可以分別用xDimension和zDimension域建立。xSpacing和zSpacing域值指定了柵格行和列之間的空間。Height域的值指定了每一個柵格點的海拔高度，基底上的每一個柵格點都與height矩陣中的一個海拔值相對應；colorPerVertex域指定為TRUE或FAISE，表示color域中指定的顏色是用到ElevationGrid節(jié)點的每個頂點上(TRUE)，還是應用到每個四邊形上(FAISE)；此外，通過建立solid域值，所有的海拔柵格都可以當作實體。
對于由不同的三角面構成的復雜地表模型，則需要用MUITIGENCREATO提供的萬能幾何節(jié)點IndexedFaceSet來創(chuàng)建，它有coord與coordlndex兩個域，與IndexedFaceSet節(jié)點中的兩個域類似，前者提供了一個節(jié)點，列出了構造面幾種所有面的坐標。Coordlndex域的值提供了一張描述一張或多張面周界的列表。其中每一個值都是整型索引，并且每個索引都指定了在coord域內(nèi)的坐標列表中的一個坐標。在實際的創(chuàng)建過程中，要求建立三角網(wǎng)的各個三角面按照法線方向向外的法則。
6結語
應用虛擬現(xiàn)實技術，生成一個逼真的礦山虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)。這樣在礦山設計或研究階段，科研人員可以置身于礦山虛擬環(huán)境下直觀審視礦山，按照設計給定的工藝方法和參數(shù)，選擇設備及確定生產(chǎn)模式。從基建到閉坑的全過程實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題進行實時修正。設計結束后，設計單位、礦山企業(yè)可向審查者、公眾展示一個三維和動態(tài)的礦山。總之，虛擬現(xiàn)實技術在礦山設計、技術改造、生產(chǎn)中可廣泛應用。
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