煤矿井下三维几何建模及情景漫游技术研究

2012-03-15安徽理工大学计算机科学与工程学院周华平林浩伟孙克雷

电子世界 2012年18期

安徽理工大学计算机科学与工程学院周华平林浩伟孙克雷

1.引言

近年来，随着计算机技术的迅速发展，拓宽和深化了计算机在数据采集和信息处理方面的应用，尤其是人与信息科学相结合的高新技术——可视化(Visualization)与虚拟现实(virtual Reality，简称VR)给计算机的应用带来了新的活力。在计算机技术创造的三维虚拟环境中，用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，可视化及虚拟现实技术的进一步发展必将成为现代科学技术研究的重要手段并将对信息的处理及提高信息的利用率产生深远的影响。在矿业领域中由于新技术和新设备的不断引入，增强了矿业对于安全高效、自动化的要求，虚拟现实技术为满足这一需求提供了有效手段。因此虚拟现实的研究开发无疑对提高煤矿安全生产、矿工安全保护意识和系统优化设计等具有重要的实用价值。

2.虚拟现实技术

2.1 虚拟现实的概念

虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境，它通过多种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，是实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。实际上它就是一种先进的人机接口，通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。虚拟现实技术可以完全彻底地转化人们的想象力，在计算机中产生另一种境界，将境界的有关信息传给人的感觉器官，使人们获得一种全新的感受，让人觉得其的确是在另外一个三维世界中。虚拟现实技术是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、味觉等感触，使人作为参与者通过适当的虚拟现实设置，自然的对虚拟世界进行体验和交互作用。

图1 OpenGL的基本工作流程

图2 三维虚拟漫游系统的总框图

2.2 虚拟现实技术的特征

1)多感知性

除了一般计算机所具有的视觉感知外，虚拟现实系统还具有听觉感知、力觉感知、触觉感知、味觉感知和嗅觉感知等。理想的虚拟现实系统应具有人的一切感知功能，目前由于传感器技术的限制，现有的虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉和触觉等。

2)用户投入性

这是VR系统的核心，是指用户进入到计算机生成的虚拟场景中的能力，用户在虚拟场景中有身临其境之感。

3)用户与虚拟场景的交互性

指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键因素。交互性包括对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。VR是自主参考系，即以用户的视点变化进行虚拟交换，这个过程中最重要的因素是实时性，实时性是指计算机能够响应用户的输入并立即改变虚拟场景状态的能力。虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸在虚拟环境中获取新知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思并输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。

3.OPENGL三维模型构建

OpenGL（Open Graphics Library）是美国SGI公司开发的三维图形设计软件，独立于操作系统和硬件系统的图形开发系统的通用接口，被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准，是计算机图形技术领域的集大成者。在三维仿真建模、虚拟现实技术等领域，OpenGL发挥着重要的作用。OpenGL突出的特点是与平台无关，它适用UNIX，Windows95/98，MacOS，WindowsNT等多种操作系统，而且在Visual C++2。0及以上版本中都封装了OpenGL图形库。它包括100多个图形函数，开发者可以用这些函数构造出接近光线跟踪的高质量的三维景物模型、进行三维图形实时交互软件的开发。OpenGL提供的基本功能有：模型绘制、模型观察、光照处理、色彩处理、位图和图像处理、纹理映射、实时动画、物体运动模糊处理、交互技术等。因此利用OpenGL与Visual C++结合可以开发出完美的3D图形产品。

OpenGL实现一个完整功能的图形处理系统结构是：底层为图形硬件，依次向上为操作系统、窗口系统、OpenGL和应用软件。其基本工作流程如图1所示。

4.三维几何建模方法研究

OpenGL提供对2D、3D图形的基本操作，但并不提供描述复杂几何物体及建立复杂物体模型的手段，即它仅提供绘制复杂几何物体本身的机制而非描述复杂物体本身的方法，因而，必须寻找自身的三维建模方法才能绘制出适合需要的真实世界。

(1)分割重组法

分割重组法生成一个宏观物体，需要拆分和重组两个步骤。拆分过程是将物体人为地细节化，而重组则是将己拆分的图形片元按一定规律组装起来，是拆分的逆过程。下面是这两个步骤的具体过程。

l)拆分

考虑一个宏观物体，从各个方向将其切分，切分原则应保证每两切面之间的形状为方形、圆形或两者的结合。应根据物体的形状，选择恰当的切分点，使切分后的物体比较简单、规则。采用这一切分原则可以较为细致地刻画出物体的每个细节，因而方便了图形的重新组织工作。对物体进行切分之后，可得到由基本几何形状组成的切分面(多边形、圆、方形等)，对圆形切面以相近多边形拟合，获得合适的多边形之后，确定重组物体所需的长方体侧面数。为方便计算，常取8、16、32、64多边形来逼近某一曲面。

2)重组

重组的过程也是寻找图形对象点、线、面关系的过程。还以上述的物体为例，将各部分分别编号并按顺序连接两面对应点，从而形成所需模型。

(2)曲面合成法

在实际的矿井系统仿真中，经常会遇到制作光滑曲面、闭合曲面的情形，如弯道、交叉口以及机械构件等实物造型。为了很好的实现曲面建模，可采用计算机图形学中较为成熟的Bezier、NURBS等样条曲一面理论，同时借助OpenGL语言的强大功能来完成曲面设计方法。利用Bezier曲线的形状(有一组多边折线的顶点唯一地确定)可以画出十分光滑的曲线，在多边形多个顶点中，只有第一个和最后一点在Bezier曲线上，第一条和最后一条折线的方向是Bezier曲线的起点和终点的切线方向，而其余的顶点则用于定义曲线的形状。改变多边折线的顶点和改变曲线的形状有着形象直观的联系。

5.煤矿井下三维漫游

5.1 煤矿井下三维漫游总体结构

三维漫游系统是包括一个逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，它是一个真实空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助一定的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中的虚拟对象进行观察，从而产生亲临其境的真实感觉，同时也可以对其中的物体进行操作获取反馈。在构建煤矿虚拟现实模型的基础上，进一步建立相应的模型数据库，通过该数据库可以构建不同虚拟现实矿井，以便适应不同的煤矿需求。利用目前比较成熟的Vega虚拟现实软件开发工具，结合煤矿虚拟现实模型，实现煤矿的漫游功能。在漫游功能的基础上，能够对矿工进行矿井地图识别训练、矿井搜索训练等任务，使矿工在虚拟环境下能对矿井有所熟悉，并且对各种安全设施所在的方位了如指掌，增加矿工在灾变环境下的逃生能力。三维虚拟漫游系统的总框图如图2所示。

系统主要包括数据库管理子系统、三维可视化子系统和矿井三维虚拟环境子系统。数据库管理子系统主要实现基础数据库的维护与管理，能够对数据库的记录进行添加、删除、修改、查询及表格显示。三维可视化子系统主要对矿井实物采用三维的数据模型和数据结构表示。矿井虚拟环境模块采用一系列的虚拟现实技术构建虚拟的矿井环境，使用户产生身临其境的感觉，并能与虚拟环境进行交互。矿井下漫游主要包括：

1)巷道漫游模块

用户在巷道里进行自由漫游，并且把控制权交到用户手中，使其具有很强的漫游感，了解主要巷道的情况，在不下井的情况下清楚地了解到井下巷道的布置状况，为以后的工作生产以及安全培训提供了优越的条件。

2)开采工作面模块

动态模拟出开采工作面的工作情况，使用户了解矿山穿孔、爆破等阶段的情况，起到教学培训的作用

3)运输作业模块

动态模拟出电机车运输到提升罐笼，以及提升的过程。在这个过程中，用户可以从各种角度观察整个过程，并且通过键盘来控制各个设备的运动。

5.2 三维视景驱动引擎

Vega是Multigen-Paradigm公司推出的应用于虚拟现实、实时仿真及其它可视化领域的高性能软件环境。它能够为用户提供处理复杂仿真事件的便捷手段，用户可以简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。Vega主要包括2个部分：其一是被称为Lynx的图形用户界面工具箱；另外一个是基于C语言的函数库。

本系统在Vega体系结构的基础上采用2层软件结构设计模式，底层为Vega/OpenGL Performer虚拟现实功能的实现，上层为程序界面和数据库查询。这两层通过公共结构g_pVrInterface实现信息交换，软件结构清晰明了，增强了程序的健壮性。

6.井下巷道三维显示实例

井下巷道绘制的实现步骤是：①首先从数据库中读取绘制井下巷道的控制数据(如控制巷道断面形状的参数、巷道中心线等)；②根据读取的巷道控制数据，利用OpenGL语言绘制出井下巷道(其中包括巷道法向量的计算、巷道纹理坐标的计算等)。

根据淮南矿业集团某矿井下巷道拓扑结构，依据上述煤矿井下三维几何模型构建方法，绘制出了该矿井下巷道的三维视图，如图3所示，图4是模拟井下瓦斯抽放的三维图。由其三维几何模型数据库，采用成熟的Vega虚拟现实软件利用VC调用函数库对Lynx生成的ADF文件进行编程构建了煤矿井下虚拟现实情景的漫游画面和煤矿井下虚拟工作面，分别如图5和图6所示。