西山煤田岩矿标本精细化三维建模及其虚拟仿真平台建设

2022-05-08张琼月陈黎明赵金贵王建民

煤田地质与勘探 2022年4期

张琼月，陈黎明，赵金贵，王建民

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024；2.山西省煤炭地质 114 勘查院，山西长治 046011)

馆藏岩矿标本具有唯一性和不可再生性，是地质专业技术人员学术交流和地学科普工作开展的载体，存在采集难度大、缺乏统一管理、服务利用受客观条件限制等问题[1]，使得矿区、高校等单位岩矿标本利用程度不高，给地质工作和学习带来诸多不便，不利于岩矿标本潜在价值的发掘和利用。

随着数字化和可视化技术的进步，地质学与计算机科学相互结合，逐步推进地学资源信息化、科技化、标准化、网络化[2-4]，是地学科普发展的整体趋势。国外一些较著名的化石标本库和博物馆将馆藏标本及相关资料已实现网络化服务，但标本信息主要以文字和图片的形式呈现，如著名岩矿数据库网站Mindat.org和Geologynet Online Geology Database[5]。国家岩矿化石资源共享平台[6]整合了我国重要的岩矿化石标本资源，以文字、图片、视频等形式对标本资源进行展示，实现了地质标本信息数字化管理与资源网络共享，但该平台晶体标本三维模型数据量较少且需要依赖插件浏览，纹理清晰度仍有待提高。罗玉琼等[7]利用Visual FoxPro 数据库技术研发出“矿物、岩石、古生物标本数据库管理系统”，该信息数字化管理系统仅存储了实物标本的数字影像。前人主要从国家和高校层面对地学相关标本进行数字化管理和分享，共享形式主要以文本、图片和视频为主，然而在信息技术发展极其迅速的时代，人们对可视化的需求不仅停留在图片、视频等形式，三维模型更受青睐[8]。P.K.Allen 等[9]利用三维激光扫描技术对斯特大教堂建立起三维模型，但该技术成本高，适用于对大尺度实物进行三维建模，而岩矿标本一般尺寸较小，对三维模型建模质量以及纹理清晰度要求更高。牛永斌等[10]基于小尺度地质体建模思路，将表面特征建模和实体结构建模相结合，表面特征建模采用三维扫描仪完成，实体结构建模利用VRML(虚拟现实建模语言)，该方法成本高、效率低。随着计算机视觉技术在摄影测量中的发展和应用，呈现出一些优秀的三维建模软件，如3DF Zephyr、ContextCapture Center Master、PhotoScan，这些软件主要用于大型航测影像三维建模，也能很好地适用小尺度实物三维建模[11]。李锐[12]、陈志军[13]等对中国地质大学(武汉)300 多个岩矿石标本建立起三维模型，并基于Google Earth GIS 技术和Unity 技术开发了虚拟仿真实验教学平台，但岩矿标本三维重建流程还可以进一步优化，网站加载三维模型速度还有提高空间。

三维模型相较于文本和图片是一种更生动逼真的科普和展示形式，岩矿标本作为指导勘探、生产、开发以及科学研究的基础，对于三维重建的需求与日俱增。借鉴前人对岩矿标本三维模型重建的研究成果，笔者将进一步从原始图像质量和三维重建软件比选两方面出发，优化矿区岩矿标本三维建模技术，提高建模精度，并搭建岩矿标本虚拟仿真平台，在保证三维模型精度前提下通过数据格式转换压缩三维模型数据内存，加快三维模型在浏览器上加载和渲染的速度，最终形成一套规范化的矿区岩矿标本建模流程和虚拟仿真平台搭建方法，具有较高的可执行性和一定的经济效益。该研究可有效提升西山煤电集团煤矿地质工作者的基本地质素养，提高基本地质技能，拓展煤矿地质工作者的全局观、系统观、科学观以及地质视野。

1 岩矿标本精细化三维重建

目前比较常用的三维重建技术有三类：第一，几何建模技术，适用于结构简单、纹理单一的岩石和矿物标本，而西山煤田岩矿标本种类多种多样，大多纹理结构较为复杂；第二，三维激光扫描技术，其构建三维模型速度快、精度高、效果好，但此方法成本高，适用于对高价值、大体积的实物进行建模，对于小尺度的岩矿标本适用性较差；第三，多视图图像三维重建技术，该技术是近些年发展成熟的一种三维重建技术，通过量测或非量测相机多视角、多层次地拍摄照片，得到一组高重叠率物体表面的照片，然后通过提取各照片的特征点，依据这些特征点的稀疏匹配解算出照片的三维位置，进而经过密集匹配获得物体表面密集点的三维坐标[14]，相比几何建模和三维激光扫描技术具有采集数据效率高、易操作、成本低的特点，可对大量岩矿标本进行数据采集。因此，依据矿区岩矿标本自身特性，本文选择多视图图像三维重建技术，通过设计数据采集专用装置优化原始图像质量，并优选三维建模软件，给出适用于该技术的岩矿标本建模流程，能够实现岩矿标本精细化建模。

1.1 原始图像质量优化

原始图像质量决定三维重建效果，为提高原始图像质量，本文从相机参数、照片重叠度、拍摄环境三方面考虑，设计三维环物摄影装置。该装置是获取高质量图像的重要保障，由小型摄影棚、旋转托盘、单反相机、三脚架组成(图1)。摄影棚主要用于消除周围杂物和自然光线不均匀而产生阴影等问题，从而消除其对图像中主要物体建模产生的影响，而充足的光线能够保证颜色较深的煤和泥岩等标本的清晰度，使其表面色彩、纹理等细节更清晰；三脚架稳定相机能够有效防止拍摄时的机身抖动，从而改善拍摄效果；自动旋转托盘配合相机连拍，极大提高图像采集速度。

图1 三维环物摄影系统装置组件Fig.1 Device assembly of the three-dimensional ring object photography system

在图像数据采集中，相机分辨率、光圈值、感光强度和焦距等设置都会影响照片质量。综合考虑纹理清晰度以及建模所用时间，分辨率选取为3 840×2 560。选用较小光圈以保证拍摄物体前后清晰。图2 对比了相机不同参数对特征点提取数量的影响，在快门速度不变的情况下，调整感光度和光圈值使得曝光强度保持一致，使用Visual SFM 软件提取4 张不同参数拍摄照片的特征点。结果表明，当快门速度为1/160 s 时，保持光圈值在5.6～11.0，感光强度为100～400，图像上可以提取到更多的特征点。

图2 不同相机参数对特征点个数的影响Fig.2 Influence of different camera parameters on the number of feature points

拍摄前，搭建小型摄影棚，调整好灯光强度、相机参数以及拍照角度和位置，将岩石标本放置在旋转托盘上并置于摄影棚中央，用圆盘转动环拍方式获取标本360 度图像。为保证模型结构完整、纹理清晰，相邻两张图像重叠率应不低于60%，且照片数量不少于60 张。对太原西山煤田300 多块岩矿标本采用上述方式进行图像数据采集，建模质量较高，保证了模型的完整度，而且工作效率得到很大提升。

1.2 三维重建软件优选

高质量图像是精细化建模的关键，而建模效率和建模质量取决于建模软件的性能，为保证建模效率和质量，本文使用3DF Zephyr、ContextCapture Center、PhotoScan 三种主流软件分别构建白云岩标本三维模型，并进行综合对比分析。从图3 可见，PhotoScan 软件重建的三维模型颜色与实物相差较大，3DF Zephyr软件重建的三维模型存在空洞；ContextCapture Center 软件较3DF Zephyr 和PhotoScan 重建的白云岩标本三维模型形状最完整，纹理最清晰，与标本实物最为接近。另外从建模平均时间比较3 个软件对地质标本的三维重建的性能(表1)，可以看出ContextCapture Center 建模软件比其他两个软件建模速度快，并且自动化程度高，操作简单。因此，本文选择ContextCapture Center 软件作为建模工具，导出OBJ 格式的三维模型以便进行格式转换。

表1 不同软件建模性能比较Table 1 Comparison of modeling of different softwares

图3 不同软件三维建模质量对比Fig.3 Comparison of the quality of 3D modeling of different softwares

2 岩矿标本虚拟仿真平台搭建-以西山煤田为例

西山煤田是我国开发最早的煤田之一，是华北石炭-二叠系标准剖面的命名地，是中国煤田地质科学研究的摇篮。经过一百余年的勘探开发和科学研究，积累了丰富的地质数据和科研成果。在山西能源工业优化转型的新形势下，亟需系统地收集现有的地质信息，以图、表、实物、信息系统等形式，通过分析、归纳、总结，系统集成西山煤田地质成果，构建起科学-生产-安全-管理的地质信息平台，全方位提升西山煤田地质规律认知的产学研高度，为进一步寻找地质规律，指导勘探、生产、开发以及科学研究奠定基础。本文以西山煤田岩矿化石标本为例，应用上述技术和方法对已有的300 多块岩矿标本进行高精度三维重建，并构建起岩矿标本虚拟仿真平台。

2.1 平台架构设计

太原西山煤田地质成果系统集成平台主要采用B/S(Browser/Server)模式，总体架构如图4 所示，数据库层以MySQL 作为关系型数据库平台，其中标本信息表主要存放岩矿标本基本信息，除文字外还包括图片存放路径、三维数据存放路径、音频解说存放路径等，系统信息表主要存放该网站其他页面中所需图片、视频和文档路径。文件夹主要存放图片、三维模型、音频、视频和文档等内存较大的数据。服务器层以Express 框架作为后端开发框架，主要负责存储和传输客户端所需数据。浏览器端使用Vue.js 进行前端界面设计，应用WebGL 接口加载三维模型，主要设计有网站首页、地质科普、地质标本、地质规定、地质资料、地质系统、路线地质以及地质演化8 个模块，各个模块主要功能如图5 所示。

图4 系统架构Fig.4 System architecture diagram

图5 平台主要功能模块Fig.5 Main functional modules of the platform

2.2 岩矿标本分类及数据库逻辑结构设计

对西山煤田具有代表性的岩矿标本进行整理，根据矿区生产需求分类，并对不同类别进行编码，如图6 所示。为方便在浏览器中调用标本信息，将标本信息(表2)存放入MySQL 数据库中。

图6 岩石标本分类及类别编号Fig.6 Classification and category number of rock specimens

表2 标本信息表Table 2 Specimen information sheet

2.3 模型在网页上加载速度优化

到目前为止已有70 多种不同格式的3D 数据，OBJ 文件是一种传统的标准三维模型文件格式，一般包括3 个子文件(.obj、.mtl、.jpg/.png)，文件结构简单，但只在特定的3D Web 框架中支持，因此，常被用在应用程序中读取或进行3D 文件格式转换。

GLTF(Graphics Language Transmission Format)格式是一种新兴的3D 数据格式[15]，包括3 个子文件：.gltf、.bin、.jpg/.png。与传统的OBJ 格式相比，GLTF作为跨平台的三维模型数据格式可在绝大多数框架中兼容，这种格式已成为网页上3D 模型的JPG 格式：Web 导出的通用标准。而GLB 是一个包含GLTF 模型所有资源的二进制文件，可有效规避GLTF 的一些缺陷。

对OBJ 格式和GLB 格式的岩矿标本三维模型在网页上的加载效率进行对比(表3)，为减少网速对模型加载速度的影响，取每个模型加载10 次的平均值作为该模型的最终加载时间。由表3 可知，GLB 格式的三维模型数据量明显小于OBJ 格式，模型加载时间明显缩短，且模型显示效果无差别。因此，本文选用GLB格式三维模型进行展示，使用obj2glTF 插件将OBJ 格式转换成GLB 格式，以提高网页加载速度，改善用户体验感。

表3 OBJ 三维模型与GLB 三维模型网页加载速度对比Table 3 Comparison of web page loading speed between the OBJ 3D model and GLB 3D model

2.4 岩矿标本虚拟仿真平台的搭建

结合以上工作，本文应用WebGL 图形库Three.js构建西山煤田岩矿标本虚拟仿真平台。用户无需安装任何辅助插件就可以查看地质标本三维模型，操作简洁。如图7 所示，三维标本展示界面主要包括标本分类导航栏，三维模型显示窗口以及属性显示栏。界面左侧是标本目录导航栏，根据标本所属类别编号将标本名称加载到导航栏中。在导航栏上端可以根据输入的关键词检索相关模型。界面右侧是标本属性显示栏，主要显示标本图片、属性信息(如名称、主要化学成分、颜色、年代、结构、构造等)、细节描述和具体用途，并可实现语音朗读属性功能，给用户提供更好的体验感。界面中部是三维模型显示窗口，用于对地质标本三维模型进行加载和渲染，通过旋转、缩放从不同角度观察岩矿标本。