虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的分析論文
論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)礦山軟件虛擬礦山
論文摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，將其應(yīng)用于礦山建設(shè)逐漸成為礦山研究熱點(diǎn)之一。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shè)計(jì)者、審查者、公眾展示…個(gè)三維的、動(dòng)態(tài)的礦山。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)、技術(shù)改造及生產(chǎn)中具有重要作用。
1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及軟件簡介
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)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(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)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(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出逼真的礦山工程環(huán)境對優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值。
為了給用戶創(chuàng)建一個(gè)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(shí)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(shí)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(guān)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(gòu)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(shè)計(jì)、交互式游戲等。它在滿足實(shí)時(shí)性的前提下可生成逼真的場景，可進(jìn)行多邊形建模、矢量建模和地形生成。它的層次細(xì)節(jié)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級、自由度設(shè)置等高級功能使得其數(shù)據(jù)格式OpenFlight在實(shí)時(shí)三維領(lǐng)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(jié)合方便。
1．2支持視景生成的語言——OpenGL
應(yīng)該使用已有的商品化或標(biāo)準(zhǔn)化的圖形庫和程序設(shè)計(jì)語言來設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境，其中OpenGI(服務(wù)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(gè)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(jìn)行操作。
()penGI指令的模型是客戶／服務(wù)器模式，即一個(gè)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(zhuǎn)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(shù)，該技術(shù)提供了生成動(dòng)畫效果圖形所需要的機(jī)制，使所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運(yùn)動(dòng)。
1．3視景漫游軟件
Vega是MultiGen--Paradigm公司開發(fā)的應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的高性能軟件環(huán)境和開發(fā)平臺(tái)，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(yùn)動(dòng)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(gòu)造情況的模擬
對于礦山技術(shù)人員來說地質(zhì)構(gòu)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(jì)損失。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以根據(jù)地質(zhì)體的三維分布，使礦井的規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shí)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(zhuǎn)成USGSDEM格式，將其導(dǎo)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(yīng)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(biāo)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(zhuǎn)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化，把圖上標(biāo)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(zhuǎn)成USGSDEM格式將其導(dǎo)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(jìn)行數(shù)字化，得到其平面位置。將得到的*．def文件導(dǎo)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(fù)雜，則需要分成規(guī)則的幾部分進(jìn)行構(gòu)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(dá)。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(shí)將高程信息賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)巷道的單線顯示，井筒和巷道設(shè)計(jì)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(gòu)造，盡量減少礦井建設(shè)和生產(chǎn)地面的影響。
使用MultiGenCreator進(jìn)行設(shè)計(jì)，用圓柱體表示井簡，用半圓型截面的柱體表示巖巷，然后進(jìn)行模擬生產(chǎn)，以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中可能遇到的問題，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和選擇。設(shè)計(jì)方案完成后可模擬不同設(shè)備、不同開采方式的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，從而達(dá)到優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)和生產(chǎn)系統(tǒng)的目的。綜合考慮地質(zhì)和技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)、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(shí)巷道多分辨率的三維虛擬表示，建立的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)基于web環(huán)境下的可交互的、真實(shí)巷道的三維可視化表達(dá)，用戶可以從各個(gè)角度對巷道虛擬環(huán)境進(jìn)行任意的瀏覽和觀察，并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種交互。
5．1礦井巷道的建模
礦井中各種實(shí)體大多是三維實(shí)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(gè)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(shí)體模型，可通過將現(xiàn)有的三維礦體模型中存儲(chǔ)的信息按照一定的規(guī)范轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可接受的格式得到。要在MuhiGenCreator中構(gòu)建三維礦井巷道模型，首先應(yīng)進(jìn)行簡單的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)镸uhiGenCreator中采用的坐標(biāo)系和地學(xué)中實(shí)際采用的坐標(biāo)系的含義有所不同。MultiGenCreator中采用的坐標(biāo)系為符合右手規(guī)則的空間坐標(biāo)系，是以MuhiGenCreator瀏覽器中用戶區(qū)的中作為其坐標(biāo)系的圓心，基底坐標(biāo)為XOZ面，y表示高程。其坐標(biāo)長度以米為單位，標(biāo)準(zhǔn)角度以弧度為單位。因此，為使它與人們通常采用的地學(xué)坐標(biāo)系保持一致，應(yīng)將原來礦井三維實(shí)體的(，Y，：)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為MuhiGenCreator坐標(biāo)系中的(，Y，Z)。轉(zhuǎn)換后的三維實(shí)體坐標(biāo)應(yīng)滿足虛擬場景中所采用的局部坐標(biāo)系顯示的需要。由于礦井實(shí)體坐標(biāo)的數(shù)值一般相當(dāng)大，而實(shí)際顯示坐標(biāo)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(biāo)數(shù)據(jù)各分量同時(shí)做一預(yù)選。
5．2虛擬巷道場景的繪制
對于規(guī)則格網(wǎng)構(gòu)成的礦山地表模型及礦井實(shí)體的頂?shù)装鍞?shù)字表面模型，可用ElevationGrid節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。該節(jié)點(diǎn)能很容易有效地設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)位于局部坐標(biāo)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(biāo)量陣列描述，陣列指定了表面每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)上的高度。和z方向的柵格點(diǎn)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(gè)柵格點(diǎn)的海拔高度，基底上的每一個(gè)柵格點(diǎn)都與height矩陣中的一個(gè)海拔值相對應(yīng)；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(diǎn)的每個(gè)頂點(diǎn)上(TRUE)，還是應(yīng)用到每個(gè)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(dāng)作實(shí)體。
對于由不同的三角面構(gòu)成的復(fù)雜地表模型，則需要用MUITIGENCREATO提供的萬能幾何節(jié)點(diǎn)IndexedFaceSet來創(chuàng)建，它有coord與coordlndex兩個(gè)域，與IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)域類似，前者提供了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，列出了構(gòu)造面幾種所有面的坐標(biāo)。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(gè)值都是整型索引，并且每個(gè)索引都指定了在coord域內(nèi)的坐標(biāo)列表中的一個(gè)坐標(biāo)。在實(shí)際的創(chuàng)建過程中，要求建立三角網(wǎng)的各個(gè)三角面按照法線方向向外的法則。
6結(jié)語
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成一個(gè)逼真的礦山虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)。這樣在礦山設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)給定的工藝方法和參數(shù)，選擇設(shè)備及確定生產(chǎn)模式。從基建到閉坑的全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。設(shè)計(jì)結(jié)束后，設(shè)計(jì)單位、礦山企業(yè)可向?qū)彶檎�、公眾展示一個(gè)三維和動(dòng)態(tài)的礦山。總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)、技術(shù)改造、生產(chǎn)中可廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]古德生．金屬礦山深部開采中的科學(xué)問題[A]．香山科學(xué)會(huì)議第175次學(xué)術(shù)討論會(huì)[c]．北京：2001．
[2]喬林，費(fèi)廣正等．OpenGI程序設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，2002：130～134．
[3]齊安文等．三維地學(xué)模擬述評及其礦山應(yīng)用關(guān)鍵問題．《中國礦業(yè)》．2001(5)：10．
[4張瑞新、任延祥．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及采礦工程中的應(yīng)用．《中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》，1998(3)：27
[5]李青等．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及礦井工業(yè)廣場的可控可視化研究．《計(jì)算機(jī)仿真》，1998(2)：19．
【虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的分析論文】相關(guān)文章：
廣播電視安全播出技術(shù)發(fā)展分析論文05-03
俄航天納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析論文05-22
采油工程技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新分析論文05-27
分析航空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展雷達(dá)系統(tǒng)論文06-02
廣播電視工程技術(shù)發(fā)展方向分析論文05-06
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的論文（精選6篇）04-19
信息技術(shù)發(fā)展論文03-29