虚拟现实可视化仿真技术在采矿工程中的应用研究

2014-12-11姜天硕穆存远董建军

中国科技纵横 2014年20期

关键词：采矿工程仿真技术虚拟现实

姜天硕穆存远董建军

(沈阳建筑大学,辽宁沈阳 110168)

虚拟现实可视化仿真技术在采矿工程中的应用研究

姜天硕穆存远董建军

(沈阳建筑大学,辽宁沈阳 110168)

采矿工程中,若对于地下岩层环境不了解,就会使采矿工程的开展造成很多不便,可视化仿真技术恰恰可以弥补这个缺点,本文针对可视化仿真技术在采矿工程中的适用性来展开论述。而采矿工程的可视化仿真也是一个复杂的系统工程,在研究和分析可视化仿真技术过程中还存在诸多问题,主要问题在于虚拟现实可视化仿真技术的基础模型构建所延伸出的相关问题,给工程的进行带来了很大的不便,可视化仿真技术是一项根据不可见的地方的数据收集而进行模拟仿真成为实体的一项技术,本文主角介绍了虚拟现实可视化仿真技术的简要步骤,以及简要的说明了基础模型的构建方法。采矿工程运用可视化仿真技术,可以打破传统的采矿模式,让采矿行业更加的科学,对其数据的收集更加的定量化。

三维虚拟现实可视化仿真采矿工程

1 采矿工程现状

矿山是经历了很长的时间才形成的，一般来说矿藏都是存在于地下，构造复杂，环境多变，在这样的环境下进行采矿非常困难。为了采矿工程的顺利进行，在采矿过程中需要不断的对地质进行勘察和检测，以便及时获得各种各样的信息和数据，并且用一定的方法将这种信息和数据进行处理，以便能了解地质现有的情况，这样才能实时的掌握采矿工程的安全性。

现有的矿山采矿工程中对数据和信息的储存大多以文字、图纸、图表为主，对勘察结果的表达也是数字或平面图，这对分析研究非常不便。由于数据和平面图的空间感不足，表达不够直观，采矿工程中出现的问题就难及时发现。

在传统的采矿工程中，大量的数据没有得到真实的反应，不能有针对性地做出决策，使采矿工程风险是很大。像这样的直观能力差、表现力差、数据利用不充分、绘图费时、工作效率不高的传统模式渐渐被淘汰。相对于其他的研究者，地质体是一个类型多、变化大的复杂体，由于其完全是没有任何规律可言，因此研究起来只有打破常规，很麻烦。对于地质的研究一般来说包括了岩层的划分、断层的特征、岩土的特性、水文地质等等，而这些数据一般来说都是从钻孔得到的。这些数据反映了地质的真实情况，这对于可视化仿真技术的运用奠定了基础。而由于地质是一个非常复杂的环境，其内部环境没有固定的模式，因此在进行取证数据时就变得尤为困难。地质数据也是对于一个点的检测的数据，如果要运用到大面积的反映还是存在一些不确定性，而为了解决这一不准确性，数学上一般都会采取多地点取样来进行多数据的采集，这样就可以有效的减少误差，而这样做的缺点就是建立出来的三维模型往往都是点分布不均衡，离散型的，这样对后期的分析是非常困难的。

图1

图2

图3

2 采矿工程三维可视化技术的基本介绍

三维可视化技术是一个用于对地下情况的显示，以了解地下情况的一种技术，一般用于地质和地球物理研究中。三维可视化技术就是将肉眼看不见而确实存在的东西利用数据描绘出来，便于研究者的理解，其实质是一种对于数据的真实表现，而不仅仅是一种模拟。是一个利用数据来说话的技术，利用数据使被研究对象“可视化”，然后可以检查已有资料的可靠性，也可以对于以后的数据收集进行一个综合的辨认，以防数据出现错误，被研究对象如果出现异常也会从数据中表现出来，这不仅在地质学上，在很多地方都有很广泛的用处。

可视化仿真技术是利用三维对于被研究对象的一种解释，同时更是对研究成果的形象而生动的表达。在传统的地质研究中，研究者通过对不同地层进行逐个研究，才会合成一个三维空间，三维可视化仿真技术就是通过对地层的数据收集、透明度收集，直接利用三维技术在三维空间内合成用来表达地层的构造和属性。

图4

3 采矿工程虚拟现实可视化的制作步骤

虚拟现实可视化仿真技术是今年来新发展起来的一种技术，结合了计算机和三维技术，将得到的空间数据进行处理，以三维空间的方式展现出来，这样就可以方便的处理了大量的数据和信息，并且以最简单的方式展现出来，这对于信息和数据的处理和利用都是有非常大的作用的。虚拟现实可视化仿真技术是现在最热门的立体三维展示技术，它是将被研究的对象利用其得到的数据将其在现实生活中模拟的再现出来，当然这是需要特定的空间数据收集和处理方法，这样才能做一个仿真的模型，让用户研究更加的方便快捷。在采矿工程中，矿山压力和岩层控制是一个动态三维空间问题，而我们所绘制的图形要么是平面图形，要么是静态三维图形，即使是现场参观，看到的还是静态的，这对于矿山压力和岩层的运动没有一个直观的认识，这样对于其分析就带来了很大的不便。一般来说在地下是存在很多的压力的，这是看不见的，只能通过所学的理论知识和经验来想象，这样造成的误差就非常的大。而针对这个问题，虚拟现实可视化技术有着很大的优势，通过对得到的数值进行计算研究，得到矿山之间的压力，从而对其得到很好的控制，下面我们就对采矿工程的具体制作步骤进行简单的介绍。

首先我们要按照工程的要求进行，例如矿上的整体尺寸、灯光的布局、以及材质的应用都应该准确。在采矿工程三维场景建立好之后，需要在场景中安装一盏摄像机来模拟人的眼睛，摄像机的高度调节成人的高度，视野设置成人的视野范围，以求真实。最后将制作好的文件导入VRML浏览器中，以方便操作用户更直观的了解工程。具体的制作步骤如下：

3.1 利用3Dmax三维软件初步建立可视化三维结构及模型

地质是一个非常复杂的研究对象，其不仅包含了不同的质地，形状和结构也是复杂多变的，在研究地质的时候首先就是要根据三维可视化仿真技术的需要，充分的反应所研究的对象的属性和特点，这样才能让建立出来的三维仿真系统最大程度的反应被研究对象的特点。将三维数据结构进行收集，利用三维数据结构建立采矿工程虚拟可视化仿真环境。

虚拟可视化三维环境的建立中的基础环节包括模型、材质、灯光、摄像机和动画五大要素来构成虚拟可视化三维系统。在这个基础环节我们要利用到3Dmax三维制作工具，要创造一个效果精良的虚拟操作环境，首先就要掌握基础环节这五大要素的基础知识，首先我们对第一要素模型的建立进行简单的介绍，图1为仿真模型建立。

通常，建模技术可分为两类：几何建模和行为建模。几何模型是基于物体的几何形状等信息和表示，研究图形数据结构等问;行为建模则是处理对物体的运动和行为的描述，通常称之为动画这个我们在第五要死动画中会有介绍。

几何建模的方法按其结构又可分以下两种：

(1)层次建模法：是利用树形结构来表示物体的各个组成部分。树形结构不仅提供了一种简便自然的分割复杂物体的方法，而且对模型的修改也十分有利。在移动单独的局部节点时，只需要描述该节点相对于其父节点的相对位置和方向即可。层次建模法对于物体的结构自然描述，易于显示。

(2)属主建模法：属主建模法的思想是让同一种对象拥有同一个属主，包含了该类对象的详细结构。当要建立某个重复模型时只要建立一个指向属主的指针即可。此方法的优点是简单高效、易于修改、一致性强。对于同一种物体相同的物体结构只需要建立一次。

3.2 三维结构模型的材质与贴图

采矿工程虚拟可视化三维环境系统中光有模型是远远不够的，如果一个物体仅具有一种单调的颜色，这个物体就不会给操作用户带来更直观的预览效果，其真实感也将大大减弱。材质，就是在物体表面创造出一种光学效果，让模型在着色时展现出不同的质地和色彩。例如，让模型看起来像玻璃、金属或者大理石等。贴图是材质编辑器中的一个关键步骤，一个好的三维场景，其贴图的使用是很频繁的。用好贴图将大大增强模型的真实感。图2为模型材质烘培。

3.3 虚拟现实可视化场景的灯光与环境

在制作了逼真的三维模型与精美的材质后，还需要模拟一些自然界中的环境效果，使采矿工程场景显得更为真实。3Dmax系统主要为用户提供了两种环境处理手段，即灯光和雾。灯光是制作三维场景时一项非常重要的内容。在3Dmax中，灯光是一种特殊的对象，它本身不能被渲染着色，但它却影响着其他物体的表面和色彩。因而，灯光和材质起着同样的作用和效果，二者相结合，将使物体更具真实感与魅力。

3.4 虚拟现实可视化场景中动画制作与摄像机动画

动画为动态的观察和表现三维场景及其物体提供了一种最为有效的方法。在3Dmax中，可以制作变换动画(移动、旋转、缩放)、放样动画、粒子动画、管理器动画、动力学动画、正向或反向链接动画、环境动画、材质动画以及变形动画等。总之在3dmax中凡是有参数设定的模块功能，几乎都可以制作成为某种形式的动画效果。

在虚拟空间中建立模型后，如果在再建立一台摄像机，并使它运动起来摆设这个虚拟的空间景象，就可以获得一个动态的、连续的摄影过程，从而形成一种全方位的场景浏览动画。图3，图4为摄像机设置过程图。

3.5 Dmax与VRML的结合

VRML其实是一套虚拟现实语言规范，他的特点是文件小，灵活度比较自由，比较适合网络传播，但程序语言繁杂且年代较久远，所以画面效果比较差，与VRML复杂的程序指令相比，3Dmax则是一种快捷直观的建模方法。对于一个在3Dmax中创建出来的三维场景，用户不但可以将它直接导出到VRML中，还能够在其中插入多种VRML节点，并且将这些节点和空间中的造型链接在一起，设置各项参数，以致最后得到的VRML文件和直接编写的VRML文件完全相同。

首先是将上述的模型软件转换为VRML可支持的格式，在3DMax中用Export命令，将模型转换为.WRL文件，这是支持的文件格式，然后在VRML浏览器中进行程序语言描述。在这里可以实现复杂的动作控制。通过程序控制可以设置鼠标或者键盘的导航控制，也可以实现丰富的漫游动作控制，如在一个场景中，用键盘来控制左右行走，用鼠标来控制行走、开关等以及更为复杂的机关系统，同时也可以嵌入音乐以及动画，使得漫游更为丰富。