地下礦山可視化及最優(yōu)路徑漫游的研究＊

廖文濤,鄧小宇

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院,貴州貴陽 550025;2.貴州財(cái)經(jīng)學(xué)院,貴州 貴陽 550000)

地下礦山可視化及最優(yōu)路徑漫游的研究＊

廖文濤1,鄧小宇2

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院,貴州貴陽 550025;2.貴州財(cái)經(jīng)學(xué)院,貴州 貴陽 550000)

本文根據(jù)現(xiàn)代化礦山安全生產(chǎn)、安全管理要求,提出了建立地下礦山的可視化和漫游技術(shù)。針對(duì)礦山安全教育與培訓(xùn)、事故應(yīng)急救援、安全生產(chǎn)、安全管理的組織優(yōu)化,介紹了 VRML對(duì)地下礦山系統(tǒng)的模擬以及VRML與Java語言結(jié)合,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑漫游;就當(dāng)前外三維虛擬場(chǎng)景都僅提供簡(jiǎn)單的導(dǎo)航功能,提出了將最優(yōu)路徑算法引入到三維場(chǎng)景的思想,將二維平面與三維虛擬場(chǎng)景相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景中的最優(yōu)路徑漫游,增加了系統(tǒng)智能型,增強(qiáng)了虛擬場(chǎng)景與用戶的交互性。

VRML;Java;虛擬導(dǎo)航;最優(yōu)路徑

為了發(fā)展現(xiàn)代安全科學(xué)技術(shù),解決安全生產(chǎn)重大科技問題,國家科委委托原勞動(dòng)部組織有關(guān)專家編制了《安全生產(chǎn)中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要 (1990-2000-2020)》,提出了我國工業(yè)安全科學(xué)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略、奮斗目標(biāo)、支撐條件和技術(shù)政策,確定的重點(diǎn)任務(wù)重這樣提到:研究提高防災(zāi)能力,防止事故擴(kuò)大救護(hù)技術(shù),事故快速勘察和緊急救援技術(shù);研究重大危險(xiǎn)源(危險(xiǎn)區(qū)域或大型聯(lián)合裝置)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和虛擬(VRML)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality,簡(jiǎn)稱 VR)技術(shù)又稱“靈境技術(shù)”。VR技術(shù)是 20世紀(jì)末發(fā)展起來的一門涉及縱多學(xué)科的高新技術(shù),它集傳感與測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體,是計(jì)算機(jī)生成的看起來像真的、聽起來像真的、觸摸起來像真的虛擬世界,給人以身臨其境的感覺。人能以使用數(shù)據(jù)手法、數(shù)據(jù)衣服和語言等自然的方式與虛擬世界中對(duì)象進(jìn)行交互操作,強(qiáng)調(diào)了介入者(人)在所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)(通過人機(jī)之間的相互操作獲得)。一個(gè)好的虛擬環(huán)境包括:計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、多傳感器、語言處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。作為一門先進(jìn)的人機(jī)交流技術(shù),VR技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互性,即反映出人在虛擬世界(環(huán)境)的體驗(yàn)。VR的概念模型[2]如下圖:

圖1 VR的概念模型

虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)通常是指計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)世界的三維模擬,用戶可以通過一定的方式對(duì)模擬的場(chǎng)景進(jìn)行身臨其境的全方位審視,并可在虛擬場(chǎng)景中巡航漫游,從而達(dá)到觀察自然,欣賞景觀,了解實(shí)體的目的。VRML的優(yōu)勢(shì)在于其數(shù)據(jù)量小,實(shí)時(shí)3D渲染,實(shí)時(shí)交互性強(qiáng),構(gòu)建場(chǎng)景逼真且與平臺(tái)無關(guān);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特別適用于惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境的模擬,克服利用硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn),而一般的 3D虛擬真實(shí)系統(tǒng)場(chǎng)景大且要實(shí)現(xiàn)漫游等功能較難。因此,對(duì)地下礦山的建模和漫游選擇VRML作為建模工具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):實(shí)時(shí)三維環(huán)境中,支持方案調(diào)整、評(píng)估、管理、信息查詢等功能,適合較大工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、投標(biāo)、報(bào)批、管理等的需要,同時(shí)又具有更真實(shí)和直觀的多媒體功能。在事故救援體系中,VR技術(shù)與現(xiàn)代的監(jiān)測(cè)和通訊手段結(jié)合,可提供一個(gè)高效、有序的事故應(yīng)急救援系統(tǒng)平臺(tái),各工作人員各司其職,有效提高事故救援的反映能力,組織工作有條不紊,進(jìn)一步降低事故損失。同時(shí),VR技術(shù)可模擬事故應(yīng)急救援的演練等工作,可大大的節(jié)省在安全教育和安全培訓(xùn)的費(fèi)用[3]。

2 虛擬礦山的模型建立

地下礦山系統(tǒng)的建模是虛擬場(chǎng)景最基本的步驟。建模技術(shù)大致可分為兩類:幾何建模和行為建模。幾何建模處理虛擬礦山物體的幾何和形狀表示,研究特性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問題;行為建模處理虛擬礦山物體運(yùn)動(dòng)和行為的描述[4]。

2.1 幾何建模

幾何建模采用了 3ds max和VRML相結(jié)合構(gòu)建模型(主要以VRML為主),并在三維場(chǎng)景中設(shè)置燈光、攝像機(jī)、材質(zhì)等,3ds max和VRML中的大部分貼圖都來自數(shù)碼照片,這些照片往往不能直接作為貼圖使用,需要在 Photoshop中進(jìn)行處理,經(jīng)過圖片的剪裁、色調(diào)的調(diào)節(jié),祛除瑕疵和雜物等處理才可以作為貼圖,再經(jīng)過場(chǎng)景的合成,節(jié)點(diǎn)、燈光、整體效果的調(diào)試,才能達(dá)到較好的瀏覽效果。

根據(jù)瀏覽需要,幾何建模中部分模型制作精細(xì),有些則較為粗略。下圖為筆者制作的礦山設(shè)備幾何模型:

圖 2 礦山通風(fēng)機(jī)及礦車幾何模型

基于各個(gè)個(gè)體模型,必須整合在一起生成一個(gè)復(fù)雜生動(dòng)的場(chǎng)景,利用 VRML中的 Inline節(jié)點(diǎn)將各個(gè)體三維模型配置到場(chǎng)景中的對(duì)應(yīng)位置,便于文件的維護(hù)。生成一個(gè)復(fù)雜生動(dòng)的大型虛擬場(chǎng)景。為下一步實(shí)現(xiàn)行為模型的建立打下基礎(chǔ)。Inline節(jié)點(diǎn)可從萬維網(wǎng)上的任意位置讀取該VRML造型文件。

2.2 行為建模

VRML自身與外部的交互能力不是很強(qiáng),它必須和其他語言相結(jié)合才能構(gòu)造出具有強(qiáng)交互能力的虛擬場(chǎng)景。Java以其諸多的優(yōu)點(diǎn),與 VRML結(jié)合在一起,可以克服 VRML的一些缺陷,提供給用戶和VRML之間更豐富、便捷的人機(jī)交互,滿足系統(tǒng)的要求。從場(chǎng)景中獲得用戶感興趣的數(shù)據(jù)、讓用戶能夠精確地在設(shè)置的場(chǎng)景的參數(shù)等高級(jí)交互功能,則需要 Java的介入。場(chǎng)景由 Java程序控制,以實(shí)現(xiàn)介入者的意圖。

由Java程序控制的虛擬礦山導(dǎo)航功能主要有多視角觀看、固定路徑漫游、最優(yōu)路徑漫游及二維地圖(經(jīng)過筆者簡(jiǎn)化)與三維場(chǎng)景相結(jié)合的實(shí)時(shí)同步顯示。

Java程序控制的虛擬導(dǎo)航功能設(shè)計(jì)功能框圖:

3 最優(yōu)路徑漫游的實(shí)現(xiàn)

國內(nèi)外所建立的虛擬三維場(chǎng)景中,大多數(shù)僅實(shí)現(xiàn)了三維虛擬場(chǎng)景的仿真,少數(shù)在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的導(dǎo)航,但他們都僅實(shí)現(xiàn)了任意漫游或固定路徑漫游的功能。而在一些實(shí)際情況下,我們需要對(duì)所建立的三維場(chǎng)景有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí),如在三維場(chǎng)景中,在兩地之間存在有多條通路的情況下,哪條路徑最優(yōu)?這種最優(yōu)可否實(shí)時(shí)、直觀地在三維場(chǎng)景中演示出來?因此,三維場(chǎng)景下的最優(yōu)路徑漫游對(duì)一個(gè)陌生、復(fù)雜的環(huán)境中,通過設(shè)置最優(yōu)路徑漫游的功能,可解決從一個(gè)地方到另一個(gè)地方之間快速瀏覽的問題,從而截取我們需要的信息,這樣既滿足了訪問者的需求,又增強(qiáng)了系統(tǒng)的智能性。因此,提出了將最優(yōu)路徑漫游引入到三維場(chǎng)景中的思想,以實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中的最優(yōu)路徑漫游。

3.1 需考慮的因素

在實(shí)現(xiàn)虛擬礦山最優(yōu)路徑分析時(shí)應(yīng)考慮以下兩個(gè)因素:

(1)巷道的實(shí)時(shí)狀況。

巷道的實(shí)時(shí)狀態(tài),即某條巷道因外界原因不能通行,那么在生成最優(yōu)路徑時(shí),應(yīng)不考慮此條路徑。

(2)最優(yōu)路徑的形式。

①“距離”最優(yōu)路徑,即實(shí)際的地理距離最小,可以表示為U(x)=L1+L2……+Ln,當(dāng)U(x)最小時(shí),所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

②“時(shí)間”最優(yōu)路徑,即耗費(fèi)的時(shí)間最短,可表示為U(x)=T1+T2……+Tn,當(dāng)U(x)最小時(shí),所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

③“時(shí)間距離”最優(yōu)路徑,即時(shí)間和距離綜合選擇的最優(yōu)路徑,可表示為 U(x)=a(L1+L2……+ Ln)+b(T1+T2……+Tn)(a、b為權(quán)系數(shù)),當(dāng)U(x)最小時(shí),所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

一般來說,設(shè)A到B有一條通路,A的標(biāo)高高于B,若考慮到上坡和下坡時(shí)的速度,則邊 (A、B)和邊(B、A)上表示行駛時(shí)間的權(quán)值是不同的,即(A+B)和(B+A)應(yīng)是不同的兩條邊。因此,考慮的都是有向網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)路徑問題。

然而,在虛擬三維場(chǎng)景中,無需考慮時(shí)間的最優(yōu),即考慮最優(yōu)路徑漫游中的最優(yōu)為距離最優(yōu)。筆者建立的三維場(chǎng)景選擇的是礦山某一標(biāo)高水平上,高程差很小,所以僅考慮了距離最優(yōu)。因建立的三維場(chǎng)景為簡(jiǎn)化的真實(shí)場(chǎng)景,所以某巷道因外界原因不能通行時(shí),即不考慮該路徑。所以虛擬礦山可以抽象成為一個(gè)簡(jiǎn)單的無向賦權(quán)圖,巷道的長(zhǎng)度作為各個(gè)邊的權(quán)值,這樣兩地點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑問題就轉(zhuǎn)化為無向賦權(quán)圖中的最優(yōu)路徑問題。

3.2 最優(yōu)路徑算法的選擇

最優(yōu)路徑算法最終是用在三維場(chǎng)景的導(dǎo)航功能中,筆者希望實(shí)現(xiàn)任意兩地點(diǎn)之間最優(yōu)路徑的漫游,最終選擇了弗洛伊德 (Floyd)算法,預(yù)先計(jì)算出每?jī)身?xiàng)頂點(diǎn)間的最優(yōu)路徑信息。即所有頂點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑問題指對(duì)于給定的有向網(wǎng)絡(luò) G=(V,W),要對(duì)G中任意兩個(gè)頂點(diǎn)υ,w(υ≠w),找出υ到w的最優(yōu)路徑。算法的基本思想和運(yùn)算過程由于較為復(fù)雜,在此就不再累述。

3.3 最優(yōu)路徑漫游的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 任意兩點(diǎn)之間最優(yōu)路徑上經(jīng)過點(diǎn)的信息存儲(chǔ)

考慮到任意兩點(diǎn)間最優(yōu)路徑上所經(jīng)過點(diǎn)的信息需在控制面板中以文字的方式在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)演示同步進(jìn)行。因此將弗洛伊德 (Floyd)算法獲得的信息存入三維數(shù)組 S中。其中數(shù)組的第一維下標(biāo)表示路徑 Pij的起點(diǎn) i,第二維下標(biāo)表示路徑 Pij的終點(diǎn)j,數(shù)組存儲(chǔ)的是路徑 Pij上經(jīng)過的所有的點(diǎn),包括起點(diǎn)和終點(diǎn)。

3.3.2 算法描述

for(i=0;i

for(j=0;j

{

if(A[i][j]! =∞)

P[i][j]=j;

else

P[i][j]=-1;

}//給A數(shù)組和 P數(shù)組賦初值。

for(k=0;k

//做 n次迭代,每次均試圖將頂點(diǎn) k擴(kuò)充到當(dāng)前求得的從 i到 j的最短路徑上。

for(i=0;i

for(j=0;j

{ifA[i][j]>A[i][k]+A[k][j]))

{A[i][j]=A[i][k]+A[k][j];//修改長(zhǎng)度

P[i][j]=P[i][k];//修改路徑

}

}……

for(i=0;i

for(j=0;j

{intm=1;

System.out.printIn(A[i][j]);//輸出的長(zhǎng)度

Next=path[i][j];

If(next==-1)……//next==-1,則路徑不存在

System.out.printIn(i+1+"to"+j+1+"no path");

s[i][j][0]=i+1;

s[i][j][1]=j+1;

}

else{System.out.print(i+1);

s[i][j][0]=i+1;

s[i][j][1]=j+1;

while(next! =j){

System.out.print("——>"+next+1);//輸出后繼點(diǎn),用三維數(shù)組來存儲(chǔ)后繼點(diǎn)的信息

s[i][j][m]=next+1;

m=m+1;

next=path[next][j];//繼續(xù)找下一個(gè)后繼點(diǎn)

s[i][j][m]=j+1;

}

System.out.printIn("——>"+j+1);

}}……

在最優(yōu)路徑漫游實(shí)現(xiàn)過程中,使用了外部創(chuàng)造接口(External Authoring Interface,EAI)技術(shù)來使VRML與外部環(huán)境進(jìn)行通信、交互,Java制作實(shí)現(xiàn)漫游功能的控制面板。最優(yōu)路徑漫游的路徑選擇是隨機(jī)的,視點(diǎn)的變化也是隨機(jī)的,因此選擇的視點(diǎn)動(dòng)畫交互技術(shù)是線程法,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中最優(yōu)路徑漫游的實(shí)時(shí)演示。

最優(yōu)路徑漫游響應(yīng)按鈕事件的程序流程如下圖所示:

圖 5 響應(yīng)按鈕事件的程序流程圖

3.3.3 演示過程

圖6 主操作界面

4 結(jié)論及展望

筆者深入研究了VRML與Java的連接機(jī)制,以EA I實(shí)現(xiàn)了兩種語言的結(jié)合,利用 Java實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景中虛擬導(dǎo)航功能。文中最優(yōu)路徑漫游實(shí)現(xiàn),對(duì)礦山各系統(tǒng)中的應(yīng)急救援、運(yùn)輸系統(tǒng)的成本節(jié)省、從業(yè)人員的安全培訓(xùn)和教育等有一定的使用價(jià)值。

本文中的最優(yōu)路徑漫游,與 GIS結(jié)合,并加入更多的實(shí)時(shí)條件,在復(fù)雜的多個(gè)條件下處理事故和模擬事故的發(fā)生機(jī)理、過程、后果進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬將大大提高其實(shí)用性。同時(shí),Internet的快速發(fā)展及各種新技術(shù)的開發(fā),VRML與 Internet環(huán)境下計(jì)算機(jī)協(xié)同工作的結(jié)合將是一個(gè)重要的發(fā)展研究方向。

REFERENCES

[1] 金龍哲,宋存義.安全科學(xué)與原理.化學(xué)工業(yè)出版社.2004,4: 15.

[2] 熊靜,周定康.Internet環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) -VRML.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2004,2:17-19.

[3] Sing,G.,Geiner,S.and Thalmann,D.Virtual Reality Soft-Ware and Technology:Proceedingsof the Conference.World Scientific Publishing Company,Inc.1994,67-89.

[4] http://www.86vr.com.

Study on Visualization and Opti mal Roam ing in UndergroundM ine

L I AO Wen-tao,DENG Xiao-Yu
(1.Guizhou CoalMine Design Research Institute,Guizhou,Guiyang,550025; 2.Guizhou Financial Institute,Guizhou,Guiyang,550000)

Based on the demands ofmining safety in production and safety management,visualization and roaming technology to underground mine are proposed in this article.According to the demand of safety education and training,character of accident emergency rescue system and the organize optimization ofmining safety in production and safetymanagement,the modeling of underground mining byVRML and the realization of the optimal roamingpath through the combination ofVRML and Java are introduced.The virtual 3D sceneswhich are built in civil and international,all of them only realize the simple navigation function.The idea of optimal route algorithm used in 3D virtual scenes,which make 2D and 3D combined together to realize the roam of optimal route in 3D virtual scenes.This can increase the intellectuality of the system and better communication between virtual scenes and users.

VRML;Java;virtual navigation;optimal path

book=77,ebook=120

TD7;TP27

A

1009-3842(2010)03-0077-05

2010-07-07

貴州省科技廳重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目 (黔科合重大專項(xiàng)字[2008]6012)

廖文濤(1981-),男,漢族,貴州畢節(jié)人,昆明理工大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)畢業(yè),碩士研究生,研究方向?yàn)榈V山安全技術(shù),E-mail:945968416@qq.com。