礦山虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建模技術(shù)研究

摘 要:本文研究了虛擬現(xiàn)實建模過程中的相關(guān)技術(shù)問題，提出了一種3D虛擬礦山靜態(tài)建模方法，并運用3ds Max建立了虛擬礦山三維靜態(tài)模型，包括井下巷道和井上建筑等三維實體建模，取得了較好的初步應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實靜態(tài)建模VRML

中圖分類號:TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0042-01

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于礦山建設(shè)逐漸成為礦山數(shù)字化研究的熱點，目前市場上出現(xiàn)不少成熟的礦山三維建模軟件，如3ds Max、GoCAD、Maya、VRML等。本文研究虛擬現(xiàn)實建模過程中的相關(guān)技術(shù)問題，并運用3ds Max建立了虛擬礦山中的礦井靜態(tài)建模。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)的基本特征有沉浸性、交互性和構(gòu)想性。它綜合利用了計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)等多種技術(shù)，對人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的功能進(jìn)行模擬，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進(jìn)行實時交互，創(chuàng)建一種人性化的多維信息空間[1]。

3D Studio Max簡稱3ds Max，是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。其主要特點包括:豐富的插件;操作簡單;較好的兼容性;效果逼真。目前，3ds Max被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、多媒體制作以及工程可視化等領(lǐng)域[2]。

2 建模目標(biāo)的獲取及三維建模

2.1 建模目標(biāo)體信息的獲取

目標(biāo)體是場景中目標(biāo)建模的基礎(chǔ)，工程圖紙、目標(biāo)體的機械圖紙和實地考察是獲取目標(biāo)體的通用方法。建模目標(biāo)體大致可以分為井上部分和井下部分，如圖1所示。井上目標(biāo)體包括:建筑物、機械設(shè)備、道路等。井下目標(biāo)體包括:豎井、巷道、水管、礦車等。作者通過對河北省某鐵礦的實地考察、了解礦井的詳細(xì)情況，為建立礦井模型做了充分的準(zhǔn)備[3]。

2.2 礦山系統(tǒng)實體建模

井上目標(biāo)體建模需要了解建筑物、地表、機械設(shè)備、道路等外形構(gòu)造，我們使用3ds Max對目標(biāo)體分別進(jìn)行建模，圖2為構(gòu)造的井架模型。通過合成技術(shù)把井上的目標(biāo)體合成到一起，調(diào)整標(biāo)體的比例，從而使整體具有一定的協(xié)調(diào)性。井下實體建模時，

主要對豎井、巷道、礦車、采掘面、線路管道等目標(biāo)體的建模。由于巷道之間復(fù)雜的空間關(guān)系和巷道的幾何不規(guī)則性為井下建模帶來了一定的難度。巷道建模時，根據(jù)礦井結(jié)構(gòu)的特點，首先建立中間層巷道，從而比較容易確定不同水平之間位置關(guān)系，建立整體的框架，便于快速建模。在中間水平模型建好之后進(jìn)行上一水平面巷道的按照這個順序完成整道建模。完成巷道的整體模型之后把其他井下目標(biāo)體合成到巷道之中，并調(diào)后設(shè)置最后把井上把部分和井下部分進(jìn)行組合，最終形成整體模型[4][5]。

3 實現(xiàn)方案

由于礦山系統(tǒng)龐大、設(shè)備眾多，并隨著各種模型的建立、紋理渲染等工作的展開，使得計算機運行速度明顯減慢。要想使模型系統(tǒng)更加真實就要求各個部分的模型盡量精細(xì)化，但是模型的細(xì)化必然影響計算機的運行速度。處理好這對矛盾是本課題的難點。具體解決方案:(1)充分運用3ds Max中的插件，如Quicksilver渲染器，板巖材質(zhì)編輯器、貼圖和建模功能等。插件的充分利用不僅可以使模型過程簡化，而且能夠保證很好的模型的真實性。(2)對象重用:在虛擬場景中，許多模型是相同的，把相同的模型進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣不但減少了編碼過程中的復(fù)雜性，而且減輕了系統(tǒng)開銷，加快了瀏覽速度。(3)設(shè)置可視范圍:在固定的可視范圍內(nèi)的場景模型可以顯示出來，而在該范圍以外的場景模型是不顯示的，這樣可以加快瀏覽速度，減少系統(tǒng)開銷。

4 結(jié)論

本文研究了礦井的靜態(tài)建模方法，并將建模結(jié)果初步應(yīng)用于生產(chǎn)實際，對井下員工的培訓(xùn)起到了一定的作用。可以期待隨著相關(guān)研究的深入，建模方法得到進(jìn)一步完善，應(yīng)用3ds Max虛擬仿真軟件可以很方便地實現(xiàn)場景的虛擬仿真。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，礦山數(shù)字化建設(shè)的逐步完善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將有助于提高我國資源生產(chǎn)效率，提高安全生產(chǎn)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張金釗，張金摘，張金銳.虛擬現(xiàn)實三維立體網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計語言VRML[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[2]蔣毅.3DStudioMAX軟件在虛擬現(xiàn)實技術(shù)上的應(yīng)用[J].硅谷，2009，(4):78.

[3]王志杰等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山三維建模、顯示及漫游系統(tǒng)[J].測繪工程，2006，15(4):45-47.

[4]孫麒，劉迎春，徐春霞.基于VRML的虛擬場景漫游實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2008，29(14):3748-3751

[5]謝義林等.虛擬數(shù)字礦山的研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)工程，2006，5(1):56-59.