巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

周 永 偉

(遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗和交互作用。該技術(shù)集成了傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。目前，其應(yīng)用己涉及宇航、安全培訓(xùn)、建筑設(shè)計、服裝購買、軍事、醫(yī)療、影視娛樂等領(lǐng)域，被專家學(xué)者們認(rèn)為是可能促使社會發(fā)生巨大變化的幾大關(guān)鍵技術(shù)之一。

為了把握虛擬現(xiàn)實技術(shù)優(yōu)勢，美、英、日等國,政府及大公司不惜巨資在該領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，并顯示出良好的應(yīng)用前景[1]。我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代初，科技部和國防科工委已將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究列為重點攻關(guān)項目，國內(nèi)眾多機構(gòu)都在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的研究和應(yīng)用，取得了一系列研究成果。

本文利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建出包括可表達(dá)工程地表起伏形態(tài)、地下巖層賦存狀態(tài)、巷道及空區(qū)的空間分布及幾何輪廓、工程機械工作狀態(tài)的三維模型的巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以模擬真實的巖石工程施工場景，此外還增加數(shù)據(jù)庫查詢、交互控制和可視化數(shù)值模擬結(jié)果、微震監(jiān)測結(jié)果功能，使用戶可以快速準(zhǔn)確的了解整個巖石工程的基本情況。

1 巖石工程三維模型的建立

1)巖層建模。

利用地質(zhì)勘查的資料作為巖層建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先地質(zhì)勘查鉆孔按實地打孔位置準(zhǔn)確排布在場景中，用線將同一巖層的邊界相互連接，形成巖層剖面圖，然后利用3Dmine的閉合線連接實體工程將剖面連成實體或曲面。

2)井巷建模。

利用3Dmine的閉合線連接實體，通過巷道形狀和軸線可建立井巷模型[2,3]，井巷相互交叉的部分可利用布爾運算實現(xiàn)相互貫通的目的。

3)空區(qū)建模。

首先根據(jù)空區(qū)寬度及長度描繪空區(qū)輪廓，然后利用3Ds max中的“擠出”命令，將輪廓線變成平面，再按照空區(qū)高度修改擠出高度，完成一個簡單空區(qū)模型的建立。若想完全還原空區(qū)的真實形態(tài)，可以利用空區(qū)探測裝置及軟件來建立具有復(fù)雜空間形態(tài)的模型，再將所繪空區(qū)模型導(dǎo)入巖石工程虛擬現(xiàn)實場景中。

4)機械設(shè)備建模。

根據(jù)機械設(shè)備的外觀形狀及表面顏色建立模型并賦予接近真實的貼圖，然后制作相應(yīng)的動作來模擬真實的設(shè)備作業(yè)行為，精細(xì)匹配的材質(zhì)貼圖可以顯著提高巖石工程虛擬現(xiàn)實場景的真實感，增強用戶對虛擬環(huán)境的沉浸感[4-6]，如圖1,圖2所示。

建立的巖石工程整體效果如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)庫信息查詢

單純的三維模型無法完整表達(dá)巖石工程中全部的信息，比如施工進(jìn)度等，所以有必要建立一個可查詢的巖石工程數(shù)據(jù)庫。

首先搜集現(xiàn)場資料建立數(shù)據(jù)庫，然后在巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中嵌入數(shù)據(jù)庫，并將場景中各個模型與數(shù)據(jù)庫中特定的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即將三維模型的名稱作為主關(guān)鍵字，通過接口連接到數(shù)據(jù)庫中與模型名稱相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息[7-9]。在巖石工程虛擬現(xiàn)實場景演示過程中，開啟模型關(guān)聯(lián)信息查詢，通過點擊場景中的模型就可在對應(yīng)位置出現(xiàn)與該模型相關(guān)聯(lián)的信息，如圖3所示。

3 交互控制

數(shù)據(jù)查詢功能完成之后，需要建立一套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)戶與場景間的交互。在巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，這些控制功能都可以通過編寫腳本語句并設(shè)置相應(yīng)按鈕實現(xiàn)[10]。

巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中虛擬漫游功能包括用戶自主漫游和按預(yù)定路徑自動漫游兩種模式。自主漫游就是用戶可自由切換、移動當(dāng)前視角并且利用鍵盤、鼠標(biāo)、手柄、肢體動作等方式操作當(dāng)前在巖石工程虛擬現(xiàn)實場景中的觀察視角，比如轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、上升、下降等，以此達(dá)到根據(jù)用戶個人意愿自由觀察整個巖石工程虛擬現(xiàn)實場景的目的。自動漫游是預(yù)先設(shè)置觀察視角的移動及轉(zhuǎn)動路線，當(dāng)開啟自動漫游模式時，觀察視角就會沿著這條預(yù)設(shè)的路線運動，用戶就可以不用進(jìn)行任何操作來觀察整個巖石工程虛擬現(xiàn)實場景。

4 可視化外部數(shù)據(jù)

對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)讀取數(shù)值模擬結(jié)果及微震定位事件的各種震源參數(shù)，并將這些外部數(shù)據(jù)可視化的功能。所讀取的數(shù)值模擬結(jié)果可以是三維應(yīng)力場數(shù)據(jù)(包括計算節(jié)點的三維坐標(biāo)值以及該節(jié)點位置對應(yīng)的應(yīng)力值大小)，所讀取的微震事件數(shù)據(jù)包括三維坐標(biāo)及該事件釋放的能量值。其中，應(yīng)力場以二維云圖的形式在虛擬現(xiàn)實場景中展示(見圖4)，而微震事件在以帶不同顏色的圓球在巖石工程虛擬場景中顯示，圓球所在空間位置(X，Y，Z)為微震定位事件所在的位置，圓球的半徑用來表示微震事件釋放的能量[11]，如圖5所示。

5 結(jié)語

本文結(jié)合某具體巖石工程實際案例，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起一個巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。該巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括可表達(dá)工程地表起伏形態(tài)、地下巖層賦存狀態(tài)、巷道及空區(qū)的空間分布及幾何輪廓、工程機械工作狀態(tài)的三維模型，帶有數(shù)據(jù)庫查詢和交互控制功能的一套巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以直接可視化巖體工程施工過程中產(chǎn)生的多源、多維數(shù)據(jù)集，增進(jìn)人們對這些復(fù)雜數(shù)據(jù)集本身的理解，不同數(shù)據(jù)集之間的空間相對關(guān)系、時間前后順序以及因果邏輯關(guān)系也更容易掌握。在此基礎(chǔ)之上，對該巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，使其能夠集成數(shù)值模擬軟件計算得到的應(yīng)力場、微震監(jiān)測系統(tǒng)采集到的微震定位事件數(shù)據(jù)，不僅提高了該巖石工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的綜合集成性能，而且拓寬了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了其實用性。