基于移動(dòng)端瀏覽器的礦業(yè)教材平面圖立體化研究

呂亞菲 張凱銘 劉錦艷 師雨晴 靳萌萌 荊永濱（河南工程學(xué)院，河南 鄭州450000）

高等教育發(fā)展面臨著許多的機(jī)遇和挑戰(zhàn), 為了大力推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)教育，2018 年教育部正式發(fā)布了《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，呼吁高等教育利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的優(yōu)勢來盡快改變高校教師的信息化教學(xué)方式和完善高校學(xué)生的信息化學(xué)習(xí)體育教育方式[1]?，F(xiàn)在手機(jī)、平板等移動(dòng)端設(shè)備在校園內(nèi)廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，校園網(wǎng)的建設(shè)和5G 技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟都為移動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”的新型教育方式搭建好了平臺[2]。在傳統(tǒng)的礦業(yè)工程教材中，存在著多種井底車場、開拓方式、準(zhǔn)備方式以適應(yīng)不同的條件，其中的巷道和硐室布置通常以平面圖的形式表示，憑借三維想象能力去理解巷道的實(shí)際位置以及它們之間的關(guān)系時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)誤，通過移動(dòng)終端的瀏覽器對巷道三維模型進(jìn)行多角度觀察和實(shí)時(shí)交互便可以解決這個(gè)問題。這與傳統(tǒng)教材相比較，具有獨(dú)特優(yōu)勢和與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)性，能夠使更加優(yōu)質(zhì)的教育資源實(shí)現(xiàn)共建共享，同時(shí)深化教學(xué)模式的創(chuàng)新。

1 建立巷道三維模型的依據(jù)和原則

1.1 適應(yīng)學(xué)校的需求

礦業(yè)教材中圖形過多，而且比較復(fù)雜，對于圖形轉(zhuǎn)變思維較差的學(xué)生來說，理解起來非常困難，容易產(chǎn)生很多誤解，也就漸漸地對大學(xué)的課程沒有了興趣和積極性，同時(shí)也降低了老師講課的積極性。互聯(lián)網(wǎng)在我們生活中的不斷普及和多媒體的廣泛應(yīng)用使教學(xué)模式發(fā)生了很大的變化，為老師創(chuàng)造了一個(gè)積極有效的教學(xué)手段，同時(shí)也為學(xué)生營造了一個(gè)積極的教學(xué)課堂。教學(xué)的方式隨著時(shí)代變得更加信息化，教學(xué)資源也利用了網(wǎng)絡(luò)信息、三維模型，學(xué)生的興趣隨之得到了提高，并且隨著現(xiàn)在出現(xiàn)的5G 手機(jī)和平板電腦的不斷更新?lián)Q代，用智能設(shè)備的人們的要求也變得更高。

1.2 基于手機(jī)瀏覽器開放平臺的一站式學(xué)習(xí)已經(jīng)成熟

經(jīng)過不斷的發(fā)展，我們?nèi)粘Ｓ玫氖謾C(jī)瀏覽器已經(jīng)具備了符合大多數(shù)人的流量少，速度快，性能穩(wěn)定的要求，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了平臺的全覆蓋。

1.3 手機(jī)瀏覽器的使用率高

根據(jù)調(diào)查可知，在手機(jī)的上網(wǎng)應(yīng)用中，瀏覽器和音樂軟件的使用分別排名第二、第三，其滲透率分別是48.4%和45.3%，可見，人們普遍用手機(jī)瀏覽器來獲取信息。

2 將教材平面圖轉(zhuǎn)換為立體模型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

首先獲取教材中平面圖形，將其導(dǎo)入至CAD[3]，利用描圖的方法繪制巷道中心線，再使用Dimine 礦業(yè)軟件將其轉(zhuǎn)化為三維模型。并使用網(wǎng)站內(nèi)置的web 程序查看巷道三維模型并進(jìn)行多角度觀察和實(shí)時(shí)交互，從而將傳統(tǒng)教材中的平面圖升級為立體模型。項(xiàng)目研究技術(shù)路線如圖1。

圖1 項(xiàng)目研究技術(shù)路線

2.1 獲取教材中平面圖

將《煤礦開采學(xué)》教材中的平面圖掃描或拍照。如圖2。

圖2 教材平面圖

2.2 繪制中心線圖

首先把課本中單一煤層采區(qū)巷道布置平面圖通過相機(jī)獲得位圖圖像格式文件，其次在AutoCAD 軟件中用插入圖像的方式打開并對角度進(jìn)行糾正，最后在AutoCAD 軟件中用三維多段線描圖的方法來繪制巷道中心線[4]。如圖3。

圖3 中心線圖

2.3 制作巷道三維模型

在Dimine 礦業(yè)軟件中打開繪制好的巷道中心線，使用軟件提供的井巷設(shè)計(jì)命令結(jié)合剖面圖，對巷道坡度及空間位置根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，得到空間的巷道中心線。分別對不同類型的巷道設(shè)計(jì)巷道斷面形狀和尺寸，利用巷道中心線和斷面制作巷道三維模型。將巷道三維模型文件轉(zhuǎn)換為ParaView軟件支持的文件格式，然后保存為vtp（vtk polydata file）格式文件。如圖4。

圖4 巷道三維模型

2.4 利用基于瀏覽器WebGL 的可視化工具vtk.js 開發(fā)三維模型查看器

作為一個(gè)開源的、免費(fèi)的軟件系統(tǒng)，VTK 是一個(gè)可以用于3D 計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理以及可視化的工具包，并且他是由ES6 JavaScript 類庫組成的，可以將其集成到任何web 應(yīng)用程序中[5]。在騰訊云Ubuntu 系統(tǒng)中安裝node.js，然后安裝vtk.js 及開發(fā)套件kw-web-suite，編寫vtp 模型文件的讀取、可視化以及實(shí)時(shí)交互等功能，開發(fā)單個(gè)HTMl 文件三維模型查看器。通過獨(dú)立的單頁Web 應(yīng)用程序可視化瀏覽三維模型vtp 文件[6]。同時(shí)支持安卓和IOS 移動(dòng)設(shè)備。

2.5 建立資源網(wǎng)站查看模型

使用wordpress 架設(shè)網(wǎng)站，將教材平面圖與模型導(dǎo)入，用戶可以使用移動(dòng)設(shè)備根據(jù)教材圖序查找對應(yīng)的模型并查看。在騰訊云服務(wù)器安裝Ubuntu 系統(tǒng)，安裝NGINX、MariaDB 和PHP，搭建LNMP 環(huán)境。將《煤礦開采學(xué)》教材中的巷道三維模型按圖編號進(jìn)行索引，使用CMS 建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)站并上傳至騰訊云服務(wù)器進(jìn)行安裝。不需要在移動(dòng)設(shè)備上安裝APP，只需打開瀏覽器訪問網(wǎng)站即可查看對應(yīng)教材的巷道三維模型。

3 結(jié)論

將書上二維的圖片轉(zhuǎn)換為三維模型的方法使圖片的不會動(dòng)、不形象、不直觀的問題得到了有效解決。減輕了老師的教育難度，能夠幫助學(xué)生建立起從圖紙到具體現(xiàn)象的直觀感受，利用手機(jī)等移動(dòng)端設(shè)備在網(wǎng)站上直接登錄或者掃描相應(yīng)的二維碼就可以清楚地觀看到實(shí)體礦業(yè)教學(xué)模型每個(gè)位置的三維立體模型，這不僅改變了以往學(xué)生被動(dòng)的教學(xué)模式，而且還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生們能夠獨(dú)立思考并共同探討問題。但目前相應(yīng)技術(shù)還處在不很成熟的發(fā)展時(shí)期，為了更好地實(shí)現(xiàn)模型在線瀏覽，相關(guān)方面的技術(shù)研究后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化。雖然現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的主流圖形仍是平面的圖片，但3D 立體圖形在互聯(lián)網(wǎng)上的地位正在逐步提升，并且隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)三維模型將會進(jìn)入學(xué)生的學(xué)習(xí)生活中，3D 化的內(nèi)容也將會慢慢的成為最便捷的傳播信息的媒介[7]。