虛擬現實可視化仿真技術在采礦工程中的應用研究

姜天碩 穆存遠 董建軍

(沈陽建筑大學,遼寧沈陽 110168)

虛擬現實可視化仿真技術在采礦工程中的應用研究

姜天碩 穆存遠 董建軍

(沈陽建筑大學,遼寧沈陽 110168)

采礦工程中,若對于地下巖層環境不了解,就會使采礦工程的開展造成很多不便,可視化仿真技術恰恰可以彌補這個缺點,本文針對可視化仿真技術在采礦工程中的適用性來展開論述。而采礦工程的可視化仿真也是一個復雜的系統工程,在研究和分析可視化仿真技術過程中還存在諸多問題,主要問題在于虛擬現實可視化仿真技術的基礎模型構建所延伸出的相關問題,給工程的進行帶來了很大的不便,可視化仿真技術是一項根據不可見的地方的數據收集而進行模擬仿真成為實體的一項技術,本文主角介紹了虛擬現實可視化仿真技術的簡要步驟,以及簡要的說明了基礎模型的構建方法。采礦工程運用可視化仿真技術,可以打破傳統的采礦模式,讓采礦行業更加的科學,對其數據的收集更加的定量化。

三維 虛擬現實 可視化 仿真 采礦工程

1 采礦工程現狀

礦山是經歷了很長的時間才形成的，一般來說礦藏都是存在于地下，構造復雜，環境多變，在這樣的環境下進行采礦非常困難。為了采礦工程的順利進行，在采礦過程中需要不斷的對地質進行勘察和檢測，以便及時獲得各種各樣的信息和數據，并且用一定的方法將這種信息和數據進行處理，以便能了解地質現有的情況，這樣才能實時的掌握采礦工程的安全性。

現有的礦山采礦工程中對數據和信息的儲存大多以文字、圖紙、圖表為主，對勘察結果的表達也是數字或平面圖，這對分析研究非常不便。由于數據和平面圖的空間感不足，表達不夠直觀，采礦工程中出現的問題就難及時發現。

在傳統的采礦工程中，大量的數據沒有得到真實的反應，不能有針對性地做出決策，使采礦工程風險是很大。像這樣的直觀能力差、表現力差、數據利用不充分、繪圖費時、工作效率不高的傳統模式漸漸被淘汰。相對于其他的研究者，地質體是一個類型多、變化大的復雜體，由于其完全是沒有任何規律可言，因此研究起來只有打破常規，很麻煩。對于地質的研究一般來說包括了巖層的劃分、斷層的特征、巖土的特性、水文地質等等，而這些數據一般來說都是從鉆孔得到的。這些數據反映了地質的真實情況，這對于可視化仿真技術的運用奠定了基礎。而由于地質是一個非常復雜的環境，其內部環境沒有固定的模式，因此在進行取證數據時就變得尤為困難。地質數據也是對于一個點的檢測的數據，如果要運用到大面積的反映還是存在一些不確定性，而為了解決這一不準確性，數學上一般都會采取多地點取樣來進行多數據的采集，這樣就可以有效的減少誤差，而這樣做的缺點就是建立出來的三維模型往往都是點分布不均衡，離散型的，這樣對后期的分析是非常困難的。

圖1

圖2

圖3

2 采礦工程三維可視化技術的基本介紹

三維可視化技術是一個用于對地下情況的顯示，以了解地下情況的一種技術，一般用于地質和地球物理研究中。三維可視化技術就是將肉眼看不見而確實存在的東西利用數據描繪出來，便于研究者的理解，其實質是一種對于數據的真實表現，而不僅僅是一種模擬。是一個利用數據來說話的技術，利用數據使被研究對象“可視化”，然后可以檢查已有資料的可靠性，也可以對于以后的數據收集進行一個綜合的辨認，以防數據出現錯誤，被研究對象如果出現異常也會從數據中表現出來，這不僅在地質學上，在很多地方都有很廣泛的用處。

可視化仿真技術是利用三維對于被研究對象的一種解釋，同時更是對研究成果的形象而生動的表達。在傳統的地質研究中，研究者通過對不同地層進行逐個研究，才會合成一個三維空間，三維可視化仿真技術就是通過對地層的數據收集、透明度收集，直接利用三維技術在三維空間內合成用來表達地層的構造和屬性。

圖4

3 采礦工程虛擬現實可視化的制作步驟

虛擬現實可視化仿真技術是今年來新發展起來的一種技術，結合了計算機和三維技術，將得到的空間數據進行處理，以三維空間的方式展現出來，這樣就可以方便的處理了大量的數據和信息，并且以最簡單的方式展現出來，這對于信息和數據的處理和利用都是有非常大的作用的。虛擬現實可視化仿真技術是現在最熱門的立體三維展示技術，它是將被研究的對象利用其得到的數據將其在現實生活中模擬的再現出來，當然這是需要特定的空間數據收集和處理方法，這樣才能做一個仿真的模型，讓用戶研究更加的方便快捷。在采礦工程中，礦山壓力和巖層控制是一個動態三維空間問題，而我們所繪制的圖形要么是平面圖形，要么是靜態三維圖形，即使是現場參觀，看到的還是靜態的，這對于礦山壓力和巖層的運動沒有一個直觀的認識，這樣對于其分析就帶來了很大的不便。一般來說在地下是存在很多的壓力的，這是看不見的，只能通過所學的理論知識和經驗來想象，這樣造成的誤差就非常的大。而針對這個問題，虛擬現實可視化技術有著很大的優勢，通過對得到的數值進行計算研究，得到礦山之間的壓力，從而對其得到很好的控制，下面我們就對采礦工程的具體制作步驟進行簡單的介紹。

首先我們要按照工程的要求進行，例如礦上的整體尺寸、燈光的布局、以及材質的應用都應該準確。在采礦工程三維場景建立好之后，需要在場景中安裝一盞攝像機來模擬人的眼睛，攝像機的高度調節成人的高度，視野設置成人的視野范圍，以求真實。最后將制作好的文件導入VRML瀏覽器中，以方便操作用戶更直觀的了解工程。具體的制作步驟如下：

3.1 利用3Dmax三維軟件初步建立可視化三維結構及模型

地質是一個非常復雜的研究對象，其不僅包含了不同的質地，形狀和結構也是復雜多變的，在研究地質的時候首先就是要根據三維可視化仿真技術的需要，充分的反應所研究的對象的屬性和特點，這樣才能讓建立出來的三維仿真系統最大程度的反應被研究對象的特點。將三維數據結構進行收集，利用三維數據結構建立采礦工程虛擬可視化仿真環境。

虛擬可視化三維環境的建立中的基礎環節包括模型、材質、燈光、攝像機和動畫五大要素來構成虛擬可視化三維系統。在這個基礎環節我們要利用到3Dmax三維制作工具，要創造一個效果精良的虛擬操作環境，首先就要掌握基礎環節這五大要素的基礎知識，首先我們對第一要素模型的建立進行簡單的介紹，圖1為仿真模型建立。

通常，建模技術可分為兩類：幾何建模和行為建模。幾何模型是基于物體的幾何形狀等信息和表示，研究圖形數據結構等問;行為建模則是處理對物體的運動和行為的描述，通常稱之為動畫這個我們在第五要死動畫中會有介紹。

幾何建模的方法按其結構又可分以下兩種：

(1)層次建模法：是利用樹形結構來表示物體的各個組成部分。樹形結構不僅提供了一種簡便自然的分割復雜物體的方法，而且對模型的修改也十分有利。在移動單獨的局部節點時，只需要描述該節點相對于其父節點的相對位置和方向即可。層次建模法對于物體的結構自然描述，易于顯示。

(2)屬主建模法：屬主建模法的思想是讓同一種對象擁有同一個屬主，包含了該類對象的詳細結構。當要建立某個重復模型時只要建立一個指向屬主的指針即可。此方法的優點是簡單高效、易于修改、一致性強。對于同一種物體相同的物體結構只需要建立一次。

3.2 三維結構模型的材質與貼圖

采礦工程虛擬可視化三維環境系統中光有模型是遠遠不夠的，如果一個物體僅具有一種單調的顏色，這個物體就不會給操作用戶帶來更直觀的預覽效果，其真實感也將大大減弱。材質，就是在物體表面創造出一種光學效果，讓模型在著色時展現出不同的質地和色彩。例如，讓模型看起來像玻璃、金屬或者大理石等。貼圖是材質編輯器中的一個關鍵步驟，一個好的三維場景，其貼圖的使用是很頻繁的。用好貼圖將大大增強模型的真實感。圖2為模型材質烘培。

3.3 虛擬現實可視化場景的燈光與環境

在制作了逼真的三維模型與精美的材質后，還需要模擬一些自然界中的環境效果，使采礦工程場景顯得更為真實。3Dmax系統主要為用戶提供了兩種環境處理手段，即燈光和霧。燈光是制作三維場景時一項非常重要的內容。在3Dmax中，燈光是一種特殊的對象，它本身不能被渲染著色，但它卻影響著其他物體的表面和色彩。因而，燈光和材質起著同樣的作用和效果，二者相結合，將使物體更具真實感與魅力。

3.4 虛擬現實可視化場景中動畫制作與攝像機動畫

動畫為動態的觀察和表現三維場景及其物體提供了一種最為有效的方法。在3Dmax中，可以制作變換動畫(移動、旋轉、縮放)、放樣動畫、粒子動畫、管理器動畫、動力學動畫、正向或反向鏈接動畫、環境動畫、材質動畫以及變形動畫等?？傊?dmax中凡是有參數設定的模塊功能，幾乎都可以制作成為某種形式的動畫效果。

在虛擬空間中建立模型后，如果在再建立一臺攝像機，并使它運動起來擺設這個虛擬的空間景象，就可以獲得一個動態的、連續的攝影過程，從而形成一種全方位的場景瀏覽動畫。圖3，圖4為攝像機設置過程圖。

3.5 Dmax與VRML的結合

VRML其實是一套虛擬現實語言規范，他的特點是文件小，靈活度比較自由，比較適合網絡傳播，但程序語言繁雜且年代較久遠，所以畫面效果比較差，與VRML復雜的程序指令相比，3Dmax則是一種快捷直觀的建模方法。對于一個在3Dmax中創建出來的三維場景，用戶不但可以將它直接導出到VRML中，還能夠在其中插入多種VRML節點，并且將這些節點和空間中的造型鏈接在一起，設置各項參數，以致最后得到的VRML文件和直接編寫的VRML文件完全相同。

首先是將上述的模型軟件轉換為VRML可支持的格式，在3DMax中用Export命令，將模型轉換為.WRL文件，這是支持的文件格式，然后在VRML瀏覽器中進行程序語言描述。在這里可以實現復雜的動作控制。通過程序控制可以設置鼠標或者鍵盤的導航控制，也可以實現豐富的漫游動作控制，如在一個場景中，用鍵盤來控制左右行走，用鼠標來控制行走、開關等以及更為復雜的機關系統，同時也可以嵌入音樂以及動畫，使得漫游更為豐富。

4 結語

可視化仿真技術在現在來說在地質方面受到了很大的重視，其在采礦方面的應用使得采礦工程更加的方便，采礦工程結構非常復雜，相關數據的采集技術工作難度系數很高，其內外形態的不可預見性決定了可視化仿真技術研究成為一個重要難點。本論文研究在采礦工程的虛擬現實可視化仿真技術的具體制作步驟中，得出以下兩點結論。

(1)可視化仿真技術是一項需要非常謹慎而又復雜的工程，必須要有先進的三維建模軟件和操作技巧作為采礦工程建模的關鍵基礎，同時還要掌握虛擬現實可視化建模技術、以及對采礦工程等專業的知識，根據一定的工程經驗構造三維空間結構模型。

(2)采礦工程可視化仿真技術模型的構建對于殘余礦物儲量統計具有很重要的意義，假使建模不能即使反饋地下礦產結構的實際情況，就會影響殘余礦物開發回采的經濟評估。

[1]梁宇濤.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2006年03期.

[2]夏艷華,白世偉.層狀地質體與地下工程開挖三維可視化[J].巖土力學,2004(12).

[3]張建桃,伏永明.基于虛擬現實技術的礦井規劃與設計[J].計算機時代,2005年03期.

姜天碩,男,遼寧沈陽人,學歷：碩士,主要研究方向：工業設計工程。