開源引擎在煤礦三維可視化中的應用研究

董前林　蔣樣明　劉赟　蔡將軍　李衛東

摘 要：筆者選擇OGRE 3D作為數字煤礦三維可視化渲染引擎，提出了基于OGRE 3D的煤層三維建模流程方法和煤層精細紋理的制作方法。其中，煤層模型構建的流程是：對于煤層，首先根據煤層底板等值線、斷層、陷落柱和邊界數據，采用基于線狀信息源的分區綜合插值法得到煤層底板的GRID文件，再加上煤厚數據，分塊生成包含煤層體6個面的XML文件（每個XML文件存儲的都是不規則三角網數據），然后生成可供OGRE 3D使用的包含層次細節信息的Mesh模型，最終通過OGRE 3D渲染生成模擬煤層。

關鍵詞：數字煤礦;三維渲染引擎OGRE 3D;Mesh模型;不規則三角網

中圖分類號：P208文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0079-03

1 研究背景

煤礦的三維可視化系統是指采用計算機軟件和相應的硬件設備，根據煤礦的實際地層數據、煤層數據、巷道數據、鉆孔數據和地表工業廣場數據模擬煤礦的實際生產的三維空間[1]。在煤礦的三維可視化系統中，用戶可以身臨其境煤礦設計、開采等過程，并能對相應的過程進行重現或跟蹤。因此，構建煤礦三維可視化系統對實現煤礦的現代化管理、安全高效生產及提高整個行業的科技發展水平具有非常重要的意義。

開源三維引擎的優點是可以充分利用成熟的游戲級的三維渲染引擎類，減少引擎開發的時間，從而把主要精力用于數字煤礦三維模型的構建。開源三維引擎的種類繁多。常見的3D引擎有：Unreal、LithTech、OGRE等，其中開源免費的有：Fly3D、G3D、OGRE 3D等。OGRE 3D是全面支持跨平臺的最主要的開源三維渲染引擎之一，能方便地插入到已有的應用程序框架中。OGRE 3D在免費、開源的引擎中評價最高：第一，其圖形渲染質量較好;第二，其設計模式較為清晰;第三，其速度也不錯。鑒于OGRE 3D具有上述優點，本文采用OGRE 3D作為煤礦三維開發引擎。

2 煤層三維建模流程

2.1 原始數據介紹

試驗煤礦采煤層的基礎數據分為5號、9號、15號三種。本文以5號煤層為例，介紹煤層模型的構建。煤層的數據范圍是64km2，X：654 300～662 300m，Y：3 947 500～3 955 500m。基礎數據包括：5號煤層（以下簡稱為“5”或“5煤”）底板等值線、5m煤厚等值線、5m陷落柱、5m斷層等。這些數據都是以tab格式存儲的。由于煤層的數據量較大，為了便于對煤層數據進行分析、處理和管理，本文將原始數據按500m×500m單元格網分為（16×16）塊。

2.2 生成煤層GRID文件

本文中，GRID文件主要是根據煤層頂板、底板等值線運用線狀信息源分區綜合插值法[2]生成。所謂分區綜合插值法，是根據線條包圍區的不同情況，采用不同的方法進行插值推斷。該方法可以充分利用煤礦實際生產中積累的大量地質資料，繪制精細的、準確度高的地質曲面圖形。線狀信息源分區綜合插值法根據某地層的等值線、斷層線、邊界線等線狀信息，將整個圖形轉換區劃分成若干個小區，使整個圖形轉換區都劃分為由邊界線、斷層線、等值線、陷落柱包圍的若干局部區域，充分利用了這些信息，可以得到較精細的地層曲面圖形[3]。本文采用綜合插值法對5m底板、5m煤厚、5m陷落柱和5m斷層數據進行插值，得到5m底板GRID文件（5m_2.grd）和3m厚度GRID文件（5mh_2.grd）。

2.3 生成煤層XML文件

生成煤層XML文件的過程是：采用已有的算法把2.2節中生成的GRID文件轉化成不規則的三角形，然后按照規定的XML文件格式進行存儲，分為下面兩個主要的步驟。

2.3.1 讀入GRID和DAT文件。Surfer的GS ASCⅡ[.GRD]文件的記錄格式如下：

第一行為大寫的DSAA，是ASCⅡ格網文件的標志;

第二行為兩個整形數，分別表示格網數據的列數和行數;

第三行為兩個浮點數，分別表示格網區中像素X坐標的最小值和最大值;

第四行為兩個浮點數，分別表示格網區中像素Y坐標的最小值和最大值;

第五行為兩個浮點數，分別表示格網區中像素Z值的最小值和最大值;

從第六行開始是以浮點數存儲的數據。假設格網區分為M行N列，依次存放的是第M行第一列的數據、第M行第二列的數據……，直到第M行的第N列數據。然后另起一行存儲第M-1行的數據，格式同前，依次類推直到第一行第N列數據。

Surfer還有一種常用的ASCⅡ XYZ格式的[.DAT]文件，該文件在A列中為X坐標，B列中為Y坐標和在C列中為Z值。

本文三維建模采用的數據包括3煤2m分辨率的底板GRID文件（5m_2.grd）、5煤底板邊界的DAT文件（5mdbbj.dat）。根據GRID、DAT文件的不同格式分別讀入5m_2.grd，5mh_2.grd，5mdbbj.dat。

2.3.2 生成不規則三角形并存儲。煤層頂板的高度等于煤層底板的高度加上煤層的厚度。由于數據量較大，把已分塊的煤層在Y方向（左下角為坐標原點，向右為X軸正方向，向上為Y軸正方向）上分為2段。煤層底板存在陷落柱，對陷落柱（空白值）的點確定一個假定的Z值：第一點為空白點時，從右邊最靠近的非空白點取值;最后點為空白點時，從左邊最靠近的非空白點取值;中間點為空白點時，從左右兩邊各取最靠近的非空白點后加權取值。根據2.3.1部分讀入的數據按照由后向前、由左至右，上下層分別逐點組合生成三角面。每一點只考慮右上象限，只考慮4點都可用的情況。假定上下層可用點相同。對于生成的三角面片需要計算其法線，而頂點法線采用各有關三角面法線相加后再正規化的算法進行計算。

XML文件存儲的信息包括：煤層Mesh模型材質的名稱，不規則三角形的頂點信息以及每個不規則三角形頂點的坐標、法線和紋理坐標。通過執行編譯后程序GRD-Mesh_A.exe，生成XML文件。

2.4 生成煤層模型

通過OgreXMLConverter程序可以把2.3中生成的XML文件轉換為Mesh模型。該程序是一個對調試網格數據內容或者進行簡單網格數據交換非常有用的工具，其可以將二進制在.Mesh、.Skeleton文件與XML文件之間進行轉換。OgreXMLConverter可以很容易地把XML文件轉換成二進制文件。同時，其還可以為網格數據的生成附加信息，如邊界區域（bounding region）和層次細節信息（level-of-detail）。層次細節是指對于同一個場景中的對象，可以通過不同的細節描述來得到不同層次的模型。在實際渲染中，是根據被渲染的實體與觀察點（攝像機）的距離來選擇不同細節。一般情況下，與觀察點距離較遠時，具有更廣的視覺空間，看到的實體比較多，但實體紋理比較模糊;相反，看到的實體較多，但實體的紋理較清晰。所以，為了節約計算機資源，提高渲染效率，距離較遠的實體，渲染較少的紋理細節。這可以通過設定實體與觀察點的距離閾值來實現。根據不同的閾值設置不同紋理細節。

3 煤層三維可視化

3.1 ORGE 3D渲染的關鍵技術

ORGE 3D渲染的關鍵技術主要有以下幾方面。①場景管理器。OGRE 3D是通過場景管理器來創建和操作場景中的對象、燈光、攝影機和實體等。在通過場景管理器操縱整個場景之前，要建立一個場景管理器的實例，然后至少還要構建一個攝像機，并執行“放置一個實體到場景中”的操作。②場景管理器。攝像機的概念和真實世界中的一樣，為場景進行“拍攝”每一幀的工作。攝像機既可以掛在場景節點上，也可以直接放到空間中。③燈光。燈光都會被綁定到某些場景節點上，用來產生特殊的效果，可以認為任何能夠照亮場景的東西都是燈光。在場景中，燈光擁有其類型、位置及強度的屬性。④天空面。天空面就是一個用來模擬現實世界中天空的一個平面。通常而言，其只是一個平面;不過如果需要，也可以把它當成“彎曲的”平面。當天空面彎曲時，類似穹頂所產生的效果，不過仍需要運用一些云霧的效果來掩飾其中的不足。

3.2 煤層三維模型的渲染

場景節點是在場景中實際移動變換的基本單元，其有自己的關聯層次（可以有父節點或者子節點）。節點的操作支持三種不同的坐標系空間，即世界坐標空間、父節點空間和自身空間。在進行移動、縮放、旋轉時，可以自由選擇使用的坐標空間。場景節點將持續跟蹤與其關聯的實體的方位。當創建了一個實體以后，其直到與一個場景節點關聯后才會被渲染。同樣，一個場景節點也不能單獨在屏幕上顯示出來，只有與一個實體綁定后才能在屏幕上顯示。本文是通過LoadCoalMesh函數實現煤礦三維模型的渲染，可以通過兩種方式獲取需要渲染的模型文件：①讀取事先配置好的XML文件;②使用打開菜單選擇渲染模型。文中規定為每個實體創建唯一的場景節點，并且場景節點和實體具有相同的名稱。煤層三維模型的渲染結果如圖1和圖2所示。

4 煤礦三維空間查詢

煤礦的三維空間查詢包括以下兩方面。①三維屬性查詢——由對象查詢屬性。OGRE 3D支持的Mesh模型，是一種網格模型，其無法存儲對象的屬性，即無法直接通過煤層或巷道的Mesh模型來獲取煤層的厚度、巷道長度等信息，這需要進行額外處理。本文的實現方式是：把煤層和巷道的屬性信息存放在Access數據庫中，通過Mesh模型的名稱來關聯和查詢所對應的屬性信息。首先通過鼠標選擇實體對象，然后通過對象的名稱檢索所在的數據庫表，在數據庫表中使用對象的名稱，就可以查詢到該對象的屬性信息。②三維空間查詢——由屬性查詢對象。三維空間查詢即通過屬性查詢對象，并居中、高亮顯示符合條件的對象。實現的基本原理是：首先，通過屬性獲取對象的名稱（模型的名稱），再獲取對象對應的實體的名稱，然后，獲取該實體綁定的場景節點，通過場景節點的_getWorldAABB（）方法獲取場景節點的位置A，最后把攝像機移動到與該位置具有一定距離的位置B，并讓攝像機朝向位置A。

5 結論

本文基于開源引擎對煤礦三維可視化進行研究。對于煤層數據，首先根據煤層底板等值線、斷層、陷落柱和邊界數據，采用基于線狀信息源的分區綜合插值法得到煤層底板的GRID文件，再加上煤厚數據，分塊生成包含煤層體6個面的不規則三角網的XML文件，然后生成可供OGRE 3D使用的包含層次細節信息的Mesh模型，最終得到了較好的煤礦三維顯示效果。在實現煤礦三維顯示的同時，還實現了煤礦數據的三維空間和屬性查詢。

參考文獻：

[1]韓瑞棟.煤礦三維可視化系統關鍵技術研究與實現[D].青島：山東科技大學，2007.

[2]Sirayanone S. Comparative Studies of Kriging， Multiquadric-biharmonic， and other Methods for Solving mineral Resource Problems [D].Ames：Lowa State University，1988.

[3]曾坤.數字礦山插值方法研究[D].北京：中國礦業大學（北京），2007.