巖石工程虛擬現實系統的建立及應用

周 永 偉

(遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

虛擬現實技術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裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。該技術集成了傳感技術、顯示技術、計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能技術的發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。目前，其應用己涉及宇航、安全培訓、建筑設計、服裝購買、軍事、醫療、影視娛樂等領域，被專家學者們認為是可能促使社會發生巨大變化的幾大關鍵技術之一。

為了把握虛擬現實技術優勢，美、英、日等國,政府及大公司不惜巨資在該領域進行研發，并顯示出良好的應用前景[1]。我國虛擬現實技術的研究起步于20世紀90年代初，科技部和國防科工委已將虛擬現實技術的研究列為重點攻關項目，國內眾多機構都在進行虛擬現實的研究和應用，取得了一系列研究成果。

本文利用虛擬現實技術構建出包括可表達工程地表起伏形態、地下巖層賦存狀態、巷道及空區的空間分布及幾何輪廓、工程機械工作狀態的三維模型的巖石工程虛擬現實系統以模擬真實的巖石工程施工場景，此外還增加數據庫查詢、交互控制和可視化數值模擬結果、微震監測結果功能，使用戶可以快速準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。

利用地質勘查的資料作為巖層建模的基礎數據。首先地質勘查鉆孔按實地打孔位置準確排布在場景中，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相互貫通的目的。

3)空區建模。

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

4)機械設備建模。

根據機械設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，然后制作相應的動作來模擬真實的設備作業行為，精細匹配的材質貼圖可以顯著提高巖石工程虛擬現實場景的真實感，增強用戶對虛擬環境的沉浸感[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 數據庫信息查詢

單純的三維模型無法完整表達巖石工程中全部的信息，比如施工進度等，所以有必要建立一個可查詢的巖石工程數據庫。

首先搜集現場資料建立數據庫，然后在巖石工程虛擬現實系統中嵌入數據庫，并將場景中各個模型與數據庫中特定的信息進行關聯，即將三維模型的名稱作為主關鍵字，通過接口連接到數據庫中與模型名稱相對應的數據信息[7-9]。在巖石工程虛擬現實場景演示過程中，開啟模型關聯信息查詢，通過點擊場景中的模型就可在對應位置出現與該模型相關聯的信息，如圖3所示。

3 交互控制

數據查詢功能完成之后，需要建立一套控制系統，實現戶與場景間的交互。在巖石工程虛擬現實系統中，這些控制功能都可以通過編寫腳本語句并設置相應按鈕實現[10]。

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

4 可視化外部數據

對虛擬現實系統軟件進行二次開發，實現讀取數值模擬結果及微震定位事件的各種震源參數，并將這些外部數據可視化的功能。所讀取的數值模擬結果可以是三維應力場數據(包括計算節點的三維坐標值以及該節點位置對應的應力值大小)，所讀取的微震事件數據包括三維坐標及該事件釋放的能量值。其中，應力場以二維云圖的形式在虛擬現實場景中展示(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 結語

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