基于移動端瀏覽器的礦業(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)展面臨著許多的機遇和挑戰(zhàn), 為了大力推進互聯(lián)網(wǎng)教育，2018 年教育部正式發(fā)布了《教育信息化2.0 行動計劃》，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]。現(xiàn)在手機、平板等移動端設(shè)備在校園內(nèi)廣泛應(yīng)用。與此同時，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“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際位置以及它們之間的關(guān)系時易產(chǎn)生錯誤，通過移動終端的瀏覽器對巷道三維模型進行多角度觀察和實時交互便可以解決這個問題。這與傳統(tǒng)教材相比較，具有獨特優(yōu)勢和與時俱進的先進性，能夠使更加優(yōu)質(zhì)的教育資源實現(xiàn)共建共享，同時深化教學(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)造了一個積極有效的教學(xué)手段，同時也為學(xué)生營造了一個積極的教學(xué)課堂。教學(xué)的方式隨著時代變得更加信息化，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)實現(xiàn)了平臺的全覆蓋。

1.3 手機瀏覽器的使用率高

根據(jù)調(diào)查可知，在手機的上網(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行多角度觀察和實時交互，從而將傳統(tǒng)教材中的平面圖升級為立體模型。項目研究技術(shù)路線如圖1。

圖1 項目研究技術(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)計命令結(jié)合剖面圖，對巷道坡度及空間位置根據(jù)實際情況進行調(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

作為一個開源的、免費的軟件系統(tǒng)，VTK 是一個可以用于3D 計算機圖形、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、可視化以及實時交互等功能，開發(fā)單個HTMl 文件三維模型查看器。通過獨立的單頁Web 應(yīng)用程序可視化瀏覽三維模型vtp 文件[6]。同時支持安卓和IOS 移動設(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行索引，使用CMS 建立動態(tài)網(wǎng)站并上傳至騰訊云服務(wù)器進行安裝。不需要在移動設(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、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，利用手機等移動端設(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體礦業(yè)教學(xué)模型每個位置的三維立體模型，這不僅改變了以往學(xué)生被動的教學(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)展時期，為了更好地實現(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]。