西山煤田巖礦標本精細化三維建模及其虛擬仿真平臺建設

張瓊月，陳黎明，趙金貴，王建民

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西省煤炭地質 114 勘查院，山西 長治 046011)

館藏巖礦標本具有唯一性和不可再生性，是地質專業技術人員學術交流和地學科普工作開展的載體，存在采集難度大、缺乏統一管理、服務利用受客觀條件限制等問題[1]，使得礦區、高校等單位巖礦標本利用程度不高，給地質工作和學習帶來諸多不便，不利于巖礦標本潛在價值的發掘和利用。

隨著數字化和可視化技術的進步，地質學與計算機科學相互結合，逐步推進地學資源信息化、科技化、標準化、網絡化[2-4]，是地學科普發展的整體趨勢。國外一些較著名的化石標本庫和博物館將館藏標本及相關資料已實現網絡化服務，但標本信息主要以文字和圖片的形式呈現，如著名巖礦數據庫網站Mindat.org和Geologynet Online Geology Database[5]。國家巖礦化石資源共享平臺[6]整合了我國重要的巖礦化石標本資源，以文字、圖片、視頻等形式對標本資源進行展示，實現了地質標本信息數字化管理與資源網絡共享，但該平臺晶體標本三維模型數據量較少且需要依賴插件瀏覽，紋理清晰度仍有待提高。羅玉瓊等[7]利用Visual FoxPro 數據庫技術研發出“礦物、巖石、古生物標本數據庫管理系統”，該信息數字化管理系統僅存儲了實物標本的數字影像。前人主要從國家和高校層面對地學相關標本進行數字化管理和分享，共享形式主要以文本、圖片和視頻為主，然而在信息技術發展極其迅速的時代，人們對可視化的需求不僅停留在圖片、視頻等形式，三維模型更受青睞[8]。P.K.Allen 等[9]利用三維激光掃描技術對斯特大教堂建立起三維模型，但該技術成本高，適用于對大尺度實物進行三維建模，而巖礦標本一般尺寸較小，對三維模型建模質量以及紋理清晰度要求更高。牛永斌等[10]基于小尺度地質體建模思路，將表面特征建模和實體結構建模相結合，表面特征建模采用三維掃描儀完成，實體結構建模利用VRML(虛擬現實建模語言)，該方法成本高、效率低。隨著計算機視覺技術在攝影測量中的發展和應用，呈現出一些優秀的三維建模軟件，如3DF Zephyr、ContextCapture Center Master、PhotoScan，這些軟件主要用于大型航測影像三維建模，也能很好地適用小尺度實物三維建模[11]。李銳[12]、陳志軍[13]等對中國地質大學(武漢)300 多個巖礦石標本建立起三維模型，并基于Google Earth GIS 技術和Unity 技術開發了虛擬仿真實驗教學平臺，但巖礦標本三維重建流程還可以進一步優化，網站加載三維模型速度還有提高空間。

三維模型相較于文本和圖片是一種更生動逼真的科普和展示形式，巖礦標本作為指導勘探、生產、開發以及科學研究的基礎，對于三維重建的需求與日俱增。借鑒前人對巖礦標本三維模型重建的研究成果，筆者將進一步從原始圖像質量和三維重建軟件比選兩方面出發，優化礦區巖礦標本三維建模技術，提高建模精度，并搭建巖礦標本虛擬仿真平臺，在保證三維模型精度前提下通過數據格式轉換壓縮三維模型數據內存，加快三維模型在瀏覽器上加載和渲染的速度，最終形成一套規范化的礦區巖礦標本建模流程和虛擬仿真平臺搭建方法，具有較高的可執行性和一定的經濟效益。該研究可有效提升西山煤電集團煤礦地質工作者的基本地質素養，提高基本地質技能，拓展煤礦地質工作者的全局觀、系統觀、科學觀以及地質視野。

1 巖礦標本精細化三維重建

目前比較常用的三維重建技術有三類：第一，幾何建模技術，適用于結構簡單、紋理單一的巖石和礦物標本，而西山煤田巖礦標本種類多種多樣，大多紋理結構較為復雜；第二，三維激光掃描技術，其構建三維模型速度快、精度高、效果好，但此方法成本高，適用于對高價值、大體積的實物進行建模，對于小尺度的巖礦標本適用性較差；第三，多視圖圖像三維重建技術，該技術是近些年發展成熟的一種三維重建技術，通過量測或非量測相機多視角、多層次地拍攝照片，得到一組高重疊率物體表面的照片，然后通過提取各照片的特征點，依據這些特征點的稀疏匹配解算出照片的三維位置，進而經過密集匹配獲得物體表面密集點的三維坐標[14]，相比幾何建模和三維激光掃描技術具有采集數據效率高、易操作、成本低的特點，可對大量巖礦標本進行數據采集。因此，依據礦區巖礦標本自身特性，本文選擇多視圖圖像三維重建技術，通過設計數據采集專用裝置優化原始圖像質量，并優選三維建模軟件，給出適用于該技術的巖礦標本建模流程，能夠實現巖礦標本精細化建模。

1.1 原始圖像質量優化

原始圖像質量決定三維重建效果，為提高原始圖像質量，本文從相機參數、照片重疊度、拍攝環境三方面考慮，設計三維環物攝影裝置。該裝置是獲取高質量圖像的重要保障，由小型攝影棚、旋轉托盤、單反相機、三腳架組成(圖1)。攝影棚主要用于消除周圍雜物和自然光線不均勻而產生陰影等問題，從而消除其對圖像中主要物體建模產生的影響，而充足的光線能夠保證顏色較深的煤和泥巖等標本的清晰度，使其表面色彩、紋理等細節更清晰；三腳架穩定相機能夠有效防止拍攝時的機身抖動，從而改善拍攝效果；自動旋轉托盤配合相機連拍，極大提高圖像采集速度。

圖1 三維環物攝影系統裝置組件Fig.1 Device assembly of the three-dimensional ring object photography system

在圖像數據采集中，相機分辨率、光圈值、感光強度和焦距等設置都會影響照片質量。綜合考慮紋理清晰度以及建模所用時間，分辨率選取為3 840×2 560。選用較小光圈以保證拍攝物體前后清晰。圖2 對比了相機不同參數對特征點提取數量的影響，在快門速度不變的情況下，調整感光度和光圈值使得曝光強度保持一致，使用Visual SFM 軟件提取4 張不同參數拍攝照片的特征點。結果表明，當快門速度為1/160 s 時，保持光圈值在5.6～11.0，感光強度為100～400，圖像上可以提取到更多的特征點。

圖2 不同相機參數對特征點個數的影響Fig.2 Influence of different camera parameters on the number of feature points

拍攝前，搭建小型攝影棚，調整好燈光強度、相機參數以及拍照角度和位置，將巖石標本放置在旋轉托盤上并置于攝影棚中央，用圓盤轉動環拍方式獲取標本360 度圖像。為保證模型結構完整、紋理清晰，相鄰兩張圖像重疊率應不低于60%，且照片數量不少于60 張。對太原西山煤田300 多塊巖礦標本采用上述方式進行圖像數據采集，建模質量較高，保證了模型的完整度，而且工作效率得到很大提升。

1.2 三維重建軟件優選

高質量圖像是精細化建模的關鍵，而建模效率和建模質量取決于建模軟件的性能，為保證建模效率和質量，本文使用3DF Zephyr、ContextCapture Center、PhotoScan 三種主流軟件分別構建白云巖標本三維模型，并進行綜合對比分析。從圖3 可見，PhotoScan 軟件重建的三維模型顏色與實物相差較大，3DF Zephyr軟件重建的三維模型存在空洞；ContextCapture Center 軟件較3DF Zephyr 和PhotoScan 重建的白云巖標本三維模型形狀最完整，紋理最清晰，與標本實物最為接近。另外從建模平均時間比較3 個軟件對地質標本的三維重建的性能(表1)，可以看出ContextCapture Center 建模軟件比其他兩個軟件建模速度快，并且自動化程度高，操作簡單。因此，本文選擇ContextCapture Center 軟件作為建模工具，導出OBJ 格式的三維模型以便進行格式轉換。

表1 不同軟件建模性能比較Table 1 Comparison of modeling of different softwares

圖3 不同軟件三維建模質量對比Fig.3 Comparison of the quality of 3D modeling of different softwares

2 巖礦標本虛擬仿真平臺搭建-以西山煤田為例

西山煤田是我國開發最早的煤田之一，是華北石炭-二疊系標準剖面的命名地，是中國煤田地質科學研究的搖籃。經過一百余年的勘探開發和科學研究，積累了豐富的地質數據和科研成果。在山西能源工業優化轉型的新形勢下，亟需系統地收集現有的地質信息，以圖、表、實物、信息系統等形式，通過分析、歸納、總結，系統集成西山煤田地質成果，構建起科學-生產-安全-管理的地質信息平臺，全方位提升西山煤田地質規律認知的產學研高度，為進一步尋找地質規律，指導勘探、生產、開發以及科學研究奠定基礎。本文以西山煤田巖礦化石標本為例，應用上述技術和方法對已有的300 多塊巖礦標本進行高精度三維重建，并構建起巖礦標本虛擬仿真平臺。

2.1 平臺架構設計

太原西山煤田地質成果系統集成平臺主要采用B/S(Browser/Server)模式，總體架構如圖4 所示，數據庫層以MySQL 作為關系型數據庫平臺，其中標本信息表主要存放巖礦標本基本信息，除文字外還包括圖片存放路徑、三維數據存放路徑、音頻解說存放路徑等，系統信息表主要存放該網站其他頁面中所需圖片、視頻和文檔路徑。文件夾主要存放圖片、三維模型、音頻、視頻和文檔等內存較大的數據。服務器層以Express 框架作為后端開發框架，主要負責存儲和傳輸客戶端所需數據。瀏覽器端使用Vue.js 進行前端界面設計，應用WebGL 接口加載三維模型，主要設計有網站首頁、地質科普、地質標本、地質規定、地質資料、地質系統、路線地質以及地質演化8 個模塊，各個模塊主要功能如圖5 所示。

圖4 系統架構Fig.4 System architecture diagram

圖5 平臺主要功能模塊Fig.5 Main functional modules of the platform

2.2 巖礦標本分類及數據庫邏輯結構設計

對西山煤田具有代表性的巖礦標本進行整理，根據礦區生產需求分類，并對不同類別進行編碼，如圖6 所示。為方便在瀏覽器中調用標本信息，將標本信息(表2)存放入MySQL 數據庫中。

圖6 巖石標本分類及類別編號Fig.6 Classification and category number of rock specimens

表2 標本信息表Table 2 Specimen information sheet

2.3 模型在網頁上加載速度優化

到目前為止已有70 多種不同格式的3D 數據，OBJ 文件是一種傳統的標準三維模型文件格式，一般包括3 個子文件(.obj、.mtl、.jpg/.png)，文件結構簡單，但只在特定的3D Web 框架中支持，因此，常被用在應用程序中讀取或進行3D 文件格式轉換。

GLTF(Graphics Language Transmission Format)格式是一種新興的3D 數據格式[15]，包括3 個子文件：.gltf、.bin、.jpg/.png。與傳統的OBJ 格式相比，GLTF作為跨平臺的三維模型數據格式可在絕大多數框架中兼容，這種格式已成為網頁上3D 模型的JPG 格式：Web 導出的通用標準。而GLB 是一個包含GLTF 模型所有資源的二進制文件，可有效規避GLTF 的一些缺陷。

對OBJ 格式和GLB 格式的巖礦標本三維模型在網頁上的加載效率進行對比(表3)，為減少網速對模型加載速度的影響，取每個模型加載10 次的平均值作為該模型的最終加載時間。由表3 可知，GLB 格式的三維模型數據量明顯小于OBJ 格式，模型加載時間明顯縮短，且模型顯示效果無差別。因此，本文選用GLB格式三維模型進行展示，使用obj2glTF 插件將OBJ 格式轉換成GLB 格式，以提高網頁加載速度，改善用戶體驗感。

表3 OBJ 三維模型與GLB 三維模型網頁加載速度對比Table 3 Comparison of web page loading speed between the OBJ 3D model and GLB 3D model

2.4 巖礦標本虛擬仿真平臺的搭建

結合以上工作，本文應用WebGL 圖形庫Three.js構建西山煤田巖礦標本虛擬仿真平臺。用戶無需安裝任何輔助插件就可以查看地質標本三維模型，操作簡潔。如圖7 所示，三維標本展示界面主要包括標本分類導航欄，三維模型顯示窗口以及屬性顯示欄。界面左側是標本目錄導航欄，根據標本所屬類別編號將標本名稱加載到導航欄中。在導航欄上端可以根據輸入的關鍵詞檢索相關模型。界面右側是標本屬性顯示欄，主要顯示標本圖片、屬性信息(如名稱、主要化學成分、顏色、年代、結構、構造等)、細節描述和具體用途，并可實現語音朗讀屬性功能，給用戶提供更好的體驗感。界面中部是三維模型顯示窗口，用于對地質標本三維模型進行加載和渲染，通過旋轉、縮放從不同角度觀察巖礦標本。

圖7 三維模型PC 端顯示界面Fig.7 PC display interface of the 3D model

此外，將二維碼技術與平臺地質標本模塊功能結合，為西山煤電集團資源地質部標本室每個巖礦標本設計二維碼標簽，如圖8 所示，工作人員可以通過手機掃描二維碼查看標本三維模型以及詳細信息，如圖9所示。

圖8 西山地質處標本簽Fig.8 Xishan Geological Office specimen label

圖9 移動端巖礦標本三維模型加載Fig.9 3D model loading of rock and mineral specimens at the mobile end

3 結論

a.結合巖礦標本結構紋理復雜、數量多等特征，從原始圖像質量和三維重建軟件比選方面出發，選擇多視圖圖像三維重建技術，優化了太原西山煤田巖礦標本三維模型重建技術，提高了三維建模精度。

b.地質標本模塊結合WebGL 技術，實現巖礦標本三維模型在PC 端的展示。通過數據格式轉換，優化了三維模型在瀏覽器上的加載速度，建立了西山煤田地質成果系統集成平臺。

c.該平臺已搭建完成，部署在西山煤電集團內網，在使用過程中可根據實際需求持續更新和改進。關于如何深入體現地質標本三維模型的科研價值還有進一步升級和優化的空間，將繼續對其進行探索。