探索OpenGL在采矿工程中的技术应用

摘要：OpenGL无论是在交互三维图形建模能力，还是在外部设备管理及编程便利性上面，较之PHIGS、PEX、RenderMan等三维工具软件都有明显的优势。本文探索基于OpenGL的采矿工程可视化技术。

关键词：OpenGL 采矿 可视化

一、基于OpenGL的可视化原理

1.1 OpenGL运行机制

作为图形硬件的软件接口，OpenGL由几百条指令或函数组成。这些指令用来绘制诸如点、线、多边形等图形元素，并对这些图形元素进行着色、纹理、光照及动画等操作。OpenGL指令的解释模型是客户端/服务器模式，即客户端作为用OpenGL进行图形绘制工作的应用程序，向作为服务器的OpenGL内核指令，这些OpenGL指令由服务器来解释。一般情况下，客户端和服务器在同一台计算机上运行，但也可以在不同计算机上运行。因此，Windows下的OpenGL是网络透明的。

1.2 OpenGL工作流程

与大多数图形API类似，OpenGL把所接收的数据分成几何顶点数据和图像数据两类，其中，几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集；图像数据包括像素集、影像集、位图集等。

二、OpenGL在采矿工程中的应用

体视化技术是当今表达和分析复杂数据的有力工具，将体视化技术引入到地质采矿领域，可以实现三维工程布置和三维矿体的生成和仿真，有助于更好地理解矿体的空间信息及矿体与工程布置之间的空间位置关系，提高空间分析功能。虽然体视化能够揭示物体内部复杂的结构，使我们能够看到通常情况下看不到的物体内部结构，利用体视化技术可以解决采矿工程三维可视化里的集成显示。所以采用OpenGL所实现的主要功能就是对地下采矿工程的开拓系统和采准切割系统等各类工程、钻孔、矿体几何形状、各种地质剖面图以及巷道剖面图等的单独可视化仿真显示，并能进行旋转和缩放等操作。本文重点分析OpenGL在井巷工程可视化系统的关键技术及实现。

2.1实体绘制

OPenGL虽然具有较强的三维图形制作与处理功能，但其库函数还是比较有限的，仅提供十余种基本几何图形。虽然在辅助库中提供了部分二次曲面绘制函数，但大多数的几何体中心设在原点。这样绘制任意位置的几何体时，要么进行频繁的系统坐标变换，要么用数值矩阵计算进行图形变换。为了有效地建立地下井巷工程的三维可视化系统，需要编制大量的实体绘制功能模块，譬如，绘制任意位置的弧形巷道的主要技术及其实现过程如下。

在OPenGL库函数中无法直接生成弧形曲面，而如果采用NURBS曲面，则不能对其进行精确控制，难以满足描述巷道的需要，且程序复杂，运行效率低。在本系统中，采用增加裁剪面的方法来构造弧形巷道，将整个弧形巷道看成是由两个半径不同的同心圆柱和上下两个同心圆盘经过裁剪平面切割组合而成。

2.2投影变换

投影变换是一种很关键的图形变换技术，其目的就是定义一个视景体，使得视景体外多余的部分裁剪掉，最终图像只是视景体内的有关部分。OPenGL中提供了两种投影方式，即正射投影和透视投影。

正射投影的视景体是一个矩形的平行管道，也就是一个长方体。正射投影的最大特点是无论物体距离视点多远，投影后的物体大小尺寸不变。这种投影通常应用在井巷工程绘制和计算机辅助设计等方面，这些应用领域要求投影后的物体尺寸及相互间的角度不变，以便施工时物体比例大小正确。

透视投影符合人们视觉习惯，即离视点近的物体大，离视点远的物体小，远到极点即为消失，成为灭点。透视投影的视景体类似于一个顶部和底部都被切除掉的棱椎，也就是棱台。这种投影适用于动画、可视化仿真以及其他要求具有真实感图像的领域。

在井巷工程可视化系统中，为了表现各个工程之间的空间位置关系，在投影变换之后，要求巷道间的比例关系不发生改变，便于直观地分析井巷工程布置的合理性，因此，本系统使用正射投影。

2.3光照处理

OpenGL的光照模型包括辐射光、环境光、漫射光、镜面光等。辐射光是直接从物体发出，并且不受任何光源影响；环境光是由光源发出经过环境多次散射而无法确定其方向的光，即似乎来自所有方向；漫射光来自一个方向，它垂直于物体时比倾斜时更明亮，一旦照射到物体上，则在各个方向上均匀地发散出去；镜面光来自特定方向，并沿另一方向反射出去。

光源具有一系列特性，譬如颜色、位置、方向等。选择不同的特性值，则对应的光源作用在物体上产生的效果也不一样。

光照模型目的是通过法向、光源、材质等复杂计算，使得生成的图形图像具有真实感。

2.4平面法向量

计算法向量严密地表示多边的方向，OPenGL需要利用法向量来计算光线照射到物体上的角度，若要生成具有立体感的图像，必须定义物体的法向量。

OPenGL不提供计算法向量的函数，需要开发人员编制相应的程序。本系统所设计的法向量算法经实际数据验证，正确有效。

2.5集成实现

分析方法与研究结论：在本工程中，主要的监测分析区域为当前采煤面前方5 -12m范围内的煤层。利用微地震监测软件的数据采集及分析结果，定位出事件点位置后并完成其在模型中的绘制，即能着重对分析区域内的事件点数量和能量等信息进行观测。如工作面前方的事件较多，且能量较大，则应减小步距，增加支架数并合理设计支护方式，以减小工作面向前开采时顶板冒落或冲击地压造成的危害；如事件较少，则可适当减少支架数量，尽量减少资源耗费。

实验阶段的使用情况表明，该模型能较精确直观的模拟出工作面的实际情况与事件点的具置，并能显示信息合理预测前方的地压情况，从而提离了井下作业的安全程度，优化了资源配置。

三、结论

利用OPenGL技术进行地下采矿工程可视化仿真，可以实时对巷道进行旋转、平移和缩放，运行速度快，而且井巷工程图像逼真，具有真实感通过进一步的研究，还可以利用计算机辅助设计系统得到的设计与计划数据库，生成井巷工程的三维动态图像，进而实现在巷道里的虚拟漫游为工程技术人员直观地分析和优化地下采矿工程布置提供手段。

参考文献：

[1]李颖，薛海斌，朱伯立，等.OPenGL技术应用实例精粹[Ml.国防工业出版社，2011.

[2]陈光富.井巷工程透视投影图的计算机绘制[J].金属矿山，2011.