煤矿巷道三维自动建模系统的设计

摘要:基于虚拟现实的方法和技术,开发出了煤矿巷道三维自动建模系统。介绍了该系统的设计方法,系统构成和工作流程。对系统中用到的关键技术进行了研究分析。最后给出了该系统在实际生产中的一个应用实例。

关键词:虚拟现实;自动建模;工作流程;实例

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)19-5300-02

Design for the 3D Automatic Modeling System of Mine Laneway

MAO Wen-jie, LU Xiang, MA Jin

(Tai'an Area Shandong University of Science and Technology, Tai'an 271019, China)

Abstract: Based on the method and technology of virtual reality,the 3D automatic modeling system of mine laneway is developed.The design,structure and wok proess of this system is introduced in the paper.It also analyses and researches some key technology used in this system..In the end an application instance is put forward.

Key words: virtual reality; automatic modeling; work proess; instance

随着科技的发展,虚拟现实技术在矿业中应用也越来越广泛。利用虚拟现实技术创建出逼真的三维矿山工程环境,人们可以更加深刻地了解实际矿业工作环境,进行风险预测和矿山事故分析与再现,这种技术的研究开发无疑对提高煤矿安全生产、矿工安全保护意识和系统优化设计等具有重要的实用价值。煤矿巷道模型是矿山三维虚拟场景的重要组成部分,是构建数字矿山的基础[1]。本文主要讨论了基于虚拟现实技术的煤矿巷道三维自动建模系统的设计方法及应用。

1 建模方法选择[2]

数字空间中的信息主要有一维、二维、三维几种形式。一维的信息主要指文字,通过现有的键盘、输入法等软硬件。二维的信息主要指平面图像,通过照相机、扫描仪、PhotoShop等图像采集与处理的软硬件。对于虚拟现实技术来说,关心的核心是事物的三维建模。按使用方式的不同,现有的建模技术主要可以分为:几何模型、扫描设备、基于图像等几种方法。基于图像的建模技术不依赖于三维几何建模,而是利用照相机采集的离散图象或摄象机采集的连续视频作为基础数据,经过图象处理生成真实的全景图象,然后通过合适的空间模型把多幅全景图象组织为虚拟实景空间,用户在这个空间中可以前进、后退、环视、仰视、俯视、近看、远看等操作,从而实现全方位观察三维场景的效果,多用于漫游系统。图像建模法应用比较广泛,也是当下研究的重点。本系统的设计思想就源于此种建模方法。

2 系统总体设计

本系统设计为菜单控制窗口显示型虚拟建模系统。计算机显示器为主要的输出设备,通过专用的图像浏览器可以全方位的观察建模效果并及时改进模型。模型的搭建为实现整个矿区的漫游奠定了基础。

2.1 环境配置

系统工作环境主要由软件和硬件两大部分构成。软件方面包括WinXP操作系统和Microsoft Visual C++6.0、Direct3D等集成软件开发环境。硬件方面主要是一台高性能配置的PC机。由于虚拟现实技术对实时性要求高且图像质量要求逼真,所以最好采用独立的显卡处理器。建议最低配置标准:CPU,P4 2.4G;独立显卡,64M;硬盘,80G;内存,512M。

2.2 工作流程

本系统工作流程大体可以分成三步。

首先是接收数据。建立巷道三维模型需要的数据为巷道底面中心线三维坐标和断面参数,具体包括巷道底宽,高,弯度,连接点信息等数据。数据获取有两种途径,一种是直接从矿井设计图纸上直接获取巷道结构和布局的原始数据,经过转换处理得到符合要求的数据。此方法处理过程繁琐,计算量大;另一种方法是建立数据库,直接从数据库中读取数据,简便准确快捷。

第二步是对输入的符合要求的数据进行计算,在vc++环境下进行调试和编译。

最后得到巷道的模型结构图。扩展模块的存在可以随时修改更新巷道模型。整个系统的流程框图如图1所示。

2.3 系统构成

本系统由数据导入模块,巷道生成模块,视频教学模块和帮助模块构成。图2为系统结构组成框图。

数据导入模块主要负责数据的输入,输入的数据包括巷道节点信息,巷道始终号及类型,如图4所示。节点信息包括节点的三维坐标;巷道信息包括连接类型、高度、底宽和井筒半径等信息。巷道生成模块用来生成模型的X文件,巷道模型以X格式文件存储。视频教学模块作用是简单介绍本系统的使用方法。帮助模块可以协助解决系统在使用过程中出现的问题。本系统具备扩展性,当巷道节点发生变化时,模型可随时调整。图3为巷道三维自动建模系统界面图。

3 系统关键技术

3.1 巷道模型生成

巷道断面是巷道自动建模过程中的重要参数,主要有拱形、矩形、梯形、斜梯形等形态。本系统设有形态选择菜单,可以根据实际巷道形状选择相应的断面类型。现在以最常见的拱形断面来说明巷道模型产生过程。

图5是初始拱形断面在Direct3D坐标系中的位置,Direct3D中的坐标系是左手坐标系。在此断面上设置12个点,并给出这12个点的初始信息,包括点的三维坐标、倾角α等。点的个数可以调整,点数越多图形渲染、显示速度就会变慢;个数太少,图形逼真度就会降低。

利用D3DX扩展函数库d3dx9.lib提供的D3DXMatrixRotationY,D3DXMatrixScaling , D3DXMatrixTranslation等函数,旋转、缩放、平移断面初始信息,得到所需断面信息,编程实现断面点信息的连接,产生点X文件,即可完成巷道的自动生成。

3.2 点X文件

点X文件即后缀名为.X格式的文件,主要是用来存储网格数据的。它通常存储了三维模型的顶点坐标、颜色、法向量、纹理坐标以及动画帧等信息。本系统生成的巷道模型就是以点X文件存储的。利用传统的三维建模工具(如3ds Max或Maya)制作的三维模型通常比较复杂,即多边形数量很多,而多边形数量越多,图形渲染速度越慢,所以在自动建模时,在不明显影响视觉效果的前提下,尽量减少多边形的数量。使用点X文件可以根据模型调整多边形的数量,提高图形渲染速度[3]。

3.3 数据库

数据库是计算机应用系统中的一种专门管理数据资源的系统[4]。数据库系统不从具体的应用程序出发,而是立足于数据本身的管理,它将所有数据保存在数据库中,进行科学的组织,并借助于数据库管理系统,以它为中介,与各种应用程序或应用系统接口,使之能方便地使用数据库中的数据。数据库系统能解决数据通用性差,不便于移植,浪费存储空间、更新不便等问题。本系统加入了数据库模块,主要负责管理两种类型的数据:巷道节点信息和巷道连接关系信息。当巷道的结构发生改变时,相应的数据变化也可以在数据库中体现出来。

4 系统应用实例

煤矿开采对象为类型众多、形态各异、条件多变且采前未能完全确知的天然资源,且井下巷道纵横交错、错综复杂,工作地点及资源条件不断变化[5]。通过煤矿巷道三维自动建模系统生成巷道模型,可以立体、直观、准确地表现并反映井下巷道及其空间关系, 对于指导现场生产和培训矿工安全生产有着积极意义。图6为采用本系统生成的巷道模型实例图。该模型选择了常见的拱形断面,使用了八个节点,包含了竖井筒,直巷道,三叉巷道等类型。图7为根据山东一矿井生成的巷道整体模型图。

5 结束语

煤矿巷道三维自动建模系统主要用于地下巷道三维模型的建立以及显示,旨在通过简单的原始数据以及属性描述,建立起符合真实感的巷道模型,把二维的地下巷道数据转化为空间三维模型,给人以直观的视觉效果。巷道模型对于矿区工人和技术人员进行岗前教育培训、迅速熟悉矿区结构具有重要作用,同时也为实现虚拟矿山的漫游奠定了基础。

参考文献:

[1] 赵建忠,段康廉.三维建模在虚拟矿山系统中的应用[J].矿业研究与开发,2005,2(1):56-57.

[2] 李自力.虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术[J].中国图象图形学报,2001,6(1).96-100.

[3] 王德才,杨关胜,孙玉萍.精通DirectX 3D图形与动画程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[4] 顾兵.SQL SERVER 2000 网络数据库技术与应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[5] 汪云甲,伏永明.矿井巷道三维自动建模方法研究[J].武汉大学学报,2006,31(12):1097-1100.