作者：管恩吉 郭忠林 吴世剑
【关键词】虚拟现实技术 矿山软件 虚拟矿山
【摘 要】随着虚拟现实技术的不断发展，将其应用于矿山建 设逐渐成为矿山研究热点之一 。应用虚拟 现实技术可以生成三维的 “虚拟矿山”，直观地显示矿山的地质情况和巷道分布情况，可向设计者、审查者、公众展示…个三维的、动态的矿山。虚拟现实技术在矿山设计、技术改造及生产中具有重要作用。
0 引 言
随着虚拟现实技术 (VR——Virtual Reality) 的不断发展。将其应用于矿山建设逐渐成为矿山研究热点之一。近年来，虚拟现实技术作为信息科学的新兴学科 出现 ，并 以其特 有的优 势被迅 速运用于各行各业 。
传统的矿井规划与设计用二维图形表达三维的地质情况和井筒巷道的空间分布很不直观，只有经验丰富的人员才能完成 ，而且需要花费一定的时间和精力构想矿产资源赋存情况和地质构造的空间分布 ；设计的井筒和巷道也是用二维图形表示 ，给施工人员带来很大困难，严重制约了设计的效率和合理性。应用虚拟现实技术可以生成三维的 “虚拟矿山”。直观地显示矿井地质和巷道分布情况，便于相关人员进行交互式的观察 、分析和设计 。本文论述虚拟现实技术中的视景建模技术及其实现方法，对矿井规划的可视化设计具有重要意义。
1 虚拟现实技术及软件简介
虚拟现实技术可利用计算机产生一个以自然的视、听、触等功能感受的三维环境，人们可以方便地对生成的 “虚拟世 界”进行交 互式 的观察、分析、操作和控制。它以仿真方式给用户创造了一个实时反映实体变化与相互作用的界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境 中的作用与 变化 ，它具有多媒体信息的感知性、沉浸性 、交互性和 自主性等特点。利用虚拟现实技术创建出逼真的矿山工程环境对优化系统设计具有重要的实用价值 。
为了给用户创建一个能使其感到身临其境和沉浸其中的环境，必要的条件就是根据需要能在虚拟现实系统 中逼真地显示出客观世界 中的一切对象：不仅要求所显示的对象模型在外形上与真实对象酷似，而且 要求在形态 、光照 、质感等方面十分逼真。
目前，相关软件发展迅速、种类较多，其中常用的软件有 MultiGen Greator、Vega、OpenGI 以及我国图灵公司的 VRMAP、适普公司的 IMAGIS等。
1．1 模型构建软件
MultiGen Creator 是美国 MultiGen Paradigm公司开发 的三维建模软件，广泛用于视景仿真、虚拟城市、模拟设计 、交互式游戏等。它在满足实时性的前提下可生成逼真的场景，可进行多边形建模、矢量建模 和地形 生成 。它的层 次细节、多边形筛选 、逻辑筛选 、绘图优先级、自由度设置等高级功能使得其数据格式 OpenFlight在实时三维领域成为流行的图像生成格式。该软件可接受 DXF、DEM和其它矢量格式的数据与AutoCAD和 GIS软件结合方便。
1．2 支持视景生成的语言——OpenGL
应该使用已有的商品化或标准化的图形库和程序设计语言来设计与实现虚拟环境，其中 OpenGI(服务器)及其支持 系统就是这样一种可选用的图形生成环境。OpenGI 可按 函数库的形式被 C语言调用，也可以被窗 口系统直接调用。OpenGI 是使用专用图形处理软件接 口，该接口目前由几百个过程函数组成，用以支持用户对高质量三维对象的图形和图像进行操作。
()penGI 指令的模型是客户／服务器模式，即一个程序 (客户 )提 供指 令，该 指令 由 OpenGI 解释并处理，它直接执行 3D及 2D图型 的基本操作。这些操作包 括转换矩阵、光照模 型和光线跟踪、反混 淆方法 、z～Buf以及像 素更新 操作 等。OpenGI 也支持双缓冲技术 ，该技术提供了生成动画效果图形所需要的机制 ，使所生成的图形能够像电影一样平滑运动。
1．3 视景漫游软件
Vega是 MultiGen--Paradigm 公 司开发的应用于实时视景 、声音仿真和虚拟现实等领域的高性能软件环境和开发平台，由 Lynx图形化用户接 口和Vega库组成。利用 Vega库函数可在 Lynx中建立漫游所需要 的场景 、窗 口、通道 、运动和碰撞方式，可以定义对象的初始化参数并建立对象之间的相 互联 系 。
2 地质构造情况的模拟
对于矿 山技术人员来说地质构造情 况非常重要 ，如果对煤层 、岩层 、含水层 、流沙层以及断层和褶曲等情况的推断有偏差 ，或图形表现不直观易懂 ，则在建井或生产过程中就可能发生塌方、突水等事故 ，造成人员伤亡和经济损失。应用虚拟现实软件可以根据地质体的三维分布 ，使矿井的规划设计更加直观方便。
综合国内外现状，三维地质体的绘制有块段 、表面、实体和断面建模法等。
MultiGen Creator中需要 的 曲面 数 据 是ded或 。dem 格式 ，使用 GIS软件 Arolnfo、用插值方 法 生 成 不 规 则 三 角 网 (TIN)，然 后 转 成USGS DEM 格式 ，将其导 入 Creator就 可 以生成煤层曲面。然后，通过光照、着色 、纹理、渲染等处理三维地质体更加逼真。
3 地形地貌及地物 的模拟
地形地貌和地物的建立需要相应 的三维数据 。如果有研究区域的纸质地形图，可以用扫描数字化的方法得到平面数据，按照图上的标注得到高程数据；如果已有该区域的电子地图，则可直接使用或通过数据格式转换得到需要的数据；如果没有上述数据源，则需要由野外测量获得。
地形生成与地质曲面生成过程类似，先用ArcInfo将地形 图上 的等高线 和高程 点进行 数字化，把图上标注的高程值输入到属性表中，生成不规则三角网 (TIN)，然后转成 USGS DEM 格式将其导入 Creator生成三维地形 。
对于建筑物、道路 、围墙 、河流 、湖泊等的建立，先用 Auto—CAD进行数字化，得到其平面位置。将得到的 *．def文件导入 Creator，并与地形匹配。如果建筑物 比较规则 ，则直接将其底面按照高度拉伸为立体 ，如果建筑物造型比较复杂，则需要分成规则的几部分进行构建。
4 矿山井下巷道建模
目前 ，矿山信息主要是通过 CAD格式 的双线采掘工程平面图来表达 。首先根据采掘工程平面图上的高程信息，利用 CAD中的三维多线段重新描绘巷道 ，同时将高程信息赋予每个节点 ，实现巷道的单线显示 ，井筒和巷道设计要布置合理 ，尽量避免穿过断层 、褶曲、含水层等不良地质构造，尽量减少矿井建设和生产地面的影响。
使用 MultiGen Creator进行 设计 ，用 圆柱体表示井简 ，用半圆型截 面的柱体表示岩巷 ，然后进行模拟生产 ，以发现生产中可能遇到的问题，对设计方案进行比较和选择。设计方案完成后可模拟不同设备、不同开采方式的生产系统进行生产，从而达到优化矿井设计和生产系统的目的。综合考虑地质和技术条件 、经济、环境等各种 因素，选择合理的方案。
5 虚拟巷道系统的建立
虚拟巷道系统是对矿井真实巷道多分辨率的三维虚拟表示，建立的主要任务之一是实现基于web环境下的可交互的 、真实巷道 的三维可视化表达 ，用户可以从各个角度对巷道虚拟环境进行任意的浏览和观察 ，并可通过网络进行各种交互。
5．1 矿井巷道的建模
矿井 中各种实体大多是三维实体，其表面为不规则 曲面 ，且 内部矿体品位分布不均匀 。对于矿体的外形 ，可用一个不规则的封闭曲面来确定 。为确定矿体的范围，要经地表勘查 、地下勘探及推估等手段来完成。在浏览器上发布三维实体模型，可通过将现有的三维矿体模型中存储的信息按照一定的规范转换为系统可接受的格式得到。要在MuhiGen Creator中构建三维矿井巷道模型，首先应进行简单的坐标转换，这是因为 MuhiGenCreator中采用的坐标系和地学中实际采用的坐标系的含义有所不同。MultiGen Creator中采用的坐标系为符合右手规则的空间坐标系，是以MuhiGen Creator浏览器中用户区的中 作为其坐标系的圆心，基底坐标 为 XOZ面，y表示高 程。其坐标长度以米为单位，标准角度以弧度为单位。因此，为使它与人们通常采用的地学坐标系保持一致，应将原来矿井 三维实体 的 (，Y，：)坐标转换为 MuhiGen Creator坐标系中的 (，Y，Z)。转换后的三维实体坐标应满足虚拟场景中所采用的局部坐标系显示的需要。由于矿井实体坐标的数值一般相当大，而实际显示坐标值的前几位高位数据对图形形状不产生任何影响，因此可将地理坐标数据各分量 同时做一预选 。
5．2 虚拟巷道场 景的绘 制
对于规则格网构成的矿山地表模型及矿井实体的顶底板数字表面模型，可用 ElevationGrid节 点构建。该节点能很容易有效地设计创建一个位于局部坐标系 X()Z平面上高低起伏的地域造型。该造型用高度值组成的标量阵列描述，阵列指定了表面每个格网点上的高度 。和 z方向的栅格点数量可 以分 别 用 xDimension 和 zDimension 域 建 立。xSpacing和 zSpacing域值指定 了栅格行和列之间的空间。Height域的值指定了每一个栅格点的海拔高度，基底上的每一个栅格点都与 height矩阵中的一个海拔值 相对应；colorPerVertex域指定为TRUE或 FAI SE，表示 color域 中指定 的颜 色是用到 ElevationGrid节点的每个顶点上 (TRUE)，还是应用到每个四边形上 (FAI SE)；此外，通过建立 solid域值，所有的海拔栅格都可以当作实体。
对于由不同的三角面构成的复杂地表模型，则需要用 MUI TIGEN CREATO 提供的万能几何节 点IndexedFaceSet来创建，它有coord与 coordlndex两个域 ，与 IndexedFaceSet节点 中的两个域类似，前者提供了一个节点，列出了构造面几种所有面的坐标 。Coordlndex域的值提供 了一张描述一张或多张面周界的列表。其中每一个值都是整型索引，并且每个索引都指定了在 coord域内的坐标列表中的一个坐标。在实际的创建过程中，要求建立三角网的各个三角面按照法线方向向外的法则 。
6 结语
应用虚拟现实技术，生成一个逼真的矿山虚拟环境 (Virtual Environment)。这样在矿 山设计或研究阶段 ，科研人员可以置身于矿山虚拟环境下直观审视矿山，按照设计给定的工艺方法和参数 ，选择设备及确定生产模式。从基建到闭坑的全过程实时监控 ，发现问题进行实时修正。设计结束后，设计单位、矿山企业可向审查者 、公众展示一个三维和动态的矿山。总之，虚拟现实技术在矿山设计、技术改造 、生产中可广泛应用 。
参考文献：
[1] 古德生．金属矿山深部开采中的科学问题 [A]．香山科学会议第 175次学术讨论会 [c]．北京 ：2001．
[2] 乔林，费广正等．OpenGI 程序设计 [M]．北京：科学出版社，2002：130～134．
[3] 齐安文等．三维地学模拟述评及其矿山应用关键问题．《中国矿业》．2001(5)：10．
[4张瑞新 、任延祥．虚拟现实技 术及采矿工程中的应用．《中国矿业大学学报》，1998 (3)：27
[5]李青等．虚拟现实技术及矿井工业广场的可控可视化研究．《计算机仿真》，1 998(2)：19．
期刊库（http://www.zgqkk.com），是一个专门从事期刊推广、投稿辅导的网站。
本站提供如何投稿辅导，寻求投稿辅导合作，快速投稿辅导，投稿辅导格式指导等解决方案：省级投稿辅导/国家级投稿辅导/核心期刊投稿辅导//职称投稿辅导。
【免责声明】本文仅代表作者本人观点，与投稿辅导_期刊发表_中国期刊库专业期刊网站无关。投稿辅导_期刊发表_中国期刊库专业期刊网站站对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考，并请自行承担全部责任。
646779424(普刊)
913775405(普刊)
867306987(核心)
271374912(核心)
