作者：管恩吉 郭忠林 吳世劍
論文 關鍵詞：虛擬現實技術 礦山軟體 虛擬礦山
論文摘要：隨著虛擬現實技術的不斷 發展 ，將其應用於礦山建 設逐漸成為礦山研究熱點之一 。應用虛擬 現實技術可以生成三維的 「虛擬礦山」，直觀地顯示礦山的地質情況和巷道分布情況，可向設計者、審查者、公眾展示…個三維的、動態的礦山。虛擬現實技術在礦山設計、技術改造及生產中具有重要作用。
0 引 言
隨著虛擬現實技術 (VR——Virtual Reality) 的不斷發展。將其應用於礦山建設逐漸成為礦山研究熱點之一。近年來，虛擬現實技術作為信息 科學 的新興學科 出現 ，並 以其特 有的優 勢被迅 速運用於各行各業 。
傳統的礦井規劃與設計用二維圖形表達三維的地質情況和井筒巷道的空間分布很不直觀，只有經驗豐富的人員才能完成 ，而且需要花費一定的時間和精力構想礦產資源賦存情況和地質構造的空間分布 ；設計的井筒和巷道也是用二維圖形表示 ，給施工人員帶來很大困難，嚴重製約了設計的效率和合理性。應用虛擬現實技術可以生成三維的 「虛擬礦山」。直觀地顯示礦井地質和巷道分布情況，便於相關人員進行交互式的觀察 、分析和設計 。本文論述虛擬現實技術中的視景建模技術及其實現方法，對礦井規劃的可視化設計具有重要意義。
1 虛擬現實技術及軟體簡介
虛擬現實技術可利用 計算 機產生一個以 自然 的視、聽、觸等功能感受的三維環境，人們可以方便地對生成的 「虛擬世 界」進行交 互式 的觀察、分析、操作和控制。它以仿真方式給用戶創造了一個實時反映實體變化與相互作用的介面，使用戶可直接參與並探索仿真對象在所處環境 中的作用與 變化 ，它具有多媒體信息的感知性、沉浸性 、交互性和 自主性等特點。利用虛擬現實技術創建出逼真的礦山工程環境對優化系統設計具有重要的實用價值 。
為了給用戶創建一個能使其感到身臨其境和沉浸其中的環境，必要的條件就是根據需要能在虛擬現實系統 中逼真地顯示出客觀世界 中的一切對象：不僅要求所顯示的對象模型在外形上與真實對象酷似，而且 要求在形態 、光照 、質感等方面十分逼真。
目前，相關軟體發展迅速、種類較多，其中常用的軟體有 MultiGen Greator、Vega、OpenGI 以及我國圖靈公司的 VRMAP、適普公司的 IMAGIS等。
1．1 模型構建軟體
MultiGen Creator 是美國 MultiGen Paradigm公司開發 的三維建模軟體，廣泛用於視景仿真、虛擬城市、模擬設計 、交互式遊戲等。它在滿足實時性的前提下可生成逼真的場景，可進行多邊形建模、矢量建模 和地形 生成 。它的層 次細節、多邊形篩選 、邏輯篩選 、繪圖優先級、自由度設置等高級功能使得其數據格式 OpenFlight在實時三維領域成為流行的圖像生成格式。該軟體可接受 DXF、DEM和其它矢量格式的數據與AutoCAD和 GIS軟體結合方便。
1．2 支持視景生成的語言——OpenGL
應該使用已有的商品化或標準化的圖形庫和程序設計語言來設計與實現虛擬環境，其中 OpenGI(伺服器)及其支持 系統就是這樣一種可選用的圖形生成環境。OpenGI 可按 函數庫的形式被 C語言調用，也可以被窗 口系統直接調用。OpenGI 是使用專用圖形處理軟體接 口，該接口目前由幾百個過程函數組成，用以支持用戶對高質量三維對象的圖形和圖像進行操作。
()penGI 指令的模型是客戶／伺服器模式，即一個程序 (客戶 )提 供指 令，該 指令 由 OpenGI 解釋並處理，它直接執行 3D及 2D圖型 的基本操作。這些操作包 括轉換矩陣、光照模 型和光線跟蹤、反混 淆方法 、z～Buf以及像 素更新 操作 等。OpenGI 也支持雙緩衝技術 ，該技術提供了生成動畫效果圖形所需要的機制 ，使所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運動。
1．3 視景漫遊軟體
Vega是 MultiGen--Paradigm 公 司開發的應用於實時視景 、聲音仿真和虛擬現實等領域的高性能軟體環境和開發平台，由 Lynx圖形化用戶接 口和Vega庫組成。利用 Vega庫函數可在 Lynx中建立漫遊所需要 的場景 、窗 口、通道 、運動和碰撞方式，可以定義對象的初始化參數並建立對象之間的相 互聯 系 。
2 地質構造情況的模擬
對於礦 山技術人員來說地質構造情 況非常重要 ，如果對煤層 、岩層 、含水層 、流沙層以及斷層和褶曲等情況的推斷有偏差 ，或圖形表現不直觀易懂 ，則在建井或生產過程中就可能發生塌方、突水等事故 ，造成人員傷亡和 經濟 損失。應用虛擬現實軟體可以根據地質體的三維分布 ，使礦井的規劃設計更加直觀方便。
綜合國內外現狀，三維地質體的繪製有塊段 、表面、實體和斷面建模法等。
MultiGen Creator中需要 的 曲面 數 據 是ded或 。dem 格式 ，使用 GIS軟體 Arolnfo、用插值方 法 生 成 不 規 則 三 角 網 (TIN)，然 後 轉 成USGS DEM 格式 ，將其導 入 Creator就 可 以生成煤層曲面。然後，通過光照、著色 、紋理、渲染等處理三維地質體更加逼真。
3 地形地貌及地物 的模擬
地形地貌和地物的建立需要相應 的三維數據 。如果有研究區域的紙質地形圖，可以用掃描數字化的方法得到平面數據，按照圖上的標註得到高程數據；如果已有該區域的 電子 地圖，則可直接使用或通過數據格式轉換得到需要的數據；如果沒有上述數據源，則需要由野外測量獲得。
地形生成與地質曲面生成過程類似，先用ArcInfo將地形 圖上 的等高線 和高程 點進行 數字化，把圖上標註的高程值輸入到屬性表中，生成不規則三角網 (TIN)，然後轉成 USGS DEM 格式將其導入 Creator生成三維地形 。
對於建築物、道路 、圍牆 、河流 、湖泊等的建立，先用 Auto—CAD進行數字化，得到其平面位置。將得到的 *．def文件導入 Creator，並與地形匹配。如果建築物 比較規則 ，則直接將其底面按照高度拉伸為立體 ，如果建築物造型比較複雜，則需要分成規則的幾部分進行構建。
4 礦山井下巷道建模
目前 ，礦山信息主要是通過 CAD格式 的雙線採掘工程平面圖來表達 。首先根據採掘工程平面圖上的高程信息，利用 CAD中的三維多線段重新描繪巷道 ，同時將高程信息賦予每個節點 ，實現巷道的單線顯示 ，井筒和巷道設計要布置合理 ，儘量避免穿過斷層 、褶曲、含水層等不良地質構造，儘量減少礦井建設和生產地面的影響。
論文 關鍵詞：虛擬現實技術 礦山軟體 虛擬礦山
論文摘要：隨著虛擬現實技術的不斷 發展 ，將其應用於礦山建 設逐漸成為礦山研究熱點之一 。應用虛擬 現實技術可以生成三維的 「虛擬礦山」，直觀地顯示礦山的地質情況和巷道分布情況，可向設計者、審查者、公眾展示…個三維的、動態的礦山。虛擬現實技術在礦山設計、技術改造及生產中具有重要作用。
0 引 言
隨著虛擬現實技術 (VR——Virtual Reality) 的不斷發展。將其應用於礦山建設逐漸成為礦山研究熱點之一。近年來，虛擬現實技術作為信息 科學 的新興學科 出現 ，並 以其特 有的優 勢被迅 速運用於各行各業 。
傳統的礦井規劃與設計用二維圖形表達三維的地質情況和井筒巷道的空間分布很不直觀，只有經驗豐富的人員才能完成 ，而且需要花費一定的時間和精力構想礦產資源賦存情況和地質構造的空間分布 ；設計的井筒和巷道也是用二維圖形表示 ，給施工人員帶來很大困難，嚴重製約了設計的效率和合理性。應用虛擬現實技術可以生成三維的 「虛擬礦山」。直觀地顯示礦井地質和巷道分布情況，便於相關人員進行交互式的觀察 、分析和設計 。本文論述虛擬現實技術中的視景建模技術及其實現方法，對礦井規劃的可視化設計具有重要意義。
1 虛擬現實技術及軟體簡介
虛擬現實技術可利用 計算 機產生一個以 自然 的視、聽、觸等功能感受的三維環境，人們可以方便地對生成的 「虛擬世 界」進行交 互式 的觀察、分析、操作和控制。它以仿真方式給用戶創造了一個實時反映實體變化與相互作用的介面，使用戶可直接參與並探索仿真對象在所處環境 中的作用與 變化 ，它具有多媒體信息的感知性、沉浸性 、交互性和 自主性等特點。利用虛擬現實技術創建出逼真的礦山工程環境對優化系統設計具有重要的實用價值 。
為了給用戶創建一個能使其感到身臨其境和沉浸其中的環境，必要的條件就是根據需要能在虛擬現實系統 中逼真地顯示出客觀世界 中的一切對象：不僅要求所顯示的對象模型在外形上與真實對象酷似，而且 要求在形態 、光照 、質感等方面十分逼真。
目前，相關軟體發展迅速、種類較多，其中常用的軟體有 MultiGen Greator、Vega、OpenGI 以及我國圖靈公司的 VRMAP、適普公司的 IMAGIS等。
1．1 模型構建軟體
MultiGen Creator 是美國 MultiGen Paradigm公司開發 的三維建模軟體，廣泛用於視景仿真、虛擬城市、模擬設計 、交互式遊戲等。它在滿足實時性的前提下可生成逼真的場景，可進行多邊形建模、矢量建模 和地形 生成 。它的層 次細節、多邊形篩選 、邏輯篩選 、繪圖優先級、自由度設置等高級功能使得其數據格式 OpenFlight在實時三維領域成為流行的圖像生成格式。該軟體可接受 DXF、DEM和其它矢量格式的數據與AutoCAD和 GIS軟體結合方便。
1．2 支持視景生成的語言——OpenGL
應該使用已有的商品化或標準化的圖形庫和程序設計語言來設計與實現虛擬環境，其中 OpenGI(伺服器)及其支持 系統就是這樣一種可選用的圖形生成環境。OpenGI 可按 函數庫的形式被 C語言調用，也可以被窗 口系統直接調用。OpenGI 是使用專用圖形處理軟體接 口，該接口目前由幾百個過程函數組成，用以支持用戶對高質量三維對象的圖形和圖像進行操作。
()penGI 指令的模型是客戶／伺服器模式，即一個程序 (客戶 )提 供指 令，該 指令 由 OpenGI 解釋並處理，它直接執行 3D及 2D圖型 的基本操作。這些操作包 括轉換矩陣、光照模 型和光線跟蹤、反混 淆方法 、z～Buf以及像 素更新 操作 等。OpenGI 也支持雙緩衝技術 ，該技術提供了生成動畫效果圖形所需要的機制 ，使所生成的圖形能夠像電影一樣平滑運動。
1．3 視景漫遊軟體
Vega是 MultiGen--Paradigm 公 司開發的應用於實時視景 、聲音仿真和虛擬現實等領域的高性能軟體環境和開發平台，由 Lynx圖形化用戶接 口和Vega庫組成。利用 Vega庫函數可在 Lynx中建立漫遊所需要 的場景 、窗 口、通道 、運動和碰撞方式，可以定義對象的初始化參數並建立對象之間的相 互聯 系 。
2 地質構造情況的模擬
對於礦 山技術人員來說地質構造情 況非常重要 ，如果對煤層 、岩層 、含水層 、流沙層以及斷層和褶曲等情況的推斷有偏差 ，或圖形表現不直觀易懂 ，則在建井或生產過程中就可能發生塌方、突水等事故 ，造成人員傷亡和 經濟 損失。應用虛擬現實軟體可以根據地質體的三維分布 ，使礦井的規劃設計更加直觀方便。
綜合國內外現狀，三維地質體的繪製有塊段 、表面、實體和斷面建模法等。
MultiGen Creator中需要 的 曲面 數 據 是ded或 。dem 格式 ，使用 GIS軟體 Arolnfo、用插值方 法 生 成 不 規 則 三 角 網 (TIN)，然 後 轉 成USGS DEM 格式 ，將其導 入 Creator就 可 以生成煤層曲面。然後，通過光照、著色 、紋理、渲染等處理三維地質體更加逼真。
3 地形地貌及地物 的模擬
地形地貌和地物的建立需要相應 的三維數據 。如果有研究區域的紙質地形圖，可以用掃描數字化的方法得到平面數據，按照圖上的標註得到高程數據；如果已有該區域的 電子 地圖，則可直接使用或通過數據格式轉換得到需要的數據；如果沒有上述數據源，則需要由野外測量獲得。
地形生成與地質曲面生成過程類似，先用ArcInfo將地形 圖上 的等高線 和高程 點進行 數字化，把圖上標註的高程值輸入到屬性表中，生成不規則三角網 (TIN)，然後轉成 USGS DEM 格式將其導入 Creator生成三維地形 。
對於建築物、道路 、圍牆 、河流 、湖泊等的建立，先用 Auto—CAD進行數字化，得到其平面位置。將得到的 *．def文件導入 Creator，並與地形匹配。如果建築物 比較規則 ，則直接將其底面按照高度拉伸為立體 ，如果建築物造型比較複雜，則需要分成規則的幾部分進行構建。
4 礦山井下巷道建模
目前 ，礦山信息主要是通過 CAD格式 的雙線採掘工程平面圖來表達 。首先根據採掘工程平面圖上的高程信息，利用 CAD中的三維多線段重新描繪巷道 ，同時將高程信息賦予每個節點 ，實現巷道的單線顯示 ，井筒和巷道設計要布置合理 ，儘量避免穿過斷層 、褶曲、含水層等不良地質構造，儘量減少礦井建設和生產地面的影響。
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