煤矿巷道三维自动建模系统的设计

ｌＳＳＮ　１Ｏ０９一ａ０４４　Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｄｕｆ＠ＣＣＣＣ．ｎｅｔ．ｃａ　ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术　Ｖｏ１．６，Ｎｏ．１９，Ｊｕｌｙ　２０１０，ＰＰ．５３００－５３０１　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅＬｃｎ　Ｔｅｌ：＋８６—５５１－５６９０９６３　５６９（）９６４　煤矿巷道三维自动建模系统的设计　－ｔ￣：Ａ．陆翔，马进　（山东科技大学泰安校区，山东泰安２７１０１９）　摘要：基于虚拟现实的方法和技术，开发出了煤矿巷道三雏自动建模系统。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（２０１Ｏ）１９—５３００—０２　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　３Ｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ　Ｌａｎｅｗａｙ　ＭＡＯ　Ｗｅｎ　Ｊｉｅ，ＬＵ　Ｘｉａｎｇ，ＭＡ　Ｊｉｎ　（Ｔａｉ　ａｌｌ　Ａｒｅａ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＴ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉ　ａｎ　２７１０１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ出ｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ．ｔｈｅ　３Ｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｈｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｌａｎｅｗａｙ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｋ　ｐｒｏｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ．．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ａｌｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｙｔ；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［Ｉ１。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建模方法选择圆　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Ｅｌ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、Ｄｉｒｅｅｔ３Ｄ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。　２Ｉ３系统构成　本系统由数据导人模块，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。　收稿日期：２０１０－０４－１０　基金项目：本课题属于山东科技大学科学研究“春蕾计划”项目　作者简介：毛文杰（ａ９８１－），男，山东潍坊人，山东科技大学机电工程系助教，硕士研究生，主要从事电子信息，电气自动化方面研究。　５３００　人工■■厦识崩技术　本栏目责任编辑：唐一东　第６卷第１９期（２０１０年７月）　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术　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ｉ维坐标；巷道信息包括连接类型、高　度、底宽和井简半径等信息。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　图１系统工作流程框图　图２系统结构组成框图　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　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ｄ３ｄｘ９．１ｉｂ提供的Ｄ３ＤＸＭａｔｒｉｘＲｏｔａｔｉｏｎＹ，Ｄ３ＤＸＭａｔｒｉｘＳ—　ｃａｌｉｎｇ，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　图３巷道三维自动建模系统界面图　矗曩露　嘲—■■—麟黼黼鞯孽　舞‰ｌ簪燕孳｝　：　姥黼　、　■一｜－　ｒ～一一　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　图４数据导　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｝３１　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［４１。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【＋Ｊ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。　图５拱形巷道断面　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。【孳＿　Ｉ７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。　图６巷道模型实例　参考文献：　［１】赵建忠，段康廉．ｊ维建模在虚拟矿山系统中的应用ｆＪ１．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ｆＪ］．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ｊ维自动建模方法研究【ＪＪ．武汉大学学报，２００６，３１（１２）：１０９７—　１　１００　图７矿井巷道整体模型　本栏目责任编辑：唐东　人工智奠及识别技术＊ｔ　５３０１