作者：管恩吉 郭忠林 吴世剑
论文 关键词：虚拟现实技术 矿山软件 虚拟矿山
论文摘要：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。
论文 关键词：虚拟现实技术 矿山软件 虚拟矿山
论文摘要：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。
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