矿井巷道可视化研究范文

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《金属矿山杂志》2014年第七期

1交叉巷道的实现

对于有岔口的巷道，最好的方法可以采用布尔运算将其融合。实体间的交、差、并等操作称为体布尔算法(BooleanOperation)，它是实体造型系统中带有侵入、交错关系的实体最基本的操作之一，也是各种空间分析的基础［6］。布尔算法基本都是以正则集合理论为基础，同时结合求交计算来实现。使用布尔运算对巷道进行无缝拼接其实就是对巷道所有的已剖分好的三角面片进行求交运算，这样就可以将巷道实体间的布尔运算转换为三角面片之间的布尔运算，因此，巷道实体间的布尔运算实际上就可以看作是巷道表面三角形间的布尔运算［7］。在布尔算法运算过程中，将一些“无用”的三角形剔除，另外将那些会产生交线的点要加入到新的体中，从而完成对曲面的重构。但此方法实现起来比较复杂，所以本研究中仍然采用贝塞尔插值来实现交叉巷道的三维建模。对于2条相交巷道，若在骨架图上直接加载巷道段，则平面的效果图如图4所示。由图4可以看出，虚线为巷道中心线，加载巷段后可以看到2条巷道段有相交重叠的部分，并且直接加载的巷道有棱棱角角，不是太逼真，针对此种情况，首先应该求出巷道相交段的交线，裁减掉相交部分，然后离散交线上面的点并采用贝赛尔曲面生成圆滑曲面。算法实现步骤如下:①基于中心线加载直巷道段，经过两次矩阵乘法将两段巷道放在同一个坐标系下;②根据相应的方程计算求出巷道的交线;③将相交巷道沿交线断开，根据交线上的点使用Bezier曲面将对应部分连接，最终形成圆滑的巷道段。

2实现流程

本次仿真实验是在郑州大学的虚拟现实与地理信息系统实验室的PC机上开发实现的，实验的硬件平台为Intel(R)3.00GHz，显卡信息为GeForce6600GT，内存大小为1.49GB。软件使用的是面向对象开发工具VisualC++6.0，在WindowsXP操作系统环境下，使用OpenGL图形库，屏幕的分辨率是1280×1024像素。实现流程如图5所示。

2.1加载巷道段将巷道分成3个部分来模拟:直巷道、弯曲巷道、交叉巷道。(1)直巷道。对直巷道来说，其实最基本的就是巷道剖面的模拟，前面根据选用特征点的方法来生成巷道剖面，这里就不再赘述。下面就给出实现巷道剖面拱顶的主要实现代码，对于拱顶，采取的就是细分法，实现时其实就是一个循环。实验的线框效果图如图6所示。(2)弯曲巷道。对弯曲巷道来说，前面也已经说过，实现采用贝塞尔曲线插值的算法来实现，在用程序实现时，需要使用求值器。OpenGL中提供了一维求值器和二维求值器，但由于两者很相似，而一维求值器更易于描述，所以在本次研究中使用一维求值器。贝赛尔曲线是单向量的向量值函数。(3)交叉巷道。交叉巷道采取的方法前面已经详细的描述，这里就不再赘述，实验的效果图，分别是使用Bezier曲线完成的y形岔口和普通岔口，效果如图8所示。使用Bezier曲面完成的交叉巷道拼接的效果图如图9所示。(4)变径处理。剖面大小不同的巷道也是将对应特征点连接起来形成巷道段，对于形状不同的则使用最小对角线进行判断后再将相应的特征点相连，如图10所示。

2.2贴图处理纹理贴图允许将一幅格式为BMP的图像映射到一个不规则多边形的表面，并把整个三维图形画成单个多边形。纹理贴图能保证当这个多边形进行变化或者渲染时，映射到多边形表面的图像也能够表现出正确的行为［5］。纹理贴图的用处很广，可以模拟植被，也可以用做墙纸，利用纹理使多边形看上去像是自然界的物质，如大理石、木材等。纹理贴图时还有一个问题要注意。在纹理生成时，经常使用的点取样方法会导致图形的严重走样。走样的问题是不可避免的，但可以采用一定的措施是问题减小到不明显。目前减轻走样的方法有两种，一种是在适当加密取样之后再进行纹理滤波，另一种是先对纹理进行低通滤波后再采样。部分巷道纹理贴图后的效果如图11所示。

3实验结果

实现巷道模拟后，为了使仿真效果更逼真，又对实现结果添加了光照和材质，尤其是材质方面，使用不同的贴图可以实现不同类型的巷道，但在纹理贴图中，会出现图像走样现象，就是图像会显示为锯齿状或台阶状。在OpenGL中采取提高分辨率的方法来实现反走样，并在实现过程中采取连续对单一面片贴纹理的办法实现巷道的逼真模拟。除了模拟巷道外，还添加了交互功能，用户可以使用鼠标来平移巷道，还可以对想观察的巷道放大缩小。本研究项目主要实现了巷道三维模型的仿真，图12是整体巷道的部分效果图。

4结语

(1)本研究的创新点在于对巷道的数据处理采取了直接读取DXF文件的方法，然后提出了分段模拟的思想，然后逐个加载，就像接水管一样，更方便逼真的完成了巷道的三维模拟。在对交叉巷道模拟的时候，采用了对巷道段求交线的方法，最后基于交线使用Bezier曲面完成拼接。(2)本研究实现了一个巷道三维建模系统，并解决了其中的关键技术，即弯曲巷道和交叉巷道的圆拼接，对于用户来说基于一张CAD图纸就可以仿真出想要得到的结果，为用户了解巷道提供了很大的便利。(3)实现矿山三维巷道模型的动态模拟，可以使开采和设计人员有一种身临其境的感觉，使他们对巷道有一个全面的认识，可以在采矿生产中确保巷道掘进的合理性以及安全性。因此建立三维巷道模拟系统，使地下巷道数字化，通过展示矿区的整个地下巷道的三维模型，可以直观的反映地下巷道的变化，并能够显示与地表或者矿体的位置关系，可以大大提高开采工作的安全性，以及提高开采工作的效率，并且对巷道的优化设计也有指导意义。

作者：张思卿周天宏谭同德于慧影单位：郑州科技学院信息工程学院武汉商学院信息工程系郑州大学信息工程学院