張思卿，譚同德

（1．鄭州科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，鄭州450064；2．鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州450001）

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化逐漸成為全球各個行業(yè)的發(fā)展趨勢。鎢礦開發(fā)是礦山開發(fā)的重要組成部分，礦山信息化在我國有相當廣闊的應(yīng)用前景。

鎢礦山的主要組成部分是巷道，地下巷道錯綜復(fù)雜、縱橫交錯，如何能夠多方位地、直觀地、形象地、準確地表現(xiàn)井下巷道，是鎢礦安全生產(chǎn)、高效和合理開發(fā)的重要保障，是構(gòu)建數(shù)字礦山的基礎(chǔ)。研究和開發(fā)三維巷道系統(tǒng)在礦山生產(chǎn)方面有很大的積極意義，例如鎢礦山的安全生產(chǎn)、礦井設(shè)計的優(yōu)化，并能夠提高鎢礦的現(xiàn)代化管理水平。

實現(xiàn)鎢礦山三維巷道模型的動態(tài)模擬，可以使開采和設(shè)計人員有一種身臨其境的感覺，使他們對巷道有一個全面的認識，可以在采礦生產(chǎn)中確保巷道掘進的合理性以及安全性，因此建立三維巷道模擬系統(tǒng)，使地下巷道數(shù)字化，通過展示礦區(qū)整個地下巷道的三維模型，可以直觀地反映地下巷道的變化，并能夠顯示巷道與地表或者礦體的位置關(guān)系，從而大大提高鎢礦開采工作的安全性以及提高開采工作的效率［1］。

本文基于 VR技術(shù)，在 Visual C＋＋6．0集成開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計實現(xiàn)了三維巷道仿真系統(tǒng)，解決了其中關(guān)鍵技術(shù)問題，可以模擬巷道外部全景以及巷道內(nèi)部情況，最后通過貼圖使巷道具有真實感。巷道的三維可視化對鎢礦后續(xù)安全生產(chǎn)有重要意義。

1 鎢礦山巷道的設(shè)計原則

1）平巷設(shè)計

礦山平巷包括平硐、石門、運輸平巷、出礦通道等［2］。這些巷道最常見的斷面形狀有自然拱形、梯形、圓拱形、半圓拱形和圓形，如圖1所示，當然在特殊情況下，也有馬蹄形、橢圓形等。

圖1 巷道斷面Fig．1 Section of roadways

平巷斷面形狀主要由以下三個方面來決定［2］：

（1）巷道周圍的地質(zhì)環(huán)境以及地壓的大小和壓力的方向；

（2）巷道的用途以及工作年限；

（3）支護方式，施工的難易度等。

經(jīng)過綜合考慮，梯形斷面利用率高，而拱形斷面的穩(wěn)定性較好，承載能力較大，所以設(shè)計時一般采用這兩種形狀的斷面，而本次實驗主要是為了實現(xiàn)三維巷道的模擬，所以采用統(tǒng)一的半圓拱形斷面進行仿真。礦井生產(chǎn)中，井下巷道按要求應(yīng)該是互相連接的，于是就會出現(xiàn)巷道相交或者有分叉的地方，這種情況下的巷道就稱之為巷道交叉點。

根據(jù)交叉點支護方式的不同，交叉點可以分為簡易交叉點和碹叉，而碹叉按其結(jié)構(gòu)的不同又分為牛鼻子交叉點和穿尖交叉點［2］，如圖2所示。

圖2 交叉點類型Fig．2 Intersection types

2）豎井設(shè)計

豎井是地下鎢礦山工程中的主要井巷之一，其主要作用是在礦山生產(chǎn)時提升礦石、上下工作人員和器材、排水及通風。一般圓形斷面的井筒多采用混凝土或者噴錨支護，另外在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下也有鋼筋混凝土。圓形斷面具有承壓性能好、受壓均勻、封水性好、服務(wù)年限較長、能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件等優(yōu)點，所以一般情況下豎井都會采用圓形斷面。

2 系統(tǒng)總體框架

目前，隨著采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，地下巷道縱橫交錯，越來越復(fù)雜。而現(xiàn)有的巷道數(shù)據(jù)基本都是以二維的方式存儲的，并且巷道的數(shù)目越來越多，其內(nèi)部設(shè)施也越來越復(fù)雜，直接考察獲取巷道信息越來越難，所以依靠建立巷道的三維模型來保障礦山的安全生產(chǎn)越來越必要。

作為一個三維巷道仿真系統(tǒng)，其核心功能必然是實現(xiàn)巷道的三維顯示，整體顯示整個巷道的三維模型，主要是根據(jù)簡單的原始數(shù)據(jù)以及屬性描述建立起較有真實感的巷道模型，把二維的巷道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間三維的模型，主要實現(xiàn)巷道的內(nèi)部顯示和外部顯示。

由于本實驗中在彎曲巷道處采用的是貝塞爾曲線插值方法，所以找到合適的曲線控制點是實現(xiàn)三維巷道仿真的重點，也是難點。另外在巷道段加載時，找到合適的加載位置也是要認真考慮的。最后，在巷道貼圖處理時，怎樣處理貼圖的屬性，找到合適的貼圖坐標也是難點。

三維巷道的功能模塊如圖3所示。

圖3 三維巷道建模系統(tǒng)Fig．3 3Droadway modeling system

1）文件管理功能模塊。主要完成巷道的數(shù)據(jù)處理，主要是對格式為DXF的CAD文件進行處理，將圖紙上的巷道信息在程序的環(huán)境下顯示出來，最終得到巷道的骨架圖，使用戶對井下巷道有一個最初的認識。

2）系統(tǒng)交互功能。主要是在建模完成后，可以對三維模型進行的一些操作，可以平移三維模型，并且可以放大縮小，以便用戶能看到自己想看的部分。

3）巷道建模。該部分是本系統(tǒng)最主要的部分，即核心部分，主要完成巷道的三維建模，其中包括各個巷道段的建模，即直巷道、彎曲巷道和交叉巷道。另外，還要考慮巷道截面不同的情況，即巷道變徑時的處理方法。

4）顯示效果。該部分是本系統(tǒng)的最終顯示部分，主要為巷道的整體顯示，即整個巷道群的外部顯示，使用戶可以對巷道有整體的、三維的、直觀的認識。另外，為了以后的漫游工作，也要對巷道內(nèi)部進行一定的處理，使用戶對巷道內(nèi)部也有一定了解。最后為了使巷道有一定的逼真性，對其加上貼圖，使其更逼真，比如，巖石巷就可以在內(nèi)部貼上巖石的貼圖，水泥巷就可以貼上稍細膩的水泥貼圖，可以使用戶對巷道的材質(zhì)有一定的了解。

3 實現(xiàn)過程

本次仿真實驗是在鄭州大學(xué)的虛擬現(xiàn)實與地理信息系統(tǒng)實驗室的PC機上開發(fā)實現(xiàn)的，實驗的硬件平 臺 為 Intel（R）3．00GHz，顯 卡 信 息 為GeForce6600GT，內(nèi)存大小為1．49GB。軟件方面使用的是面向?qū)ο箝_發(fā)工具 Visual C＋＋6．0，在Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下，使用OpenGL圖形庫，屏幕的分辨率是1 280×1024像素。實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 實現(xiàn)流程Fig．4 Implementation process

3．1 讀取數(shù)據(jù)

DXF是Autodesk公司開發(fā)的主要用于Auto－CAD與其它軟件之間進行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式，它的數(shù)據(jù)格式是開放的、矢量的。DXF文件格式可以分為兩類：一類是ASCII格式，另一類是二進制格式［3］。ASCII格式具有可讀性好的優(yōu)點，但缺點是占有空間較大；而二進制格式則具有占有空間小、讀取速度快的優(yōu)點。因其內(nèi)部為ASCII碼，所以即使是不同類型的計算機、不同版本的文件，DXF文件也可以完成圖像交換的功能，這是DWG格式的文件達不到的。另外由于DXF文件可讀性好，用戶可以方便地對其進行修改、編程，最終達到從外部進行編輯、修改的目的［4］。ASCII格式的DXF可以使用文本編輯器打開并查看其基本信息。

3．2 加載巷道段

系統(tǒng)將巷道分成三個部分來模擬：直巷道、彎曲巷道、交叉巷道。實現(xiàn)過程如下：

1）直巷道

對直巷道來說，其實最基本的就是巷道剖面的模擬，本文中根據(jù)選用特征點的方法來生成巷道剖面，實驗的線框效果圖如圖5所示。

圖5 直巷道效果圖Fig．5 Straight tunnel effect

2）彎曲巷道

對彎曲巷道來說，采用貝塞爾曲線插值算法來進行編程實現(xiàn)，在用程序?qū)崿F(xiàn)時，需要使用求值器。OpenGL中提供了一維求值器和二維求值器，但由于兩者很相似，而一維求值器更易于描述，所以在本次實驗中使用一維求值器。

貝塞爾曲線是單向量的向量值函數(shù)［5］：

其中u在某個定義域中變化。貝塞爾表面是雙向量的向量值函數(shù)：

其中u、v都在某個定義域中變化，對于每個u（如果是表面，則是u、v），使用C（）公式來計算曲線或曲面上的一個點，為了使用求值器，需要首先定義C（）函數(shù)，然后啟用此函數(shù)，并使用glEvalCoord1（）函數(shù)來代替函數(shù)glVertex（）。實驗的線框圖效果如圖6（a）所示。

對于彎曲巷道的實現(xiàn)，常用的拼接算法是在巷道彎曲處加載連續(xù)斷面，使拐角弱化，這種方法適用于彎曲度較小的巷道。這種方法實現(xiàn)起來簡單，但是在巷道拼接的地方還是不太逼真，不太圓滑，如圖6（b）所示。

圖6 彎曲巷道效果圖Fig．6 Curved tunnel effects

3）交叉巷道

交叉巷道采取的方法前面已經(jīng)詳細描述，這里就不再贅述，實驗的效果圖分別是使用Bezier曲線完成的Y形岔口和普通岔口，如圖7所示。

圖7 交叉巷道效果圖Fig．7 Cross tunnel effects

使用貝塞爾曲面完成的交叉巷道拼接的效果圖如圖8所示。

圖8 貝塞爾曲面拼接的交叉巷道Fig．8 The Bezier surface patchwork cross tunnels

4）變徑處理

剖面大小不同的巷道也是將對應(yīng)特征點連接起來形成巷道段，對于形狀不同的則使用最小對角線進行判斷后再將相應(yīng)的特征點相連，如圖9所示。

3．3 貼圖處理

圖9 變徑效果圖Fig．9 Variable diameter rendering

紋理貼圖是一個很復(fù)雜的問題 。在使用紋理貼圖時，必須做出一些編程選擇。紋理可以是一維的、二維的，甚至也可以是三維的，開發(fā)者可以將紋理映射在由一組不規(guī)則多邊形組成的平面上，或?qū)⑺N在曲面上，也可以在一個甚至多個方向上重復(fù)使用同一個紋理來覆蓋物體的表面［5］。除此以外，可以把材質(zhì)紋理直接貼在物體的表面上，來表示物體的形狀或者其它屬性。紋理可以按不同的方式應(yīng)用于物體的表面，如既可以直接畫到物體的表面，調(diào)整物體表面的顏色，也可以將紋理顏色與物體表面顏色相融合［5－6］。

為了使用紋理貼圖，需要執(zhí)行以下步驟［7］：

1）定義紋理、啟動紋理。

2）將紋理映射到每個多邊形點坐標上。

3）根據(jù)紋理坐標和貼圖多邊形坐標完成場景的繪制。

需要注意的是，紋理坐標在RGBA模式下才可以使用［8］。

紋理一般定義在單位正方形（0≤u≤1，0≤v≤1）上，稱為紋理空間，理論上，任何定義在這個空間上的函數(shù)都可以作為紋理函數(shù)。常用的紋理定義是采用離散的方法，即用一個二維數(shù)組來定義紋理。把二維的紋理圖案映射到三維物體表面時，必須使物體的空間坐標與紋理坐標一一對應(yīng)。

另外，紋理貼圖時還有一個問題要注意。在紋理生成時，經(jīng)常使用的點取樣方法會導(dǎo)致圖形嚴重走樣。走樣的問題是不可避免的，但可以采用一定的措施使問題減小到不明顯。目前減輕走樣的方法有兩種：一種是在適當加密取樣之后再進行紋理濾波，另一種是先對紋理進行低通濾波后再采樣。部分巷道紋理貼圖后的效果如圖10所示。

4 實驗結(jié)果

圖10 貼圖處理Fig．10 Chartlet processing

實現(xiàn)巷道模擬后，為了使仿真效果更逼真，又對實現(xiàn)結(jié)果添加了光照和材質(zhì)，尤其是材質(zhì)方面，使用不同的貼圖可以實現(xiàn)不同類型的巷道，但在紋理貼圖中，會出現(xiàn)圖像走樣現(xiàn)象，就是圖像會顯示為鋸齒狀或臺階狀。在OpenGL中采取提高分辨率的方法來實現(xiàn)反走樣，并在實現(xiàn)過程中采取連續(xù)對單一面片貼紋理的辦法實現(xiàn)巷道的逼真模擬。除了模擬巷道外，還添加了交互功能，用戶可以使用鼠標來平移巷道，還可以對想觀察的巷道進行放大縮小。

本研究主要實現(xiàn)了巷道三維模型的仿真，整體巷道的部分效果圖如圖11所示。

圖11 三維巷道Fig．11 Three－dimensional roadway

5 結(jié)論

本研究的創(chuàng)新點在于對巷道的數(shù)據(jù)處理采取直接讀取DXF文件的方法，提出分段模擬的思想，然后逐個加載，就像接水管一樣，更方便逼真地完成巷道的三維模擬。在對交叉巷道模擬時，采用對巷道段求交線的方法，最后基于交線使用貝塞爾曲面完成拼接。

研究項目實現(xiàn)了一個巷道三維建模系統(tǒng)的建立，并解決了其中的關(guān)鍵技術(shù)，即彎曲巷道和交叉巷道的圓滑拼接。對于用戶來說，基于一張CAD圖紙就可以仿真出想要得到的結(jié)果，為用戶了解巷道提供了很大的便利。

金屬礦山的地下工程中的其它項目，如采礦、工作面、豎井等也可以利用本VR技術(shù)實現(xiàn)可視化，為礦山設(shè)計和現(xiàn)場管理提供可視化平臺，提高礦山現(xiàn)代化、信息化管理水平。

［1］ 季 興 ．三維巷道矢量模型生成與動態(tài)漫游［D］．長沙：中南大學(xué)，2010．

［2］ 盧義玉，康 勇，夏彬偉 ．井巷工程設(shè)計與施工［M］．北京：科學(xué)出版社，2010：55－75，143－161．

［3］ 劉傳亮，陸建德 ．AutoCAD DXF文件格式與二次開發(fā)圖形軟件編程［J］．微機發(fā)展，2004，14（9）：101－104．

［4］ 趙曉東，谷曉松，王海龍 ．GIS的礦山巷道三維空間構(gòu)模算法研究［J］．測繪科學(xué)，2010，35（6）：20－22．

［5］ 徐 波．OpenGL編程指南［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008：228－285．

［6］ 孫家廣．計算機圖形學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：378－387，491－495．

［7］ 吳文國．交互式計算機圖形學(xué)—基于OpenGL的自頂向下方法［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2006：354－360．

［8］ 鄭阿奇，丁有和，鄭 進，等．Visual C＋＋實用教程［M］．2版 ．北京：電子工業(yè)業(yè)出版社，2005：1－6．