地下矿山可视化及最优路径漫游的研究＊

廖文涛,邓小宇

(1.贵州省煤矿设计研究院,贵州贵阳 550025;2.贵州财经学院,贵州 贵阳 550000)

地下矿山可视化及最优路径漫游的研究＊

廖文涛1,邓小宇2

(1.贵州省煤矿设计研究院,贵州贵阳 550025;2.贵州财经学院,贵州 贵阳 550000)

本文根据现代化矿山安全生产、安全管理要求,提出了建立地下矿山的可视化和漫游技术。针对矿山安全教育与培训、事故应急救援、安全生产、安全管理的组织优化,介绍了 VRML对地下矿山系统的模拟以及VRML与Java语言结合,实现最优路径漫游;就当前外三维虚拟场景都仅提供简单的导航功能,提出了将最优路径算法引入到三维场景的思想,将二维平面与三维虚拟场景相结合,实现了三维场景中的最优路径漫游,增加了系统智能型,增强了虚拟场景与用户的交互性。

VRML;Java;虚拟导航;最优路径

为了发展现代安全科学技术,解决安全生产重大科技问题,国家科委委托原劳动部组织有关专家编制了《安全生产中长期科技发展纲要 (1990-2000-2020)》,提出了我国工业安全科学技术的发展战略、奋斗目标、支撑条件和技术政策,确定的重点任务重这样提到:研究提高防灾能力,防止事故扩大救护技术,事故快速勘察和紧急救援技术;研究重大危险源(危险区域或大型联合装置)安全监控网络和虚拟(VRML)现实技术[1]。

1 虚拟现实(VR)技术

虚拟现实 (Virtual Reality,简称 VR)技术又称“灵境技术”。VR技术是 20世纪末发展起来的一门涉及纵多学科的高新技术,它集传感与测量技术、计算机技术、仿真技术、微电子技术于一体,是计算机生成的看起来像真的、听起来像真的、触摸起来像真的虚拟世界,给人以身临其境的感觉。人能以使用数据手法、数据衣服和语言等自然的方式与虚拟世界中对象进行交互操作,强调了介入者(人)在所创造的虚拟环境中的体验(通过人机之间的相互操作获得)。一个好的虚拟环境包括:计算机图形学、图像处理、模式识别、多传感器、语言处理、网络技术所构成的大型综合集成环境。作为一门先进的人机交流技术,VR技术具有广泛的应用前景。

虚拟现实的核心是强调人机交互性,即反映出人在虚拟世界(环境)的体验。VR的概念模型[2]如下图:

图1 VR的概念模型

虚拟现实漫游系统通常是指计算机对真实世界的三维模拟,用户可以通过一定的方式对模拟的场景进行身临其境的全方位审视,并可在虚拟场景中巡航漫游,从而达到观察自然,欣赏景观,了解实体的目的。VRML的优势在于其数据量小,实时3D渲染,实时交互性强,构建场景逼真且与平台无关;虚拟现实技术特别适用于恶劣、危险环境的模拟,克服利用硬件系统实现虚拟现实的设备结构复杂、价格昂贵的缺点,而一般的 3D虚拟真实系统场景大且要实现漫游等功能较难。因此,对地下矿山的建模和漫游选择VRML作为建模工具有其独特的优势:实时三维环境中,支持方案调整、评估、管理、信息查询等功能,适合较大工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等的需要,同时又具有更真实和直观的多媒体功能。在事故救援体系中,VR技术与现代的监测和通讯手段结合,可提供一个高效、有序的事故应急救援系统平台,各工作人员各司其职,有效提高事故救援的反映能力,组织工作有条不紊,进一步降低事故损失。同时,VR技术可模拟事故应急救援的演练等工作,可大大的节省在安全教育和安全培训的费用[3]。

2 虚拟矿山的模型建立

地下矿山系统的建模是虚拟场景最基本的步骤。建模技术大致可分为两类:几何建模和行为建模。几何建模处理虚拟矿山物体的几何和形状表示,研究特性数据结构等基本问题;行为建模处理虚拟矿山物体运动和行为的描述[4]。

2.1 几何建模

几何建模采用了 3ds max和VRML相结合构建模型(主要以VRML为主),并在三维场景中设置灯光、摄像机、材质等,3ds max和VRML中的大部分贴图都来自数码照片,这些照片往往不能直接作为贴图使用,需要在 Photoshop中进行处理,经过图片的剪裁、色调的调节,祛除瑕疵和杂物等处理才可以作为贴图,再经过场景的合成,节点、灯光、整体效果的调试,才能达到较好的浏览效果。

根据浏览需要,几何建模中部分模型制作精细,有些则较为粗略。下图为笔者制作的矿山设备几何模型:

图 2 矿山通风机及矿车几何模型

基于各个个体模型,必须整合在一起生成一个复杂生动的场景,利用 VRML中的 Inline节点将各个体三维模型配置到场景中的对应位置,便于文件的维护。生成一个复杂生动的大型虚拟场景。为下一步实现行为模型的建立打下基础。Inline节点可从万维网上的任意位置读取该VRML造型文件。

2.2 行为建模

VRML自身与外部的交互能力不是很强,它必须和其他语言相结合才能构造出具有强交互能力的虚拟场景。Java以其诸多的优点,与 VRML结合在一起,可以克服 VRML的一些缺陷,提供给用户和VRML之间更丰富、便捷的人机交互,满足系统的要求。从场景中获得用户感兴趣的数据、让用户能够精确地在设置的场景的参数等高级交互功能,则需要 Java的介入。场景由 Java程序控制,以实现介入者的意图。

由Java程序控制的虚拟矿山导航功能主要有多视角观看、固定路径漫游、最优路径漫游及二维地图(经过笔者简化)与三维场景相结合的实时同步显示。

Java程序控制的虚拟导航功能设计功能框图:

3 最优路径漫游的实现

国内外所建立的虚拟三维场景中,大多数仅实现了三维虚拟场景的仿真,少数在此基础上实现了三维场景的导航,但他们都仅实现了任意漫游或固定路径漫游的功能。而在一些实际情况下,我们需要对所建立的三维场景有一个更加清楚的认识,如在三维场景中,在两地之间存在有多条通路的情况下,哪条路径最优?这种最优可否实时、直观地在三维场景中演示出来?因此,三维场景下的最优路径漫游对一个陌生、复杂的环境中,通过设置最优路径漫游的功能,可解决从一个地方到另一个地方之间快速浏览的问题,从而截取我们需要的信息,这样既满足了访问者的需求,又增强了系统的智能性。因此,提出了将最优路径漫游引入到三维场景中的思想,以实现三维场景中的最优路径漫游。

3.1 需考虑的因素

在实现虚拟矿山最优路径分析时应考虑以下两个因素:

(1)巷道的实时状况。

巷道的实时状态,即某条巷道因外界原因不能通行,那么在生成最优路径时,应不考虑此条路径。

(2)最优路径的形式。

①“距离”最优路径,即实际的地理距离最小,可以表示为U(x)=L1+L2……+Ln,当U(x)最小时,所经过的路径是最优路径。

②“时间”最优路径,即耗费的时间最短,可表示为U(x)=T1+T2……+Tn,当U(x)最小时,所经过的路径是最优路径。

③“时间距离”最优路径,即时间和距离综合选择的最优路径,可表示为 U(x)=a(L1+L2……+ Ln)+b(T1+T2……+Tn)(a、b为权系数),当U(x)最小时,所经过的路径是最优路径。

一般来说,设A到B有一条通路,A的标高高于B,若考虑到上坡和下坡时的速度,则边 (A、B)和边(B、A)上表示行驶时间的权值是不同的,即(A+B)和(B+A)应是不同的两条边。因此,考虑的都是有向网络中的最优路径问题。

然而,在虚拟三维场景中,无需考虑时间的最优,即考虑最优路径漫游中的最优为距离最优。笔者建立的三维场景选择的是矿山某一标高水平上,高程差很小,所以仅考虑了距离最优。因建立的三维场景为简化的真实场景,所以某巷道因外界原因不能通行时,即不考虑该路径。所以虚拟矿山可以抽象成为一个简单的无向赋权图,巷道的长度作为各个边的权值,这样两地点之间的最优路径问题就转化为无向赋权图中的最优路径问题。

3.2 最优路径算法的选择

最优路径算法最终是用在三维场景的导航功能中,笔者希望实现任意两地点之间最优路径的漫游,最终选择了弗洛伊德 (Floyd)算法,预先计算出每两项顶点间的最优路径信息。即所有顶点之间的最优路径问题指对于给定的有向网络 G=(V,W),要对G中任意两个顶点υ,w(υ≠w),找出υ到w的最优路径。算法的基本思想和运算过程由于较为复杂,在此就不再累述。

3.3 最优路径漫游的实现

3.3.1 任意两点之间最优路径上经过点的信息存储

考虑到任意两点间最优路径上所经过点的信息需在控制面板中以文字的方式在三维场景中实时演示同步进行。因此将弗洛伊德 (Floyd)算法获得的信息存入三维数组 S中。其中数组的第一维下标表示路径 Pij的起点 i,第二维下标表示路径 Pij的终点j,数组存储的是路径 Pij上经过的所有的点,包括起点和终点。

3.3.2 算法描述

for(i=0;i

for(j=0;j

{

if(A[i][j]! =∞)

P[i][j]=j;

else

P[i][j]=-1;

}//给A数组和 P数组赋初值。

for(k=0;k

//做 n次迭代,每次均试图将顶点 k扩充到当前求得的从 i到 j的最短路径上。

for(i=0;i

for(j=0;j

{ifA[i][j]>A[i][k]+A[k][j]))

{A[i][j]=A[i][k]+A[k][j];//修改长度

P[i][j]=P[i][k];//修改路径

}

}……

for(i=0;i

for(j=0;j

{intm=1;

System.out.printIn(A[i][j]);//输出的长度

Next=path[i][j];

If(next==-1)……//next==-1,则路径不存在

System.out.printIn(i+1+"to"+j+1+"no path");

s[i][j][0]=i+1;

s[i][j][1]=j+1;

}

else{System.out.print(i+1);

s[i][j][0]=i+1;

s[i][j][1]=j+1;

while(next! =j){

System.out.print("——>"+next+1);//输出后继点,用三维数组来存储后继点的信息

s[i][j][m]=next+1;

m=m+1;

next=path[next][j];//继续找下一个后继点

s[i][j][m]=j+1;

}

System.out.printIn("——>"+j+1);

}}……

在最优路径漫游实现过程中,使用了外部创造接口(External Authoring Interface,EAI)技术来使VRML与外部环境进行通信、交互,Java制作实现漫游功能的控制面板。最优路径漫游的路径选择是随机的,视点的变化也是随机的,因此选择的视点动画交互技术是线程法,实现三维场景中最优路径漫游的实时演示。

最优路径漫游响应按钮事件的程序流程如下图所示:

图 5 响应按钮事件的程序流程图

3.3.3 演示过程

图6 主操作界面

4 结论及展望

笔者深入研究了VRML与Java的连接机制,以EA I实现了两种语言的结合,利用 Java实现了三维场景中虚拟导航功能。文中最优路径漫游实现,对矿山各系统中的应急救援、运输系统的成本节省、从业人员的安全培训和教育等有一定的使用价值。

本文中的最优路径漫游,与 GIS结合,并加入更多的实时条件,在复杂的多个条件下处理事故和模拟事故的发生机理、过程、后果进行实时模拟将大大提高其实用性。同时,Internet的快速发展及各种新技术的开发,VRML与 Internet环境下计算机协同工作的结合将是一个重要的发展研究方向。

REFERENCES

[1] 金龙哲,宋存义.安全科学与原理.化学工业出版社.2004,4: 15.

[2] 熊静,周定康.Internet环境下的虚拟现实技术 -VRML.计算机与现代化,2004,2:17-19.

[3] Sing,G.,Geiner,S.and Thalmann,D.Virtual Reality Soft-Ware and Technology:Proceedingsof the Conference.World Scientific Publishing Company,Inc.1994,67-89.

[4] http://www.86vr.com.

Study on Visualization and Opti mal Roam ing in UndergroundM ine

L I AO Wen-tao,DENG Xiao-Yu
(1.Guizhou CoalMine Design Research Institute,Guizhou,Guiyang,550025; 2.Guizhou Financial Institute,Guizhou,Guiyang,550000)

Based on the demands ofmining safety in production and safety management,visualization and roaming technology to underground mine are proposed in this article.According to the demand of safety education and training,character of accident emergency rescue system and the organize optimization ofmining safety in production and safetymanagement,the modeling of underground mining byVRML and the realization of the optimal roamingpath through the combination ofVRML and Java are introduced.The virtual 3D sceneswhich are built in civil and international,all of them only realize the simple navigation function.The idea of optimal route algorithm used in 3D virtual scenes,which make 2D and 3D combined together to realize the roam of optimal route in 3D virtual scenes.This can increase the intellectuality of the system and better communication between virtual scenes and users.

VRML;Java;virtual navigation;optimal path

book=77,ebook=120

TD7;TP27

A

1009-3842(2010)03-0077-05

2010-07-07

贵州省科技厅重大专项计划项目 (黔科合重大专项字[2008]6012)

廖文涛(1981-),男,汉族,贵州毕节人,昆明理工大学安全技术及工程专业毕业,硕士研究生,研究方向为矿山安全技术,E-mail:945968416@qq.com。