增强现实技术在采矿工程实验教学中的应用

韩卫关

[摘要]通过介绍增强现实技术的基本原理，将增强现实技术与三维显示技术、多媒体技术、计算机科学、人机交互等学科结合应用于采矿工程实验教学当中，探讨采矿实验教学中存在的各类问题和增强现实技术在解决这些问题上的应用，增强现实技术的发展方向对采矿工程实验教学的价值和促进作用，为采矿工程节约资本，增加效益，拓宽学生思维。

[关键词]增强现实技术 采矿 教学

[中图分类号] P61 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-443-1

增强现实技术作为一种新兴科技技术因计算机科学技术和经济时代的飞速发展、现实生活的需要而得到了飞速发展。

采矿工程实验教学的目的是通过教授专业知识，使学生掌握固体矿床开采的基本理论和方法，具备采矿工程师的基本能力，能在采矿领域等方面从事矿区开发规划、矿山（露天、井下）设计、矿山安全技术及工程设计、监察、生产技术管理科学研究等工作。

本文通过增强现实技术的优点来介绍它在采矿工程实验教学中的应用。

1增强现实技术的实时交互和可视化

所谓增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

增强现实技术的应用通常是以透过式头盔显示系统和注册（AR系统中用户观察点和计算机生成的虚拟物体的定位）系统相结合的形式来实现的，是虚拟现实（Virtual Environments，简称VE）技术的升级技术，是由虚拟现实技术发展而来。

使用虚拟现实技术的用户，将完全沉浸于一个虚拟的合成世界中，这个时候，用户是无法看到他所处的现实世界的。

而增强现实技术却可以让用户看到虚拟事物和信息与现实世界重叠的二维世界。

也就是说，增强现实技术是使用信息技术对现实世界的一种补充和增强，而不是用虚拟化技术制造出一个完全虚拟的世界来取代现实世界。

增强现实技术可以模拟进入到人们所不能进入到的特殊环境中。

摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，通过计算机技术将数字化信息和真实环境实时融合到同一个屏幕空间，将虚拟的矿下管线和虚拟图形模型和对真实环境进行模拟仿真后再进行叠加，并输出到屏幕显示器用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。

进行采矿勘测时，可以利用增强现实技术，进行方位的识别，获得勘测地点的地理数据等重要勘测数据。

这种采用增强现实技术将规划效果叠加真实场景中以直接获得规划的效果的做法，既保留重要信息，减少细节冗余又使其可视化。

2对采矿机械的研究和维修建设

增强现实技术应用在采矿工程中，以其精度和稳定性，可以用于对采矿机械进行功能开发、装配和维修建设，可用增强现实技术来展示如何让机械臂融入到地下的环境、机械的操作范围，而且还能用来演示机械的工作范围和运作状态，以及如何与其他设备或其他工业机械协同工作，或是某些不可测因素或突发事件对机械所造成的的干扰。

工业机械模型和地下矿道的逼真立体感和交互感，使模型中的矿井结构足够逼真，减少与实际矿井结构的差距。

悬浮在真实器械表面的3D虚拟指令，可以告诉操作者每一步该做什么，怎么做，这当然要比带有文字和图片的操作手册更加直接明了，维修人员通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构、被维修设备零件图等，可以获取更加有用的维修信息。

利用增强现实技术的虚拟环境模型和实物模型相叠加、结合的特点，将真实的装配空间和虚拟的零件模型操作结合到一起，使装配环境更加真实，交互方式更加自然，装配操作更加直观高效，装配效果更加可靠。给研究人员和学生以形象直观的感触，将教学优势发挥到最大化。

3节省场地设施、经费，保证教学质量

高校作为非盈利性机构，在教学场地、实验经费等方面的资金捉襟见肘，无法真正地满足实验教学增强学生理论知识和实践能力的需要。在增强现实技术中设定教学模型，增加动态操作，缓解了经费投入不足，实验教学场地的建设滞后的问题，增强了学生实践能力。

在巷道设计、机械维修、采矿工艺、矿山开采过程等方面进行高度仿真，可支持大学生进行科技创新实验。

增强现实设计的应用，模拟仿真实验资源建设，补充了现场工程实践不足，对矿山不可及、不可逆的工程问题的解决，提供了新的研究手段和方法，节约了人力、物力、財力，减少了对设备和实验耗材的支出，有效解决传统实验方法占用大量时间、试验场地、实验设备和实验材料问题，具有费用低廉、可重复操作性强、师生安全上有保证等优点。

4总结

在采矿工程实验教学的过程中，应充分发挥增强现实技术的应用优化采矿业的工业生产流程设计，产生巨大的经济效益。能对矿山开采过程，机械维修和运作、巷道设计等方面进行高度模拟和仿真，可支持大学生进行科技创新实验的优点。明确发展思路，丰富和改进理论知识，深化实验教学改革，创新教学模式，凝练优质实验教学资源，拓展培训和交流方式，，将理论应用于实践，不断扩大实验教学的辐射范围，发挥科技作为第一生产力的引领作用，提高人才培养质量，增强学生动手能力，为国家建设培养一批高质量应用型人才，增强现实技术也必将在采矿工程等众多行业的应用中体现巨大的优势。

参考文献

[1]郭保华.采矿工程专业生产实习现状及改革措施[J].陕西煤炭，2007（5）.

[2]徐学锋.21世纪采矿工程专业人才素质教育研究[J].煤炭技术，2007（1）.

[3]何江华.计算机仿真导.[M].北京：和谐出版社，2000.