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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1交叉巷道的實(shí)現(xiàn)

對于有岔口的巷道，最好的方法可以采用布爾運(yùn)算將其融合。實(shí)體間的交、差、并等操作稱為體布爾算法(BooleanOperation)，它是實(shí)體造型系統(tǒng)中帶有侵入、交錯關(guān)系的實(shí)體最基本的操作之一，也是各種空間分析的基礎(chǔ)［6］。布爾算法基本都是以正則集合理論為基礎(chǔ)，同時結(jié)合求交計算來實(shí)現(xiàn)。使用布爾運(yùn)算對巷道進(jìn)行無縫拼接其實(shí)就是對巷道所有的已剖分好的三角面片進(jìn)行求交運(yùn)算，這樣就可以將巷道實(shí)體間的布爾運(yùn)算轉(zhuǎn)換為三角面片之間的布爾運(yùn)算，因此，巷道實(shí)體間的布爾運(yùn)算實(shí)際上就可以看作是巷道表面三角形間的布爾運(yùn)算［7］。在布爾算法運(yùn)算過程中，將一些“無用”的三角形剔除，另外將那些會產(chǎn)生交線的點(diǎn)要加入到新的體中，從而完成對曲面的重構(gòu)。但此方法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，所以本研究中仍然采用貝塞爾插值來實(shí)現(xiàn)交叉巷道的三維建模。對于2條相交巷道，若在骨架圖上直接加載巷道段，則平面的效果圖如圖4所示。由圖4可以看出，虛線為巷道中心線，加載巷段后可以看到2條巷道段有相交重疊的部分，并且直接加載的巷道有棱棱角角，不是太逼真，針對此種情況，首先應(yīng)該求出巷道相交段的交線，裁減掉相交部分，然后離散交線上面的點(diǎn)并采用貝賽爾曲面生成圓滑曲面。算法實(shí)現(xiàn)步驟如下:①基于中心線加載直巷道段，經(jīng)過兩次矩陣乘法將兩段巷道放在同一個坐標(biāo)系下;②根據(jù)相應(yīng)的方程計算求出巷道的交線;③將相交巷道沿交線斷開，根據(jù)交線上的點(diǎn)使用Bezier曲面將對應(yīng)部分連接，最終形成圓滑的巷道段。

2實(shí)現(xiàn)流程

本次仿真實(shí)驗是在鄭州大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗室的PC機(jī)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)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。軟件使用的是面向?qū)ο箝_發(fā)工具VisualC++6.0，在WindowsXP操作系統(tǒng)環(huán)境下，使用OpenGL圖形庫，屏幕的分辨率是1280×1024像素。實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

2.1加載巷道段將巷道分成3個部分來模擬:直巷道、彎曲巷道、交叉巷道。(1)直巷道。對直巷道來說，其實(shí)最基本的就是巷道剖面的模擬，前面根據(jù)選用特征點(diǎn)的方法來生成巷道剖面，這里就不再贅述。下面就給出實(shí)現(xiàn)巷道剖面拱頂?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)代碼，對于拱頂，采取的就是細(xì)分法，實(shí)現(xiàn)時其實(shí)就是一個循環(huán)。實(shí)驗的線框效果圖如圖6所示。(2)彎曲巷道。對彎曲巷道來說，前面也已經(jīng)說過，實(shí)現(xiàn)采用貝塞爾曲線插值的算法來實(shí)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，所以在本次研究中使用一維求值器。貝賽爾曲線是單向量的向量值函數(shù)。(3)交叉巷道。交叉巷道采取的方法前面已經(jīng)詳細(xì)的描述，這里就不再贅述，實(shí)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，效果如圖8所示。使用Bezier曲面完成的交叉巷道拼接的效果圖如圖9所示。(4)變徑處理。剖面大小不同的巷道也是將對應(yīng)特征點(diǎn)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(jìn)行判斷后再將相應(yīng)的特征點(diǎn)相連，如圖10所示。

2.2貼圖處理紋理貼圖允許將一幅格式為BMP的圖像映射到一個不規(guī)則多邊形的表面，并把整個三維圖形畫成單個多邊形。紋理貼圖能保證當(dāng)這個多邊形進(jìn)行變化或者渲染時，映射到多邊形表面的圖像也能夠表現(xiàn)出正確的行為［5］。紋理貼圖的用處很廣，可以模擬植被，也可以用做墻紙，利用紋理使多邊形看上去像是自然界的物質(zhì)，如大理石、木材等。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(diǎn)取樣方法會導(dǎo)致圖形的嚴(yán)重走樣。走樣的問題是不可避免的，但可以采用一定的措施是問題減小到不明顯。目前減輕走樣的方法有兩種，一種是在適當(dāng)加密取樣之后再進(jìn)行紋理濾波，另一種是先對紋理進(jìn)行低通濾波后再采樣。部分巷道紋理貼圖后的效果如圖11所示。

3實(shí)驗結(jié)果

實(shí)現(xiàn)巷道模擬后，為了使仿真效果更逼真，又對實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)反走樣，并在實(shí)現(xiàn)過程中采取連續(xù)對單一面片貼紋理的辦法實(shí)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(biāo)來平移巷道，還可以對想觀察的巷道放大縮小。本研究項目主要實(shí)現(xiàn)了巷道三維模型的仿真，圖12是整體巷道的部分效果圖。

4結(jié)語

(1)本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于對巷道的數(shù)據(jù)處理采取了直接讀取DXF文件的方法，然后提出了分段模擬的思想，然后逐個加載，就像接水管一樣，更方便逼真的完成了巷道的三維模擬。在對交叉巷道模擬的時候，采用了對巷道段求交線的方法，最后基于交線使用Bezier曲面完成拼接。(2)本研究實(shí)現(xiàn)了一個巷道三維建模系統(tǒng)，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。(3)實(shí)現(xiàn)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(rèn)識，可以在采礦生產(chǎn)中確保巷道掘進(jìn)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)的整個地下巷道的三維模型，可以直觀的反映地下巷道的變化，并能夠顯示與地表或者礦體的位置關(guān)系，可以大大提高開采工作的安全性，以及提高開采工作的效率，并且對巷道的優(yōu)化設(shè)計也有指導(dǎo)意義。

作者：張思卿周天宏譚同德于慧影單位：鄭州科技學(xué)院信息工程學(xué)院武漢商學(xué)院信息工程系鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院