廖文濤,鄧小宇

(1.貴州省煤礦設計研究院,貴州貴陽 550025;2.貴州財經(jīng)學院,貴州 貴陽 550000)

地下礦山可視化及最優(yōu)路徑漫游的研究＊

廖文濤1,鄧小宇2

(1.貴州省煤礦設計研究院,貴州貴陽 550025;2.貴州財經(jīng)學院,貴州 貴陽 550000)

本文根據(jù)現(xiàn)代化礦山安全生產(chǎn)、安全管理要求,提出了建立地下礦山的可視化和漫游技術(shù)。針對礦山安全教育與培訓、事故應急救援、安全生產(chǎn)、安全管理的組織優(yōu)化,介紹了 VRML對地下礦山系統(tǒng)的模擬以及VRML與Java語言結(jié)合,實現(xiàn)最優(yōu)路徑漫游;就當前外三維虛擬場景都僅提供簡單的導航功能,提出了將最優(yōu)路徑算法引入到三維場景的思想,將二維平面與三維虛擬場景相結(jié)合,實現(xiàn)了三維場景中的最優(yōu)路徑漫游,增加了系統(tǒng)智能型,增強了虛擬場景與用戶的交互性。

VRML;Java;虛擬導航;最優(yōu)路徑

為了發(fā)展現(xiàn)代安全科學技術(shù),解決安全生產(chǎn)重大科技問題,國家科委委托原勞動部組織有關(guān)專家編制了《安全生產(chǎn)中長期科技發(fā)展綱要 (1990-2000-2020)》,提出了我國工業(yè)安全科學技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略、奮斗目標、支撐條件和技術(shù)政策,確定的重點任務重這樣提到:研究提高防災能力,防止事故擴大救護技術(shù),事故快速勘察和緊急救援技術(shù);研究重大危險源(危險區(qū)域或大型聯(lián)合裝置)安全監(jiān)控網(wǎng)絡和虛擬(VRML)現(xiàn)實技術(shù)[1]。

1 虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實 (Virtual Reality,簡稱 VR)技術(shù)又稱“靈境技術(shù)”。VR技術(shù)是 20世紀末發(fā)展起來的一門涉及縱多學科的高新技術(shù),它集傳感與測量技術(shù)、計算機技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體,是計算機生成的看起來像真的、聽起來像真的、觸摸起來像真的虛擬世界,給人以身臨其境的感覺。人能以使用數(shù)據(jù)手法、數(shù)據(jù)衣服和語言等自然的方式與虛擬世界中對象進行交互操作,強調(diào)了介入者(人)在所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中的體驗(通過人機之間的相互操作獲得)。一個好的虛擬環(huán)境包括:計算機圖形學、圖像處理、模式識別、多傳感器、語言處理、網(wǎng)絡技術(shù)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。作為一門先進的人機交流技術(shù),VR技術(shù)具有廣泛的應用前景。

虛擬現(xiàn)實的核心是強調(diào)人機交互性,即反映出人在虛擬世界(環(huán)境)的體驗。VR的概念模型[2]如下圖:

圖1 VR的概念模型

虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)通常是指計算機對真實世界的三維模擬,用戶可以通過一定的方式對模擬的場景進行身臨其境的全方位審視,并可在虛擬場景中巡航漫游,從而達到觀察自然,欣賞景觀,了解實體的目的。VRML的優(yōu)勢在于其數(shù)據(jù)量小,實時3D渲染,實時交互性強,構(gòu)建場景逼真且與平臺無關(guān);虛擬現(xiàn)實技術(shù)特別適用于惡劣、危險環(huán)境的模擬,克服利用硬件系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的設備結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴的缺點,而一般的 3D虛擬真實系統(tǒng)場景大且要實現(xiàn)漫游等功能較難。因此,對地下礦山的建模和漫游選擇VRML作為建模工具有其獨特的優(yōu)勢:實時三維環(huán)境中,支持方案調(diào)整、評估、管理、信息查詢等功能,適合較大工程項目的規(guī)劃、設計、投標、報批、管理等的需要,同時又具有更真實和直觀的多媒體功能。在事故救援體系中,VR技術(shù)與現(xiàn)代的監(jiān)測和通訊手段結(jié)合,可提供一個高效、有序的事故應急救援系統(tǒng)平臺,各工作人員各司其職,有效提高事故救援的反映能力,組織工作有條不紊,進一步降低事故損失。同時,VR技術(shù)可模擬事故應急救援的演練等工作,可大大的節(jié)省在安全教育和安全培訓的費用[3]。

2 虛擬礦山的模型建立

地下礦山系統(tǒng)的建模是虛擬場景最基本的步驟。建模技術(shù)大致可分為兩類:幾何建模和行為建模。幾何建模處理虛擬礦山物體的幾何和形狀表示,研究特性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基本問題;行為建模處理虛擬礦山物體運動和行為的描述[4]。

2.1 幾何建模

幾何建模采用了 3ds max和VRML相結(jié)合構(gòu)建模型(主要以VRML為主),并在三維場景中設置燈光、攝像機、材質(zhì)等,3ds max和VRML中的大部分貼圖都來自數(shù)碼照片,這些照片往往不能直接作為貼圖使用,需要在 Photoshop中進行處理,經(jīng)過圖片的剪裁、色調(diào)的調(diào)節(jié),祛除瑕疵和雜物等處理才可以作為貼圖,再經(jīng)過場景的合成,節(jié)點、燈光、整體效果的調(diào)試,才能達到較好的瀏覽效果。

根據(jù)瀏覽需要,幾何建模中部分模型制作精細,有些則較為粗略。下圖為筆者制作的礦山設備幾何模型:

圖 2 礦山通風機及礦車幾何模型

基于各個個體模型,必須整合在一起生成一個復雜生動的場景,利用 VRML中的 Inline節(jié)點將各個體三維模型配置到場景中的對應位置,便于文件的維護。生成一個復雜生動的大型虛擬場景。為下一步實現(xiàn)行為模型的建立打下基礎。Inline節(jié)點可從萬維網(wǎng)上的任意位置讀取該VRML造型文件。

2.2 行為建模

VRML自身與外部的交互能力不是很強,它必須和其他語言相結(jié)合才能構(gòu)造出具有強交互能力的虛擬場景。Java以其諸多的優(yōu)點,與 VRML結(jié)合在一起,可以克服 VRML的一些缺陷,提供給用戶和VRML之間更豐富、便捷的人機交互,滿足系統(tǒng)的要求。從場景中獲得用戶感興趣的數(shù)據(jù)、讓用戶能夠精確地在設置的場景的參數(shù)等高級交互功能,則需要 Java的介入。場景由 Java程序控制,以實現(xiàn)介入者的意圖。

由Java程序控制的虛擬礦山導航功能主要有多視角觀看、固定路徑漫游、最優(yōu)路徑漫游及二維地圖(經(jīng)過筆者簡化)與三維場景相結(jié)合的實時同步顯示。

Java程序控制的虛擬導航功能設計功能框圖:

3 最優(yōu)路徑漫游的實現(xiàn)

國內(nèi)外所建立的虛擬三維場景中,大多數(shù)僅實現(xiàn)了三維虛擬場景的仿真,少數(shù)在此基礎上實現(xiàn)了三維場景的導航,但他們都僅實現(xiàn)了任意漫游或固定路徑漫游的功能。而在一些實際情況下,我們需要對所建立的三維場景有一個更加清楚的認識,如在三維場景中,在兩地之間存在有多條通路的情況下,哪條路徑最優(yōu)?這種最優(yōu)可否實時、直觀地在三維場景中演示出來?因此,三維場景下的最優(yōu)路徑漫游對一個陌生、復雜的環(huán)境中,通過設置最優(yōu)路徑漫游的功能,可解決從一個地方到另一個地方之間快速瀏覽的問題,從而截取我們需要的信息,這樣既滿足了訪問者的需求,又增強了系統(tǒng)的智能性。因此,提出了將最優(yōu)路徑漫游引入到三維場景中的思想,以實現(xiàn)三維場景中的最優(yōu)路徑漫游。

3.1 需考慮的因素

在實現(xiàn)虛擬礦山最優(yōu)路徑分析時應考慮以下兩個因素:

(1)巷道的實時狀況。

巷道的實時狀態(tài),即某條巷道因外界原因不能通行,那么在生成最優(yōu)路徑時,應不考慮此條路徑。

(2)最優(yōu)路徑的形式。

①“距離”最優(yōu)路徑,即實際的地理距離最小,可以表示為U(x)=L1+L2……+Ln,當U(x)最小時,所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

②“時間”最優(yōu)路徑,即耗費的時間最短,可表示為U(x)=T1+T2……+Tn,當U(x)最小時,所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

③“時間距離”最優(yōu)路徑,即時間和距離綜合選擇的最優(yōu)路徑,可表示為 U(x)=a(L1+L2……+ Ln)+b(T1+T2……+Tn)(a、b為權(quán)系數(shù)),當U(x)最小時,所經(jīng)過的路徑是最優(yōu)路徑。

一般來說,設A到B有一條通路,A的標高高于B,若考慮到上坡和下坡時的速度,則邊 (A、B)和邊(B、A)上表示行駛時間的權(quán)值是不同的,即(A+B)和(B+A)應是不同的兩條邊。因此,考慮的都是有向網(wǎng)絡中的最優(yōu)路徑問題。

然而,在虛擬三維場景中,無需考慮時間的最優(yōu),即考慮最優(yōu)路徑漫游中的最優(yōu)為距離最優(yōu)。筆者建立的三維場景選擇的是礦山某一標高水平上,高程差很小,所以僅考慮了距離最優(yōu)。因建立的三維場景為簡化的真實場景,所以某巷道因外界原因不能通行時,即不考慮該路徑。所以虛擬礦山可以抽象成為一個簡單的無向賦權(quán)圖,巷道的長度作為各個邊的權(quán)值,這樣兩地點之間的最優(yōu)路徑問題就轉(zhuǎn)化為無向賦權(quán)圖中的最優(yōu)路徑問題。

3.2 最優(yōu)路徑算法的選擇

最優(yōu)路徑算法最終是用在三維場景的導航功能中,筆者希望實現(xiàn)任意兩地點之間最優(yōu)路徑的漫游,最終選擇了弗洛伊德 (Floyd)算法,預先計算出每兩項頂點間的最優(yōu)路徑信息。即所有頂點之間的最優(yōu)路徑問題指對于給定的有向網(wǎng)絡 G=(V,W),要對G中任意兩個頂點υ,w(υ≠w),找出υ到w的最優(yōu)路徑。算法的基本思想和運算過程由于較為復雜,在此就不再累述。

3.3 最優(yōu)路徑漫游的實現(xiàn)

3.3.1 任意兩點之間最優(yōu)路徑上經(jīng)過點的信息存儲

考慮到任意兩點間最優(yōu)路徑上所經(jīng)過點的信息需在控制面板中以文字的方式在三維場景中實時演示同步進行。因此將弗洛伊德 (Floyd)算法獲得的信息存入三維數(shù)組 S中。其中數(shù)組的第一維下標表示路徑 Pij的起點 i,第二維下標表示路徑 Pij的終點j,數(shù)組存儲的是路徑 Pij上經(jīng)過的所有的點,包括起點和終點。

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;

}//給A數(shù)組和 P數(shù)組賦初值。

for(k=0;k

//做 n次迭代,每次均試圖將頂點 k擴充到當前求得的從 i到 j的最短路徑上。

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];//修改長度

P[i][j]=P[i][k];//修改路徑

}

}……

for(i=0;i

for(j=0;j

{intm=1;

System.out.printIn(A[i][j]);//輸出的長度

Next=path[i][j];

If(next==-1)……//next==-1,則路徑不存在

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);//輸出后繼點,用三維數(shù)組來存儲后繼點的信息

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

m=m+1;

next=path[next][j];//繼續(xù)找下一個后繼點

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

}

System.out.printIn("——>"+j+1);

}}……

在最優(yōu)路徑漫游實現(xiàn)過程中,使用了外部創(chuàng)造接口(External Authoring Interface,EAI)技術(shù)來使VRML與外部環(huán)境進行通信、交互,Java制作實現(xiàn)漫游功能的控制面板。最優(yōu)路徑漫游的路徑選擇是隨機的,視點的變化也是隨機的,因此選擇的視點動畫交互技術(shù)是線程法,實現(xiàn)三維場景中最優(yōu)路徑漫游的實時演示。

最優(yōu)路徑漫游響應按鈕事件的程序流程如下圖所示:

圖 5 響應按鈕事件的程序流程圖

3.3.3 演示過程

圖6 主操作界面

4 結(jié)論及展望

筆者深入研究了VRML與Java的連接機制,以EA I實現(xiàn)了兩種語言的結(jié)合,利用 Java實現(xiàn)了三維場景中虛擬導航功能。文中最優(yōu)路徑漫游實現(xiàn),對礦山各系統(tǒng)中的應急救援、運輸系統(tǒng)的成本節(jié)省、從業(yè)人員的安全培訓和教育等有一定的使用價值。

本文中的最優(yōu)路徑漫游,與 GIS結(jié)合,并加入更多的實時條件,在復雜的多個條件下處理事故和模擬事故的發(fā)生機理、過程、后果進行實時模擬將大大提高其實用性。同時,Internet的快速發(fā)展及各種新技術(shù)的開發(fā),VRML與 Internet環(huán)境下計算機協(xié)同工作的結(jié)合將是一個重要的發(fā)展研究方向。

REFERENCES

[1] 金龍哲,宋存義.安全科學與原理.化學工業(yè)出版社.2004,4: 15.

[2] 熊靜,周定康.Internet環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實技術(shù) -VRML.計算機與現(xiàn)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

貴州省科技廳重大專項計劃項目 (黔科合重大專項字[2008]6012)

廖文濤(1981-),男,漢族,貴州畢節(jié)人,昆明理工大學安全技術(shù)及工程專業(yè)畢業(yè),碩士研究生,研究方向為礦山安全技術(shù),E-mail:945968416@qq.com。