徐劍坤， 楊乾龍， 楊乾霞

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

增強現(xiàn)實作為近年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)，由于解決了虛擬現(xiàn)實中硬件設(shè)備昂貴、三維建模繁瑣和數(shù)據(jù)量大等缺點，迅速的在醫(yī)療、制造與維修、娛樂、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。增強現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的教學媒體，以其自身強大的教學優(yōu)勢和潛力，逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在實踐教學廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用［1-3］。將增強現(xiàn)實技術(shù)運用到采礦工程實驗中來，這種技術(shù)會帶給我們嶄新的教育思維，提供新的實踐認知方法。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用

1.1 增強現(xiàn)實技術(shù)簡介

增強現(xiàn)實（Augment Reality，AR）技術(shù)起源于上世紀60年代美國軍方開發(fā)研究出來的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)。AR將真實環(huán)境與虛擬現(xiàn)實景象結(jié)合起來，運用虛擬物體或信息與真實環(huán)境進行結(jié)合并對景象加以增強或擴充，呈現(xiàn)給用戶一個感官效果真實的新環(huán)境，使用戶從感官上確信虛擬物體是其周圍真實環(huán)境的有機組成部分［4］。增強現(xiàn)實技術(shù)是對現(xiàn)實環(huán)境的一種補充和擴展，而不是對現(xiàn)實環(huán)境的取代［2］。AR顯著的3個特點是虛實結(jié)合，實時交互，三維注冊（配準），通過與現(xiàn)實環(huán)境的補充，將現(xiàn)實環(huán)境中一些不易或不能被感受的因素投影到現(xiàn)實環(huán)境中，增強用戶對于這些因素的感知。

1.2 增強現(xiàn)實技術(shù)在采礦工程的應(yīng)用需求

采礦工程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的學科，隨著煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，各大礦業(yè)集團對采礦人才的技術(shù)水平和實踐能力要求越來越高，實踐則是加深對理論理解和增強能力的重要手段［6］。然而在采礦實習中由于面臨著實驗室模擬與現(xiàn)場出入大、直觀認識不足，現(xiàn)場培訓成本高、周期長、危險因素多、對生產(chǎn)影響大、聯(lián)系實習地點較難、同學積極性不高等缺點，往往導致實習內(nèi)容和過程達不到要求。在現(xiàn)實的實驗教學環(huán)節(jié)，由于實驗室儀器組數(shù)受場地、經(jīng)費和利用率等問題的限制，同學眾多和師資配備不足等原因，同學們?nèi)狈﹀憻挋C會，對于一些實際操作很難了解，這就導致同學走出校門工作后，短時間內(nèi)對礦井環(huán)境很難適應(yīng)。

增強現(xiàn)實顯示技術(shù)具有平面投影不具有的優(yōu)點，不僅具有很好的沉浸感和交互感，還具有較強的立體感，能夠增強對礦井環(huán)境以及儀器使用的認知，深化同學對井下作業(yè)環(huán)境及工作流程的認識，把握礦井的整體狀況，減小教學實驗與現(xiàn)場工作的差距，增強學生對礦井下的適應(yīng)能力。

2 增強現(xiàn)實的實現(xiàn)方法

2.1 增強現(xiàn)實的顯示技術(shù)

增強現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計最基本的問題就是實現(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實世界的融合。顯示技術(shù)是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的基本技術(shù)之一。一般而言，可以把增強現(xiàn)實的顯示技術(shù)分為以下幾類：①頭盔顯示器顯示（Head-mounted display，HMD）;②投影式顯示（projection display）;③手持式顯示器顯示（Hand Held Display，HHD）;④普通顯示器顯示（Monitor-based Display）［7-12］。投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強的物體上，從而實現(xiàn)增強。一種是將增強信息直接投影對象表面，這種方法不需要戴眼睛。日本大學研究出的PARTNER增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以用于人員訓練［9］。另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機（Head-Mounted Projective Display，HMPD）來進行投影，系統(tǒng)根據(jù)使用者的視線方向?qū)⒃鰪娦畔⒅苯油队暗秸鎸嵤澜缰械膶ο笊?。美國伊利諾斯州立大學和密歇根州立大學的一些研究人員研究出一種 HMPD的原型系統(tǒng)［10］，該系統(tǒng)由一個戴在頭上的顯示器和一個雙面自反射屏幕組成的微型投影鏡頭，計算機生成虛擬物體通過投影鏡頭投影實現(xiàn)了虛擬物體與真實環(huán)境的重疊。

2.2 增強現(xiàn)實的注冊技術(shù)

注冊技術(shù)是增強顯示技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，注冊技術(shù)就是將虛擬物體與真實環(huán)境的對齊的過程。增強現(xiàn)實系統(tǒng)通過實時的檢測出真實場景的位置和方位角，計算機通過監(jiān)測信息確定所要添加虛擬物體的映射方位，并將這些信息實時、準確的融合到真實環(huán)境中。注冊可以分為動態(tài)注冊和靜態(tài)注冊。攝像機與真實環(huán)境相對運動的情況下確定兩者的相對位置的方法稱為動態(tài)注冊。靜態(tài)注冊是在攝像機與真實環(huán)境相對靜止的情況下確定兩者的相對位置。

3 增強現(xiàn)實在采礦工程實驗中的實現(xiàn)

采礦工程實驗室中有各種巷道模型，可以進行各種實驗，如錨桿力學性能測試、單體液壓支柱性能測試、巖層變形與位移測量等。在實際生產(chǎn)過程中，這些實驗往往是在巷道中進行的，然而實驗室中，巷道實驗平臺和相關(guān)測試實驗是相互獨立的。增強現(xiàn)實投影技術(shù)則利用投影儀將計算機模擬的實驗流程投影到巷道模型上，利用虛擬環(huán)境對現(xiàn)實的補充，將實驗與實際工作環(huán)境結(jié)合起來從而達到增強現(xiàn)實的目的，提高對實驗的認知水平，其基本思路如圖1所示。

圖1 增強現(xiàn)實實驗原理圖

4 以井巷認知及礦山壓力實測教學

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)在教學中的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，傳統(tǒng)的教學手段主要是板書，圖片，圖紙模型，但形式流于平面化，很難產(chǎn)生立體模型。多媒體技術(shù)改變了這種教學方法，配合幻燈片、音頻資料、視頻資料以及3D模型等，大大豐富教學內(nèi)容，生動直觀［13］。然而，這兩種教學方法仍然局限于平面基礎(chǔ)上的感知和認識，對學生的空間想象能力要求較高，同時，學生不能在教學中互動，教學效果，尤其是礦山認識與感知實踐教學方面的效果十分欠缺。“井巷認知及礦山壓力實測”是采礦工程實驗教學中的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學中，多媒體教學主要通過幻燈片、音頻資料及3D模型等進行講授［14］，實驗室教學主要以獨立的實驗室基礎(chǔ)操作為主，但是實驗效果有所欠缺，學生不能體會現(xiàn)實的作業(yè)流程。基于此特點，我們開發(fā)了用于“井巷認知及礦山壓力實測”教學的AR教學工具，作為AR技術(shù)應(yīng)用的實例。

4.1 井巷認知及礦山壓力實測教學系統(tǒng)的實現(xiàn)

井巷認知及礦山壓力實測教學系統(tǒng)的搭建通過虛擬增強現(xiàn)實的原理結(jié)合投影技術(shù)、計算機技術(shù)等、礦山壓力實驗技術(shù)等結(jié)合起來達到增強現(xiàn)實的目的，提高了對礦井下實驗的認知，其基本思路見圖2。本平臺包括實物模型、礦壓測試儀器、控制裝置、虛擬現(xiàn)實軟件、投影設(shè)備、計算機、攝像機等裝置。使用Maya和Virtools作為現(xiàn)代化礦井系統(tǒng)的開發(fā)軟件。Maya是目前世界上最為優(yōu)秀的三維動畫的制作軟件之一，它最早是由美國的Alias/Wavefront公司在1998年推出的三維制作軟件［15］。Virtools是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等［16］。在實驗室搭建巷道模型，在巷道周圍進行標定，通過攝像機對標定進行識別，然后通過計算機及投影裝置利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過三維立體投影等，將虛擬景象投影到巷道中，構(gòu)造出一種虛實結(jié)合的新環(huán)境，進而完成對增強現(xiàn)實巷道的構(gòu)造。通過在模擬巷道中的走動并伴隨著視覺、聽覺、觸覺等感受觀察到隨著采礦工序的一步步進行真實采礦過程，如巷道的向前推進，頂板的支護，采掘機的掘進，煤炭的運輸?shù)?，從而達到一種身臨其境的感覺，擴展對真實采礦環(huán)境的認識。在巷道模型中人可以進行井下漫游，對礦井進行認知，可以對巷道的整體布局有一個系統(tǒng)的認知，提升對井下整體布局的思想。井下漫游的同時，利用鉆孔多點位移計、頂板離層指示儀等實驗儀器進行礦井壓力實測實驗，將圍巖中實驗儀器的變化情況真實的展現(xiàn)在眼前，同時可以在巷道中利用虛擬軟件增強圍巖的變化，拓展學生的感知。

圖2 井巷認知及礦山壓力實測實訓教學平臺原因

4.2 實驗效果及分析

圖3為井巷認知及礦山壓力實測教學平臺的巷道模型，提供了動手測量的實訓平臺?？蛇M行頂板離層監(jiān)測、圍巖收斂測量、錨桿拉拔測試、錨桿變形測量、圍巖鉆孔成像等實踐教學與技能培訓。頂板離層監(jiān)測精度通過圖像監(jiān)測技術(shù)得以大大提升，實驗人員可以觀測到頂板離層的全部過程。

圖3 巷道支護模型

圖4、圖5為井巷認知及礦山壓力實測教學平臺虛實結(jié)合的操作效果，實驗者通過計算機進行礦井下漫游及礦山壓力試驗。通過巷道漫游系統(tǒng)可以了解巷道掌握巷道的整體布局，拓寬了學生的思維，在認知全局的基礎(chǔ)上，在設(shè)計時更好的考慮全局。

圖4 虛實結(jié)合漫游圖片

圖5 虛實結(jié)合操作效果圖

用這種方式進行教學，有助于學生直觀認知井巷布置，了解圍巖變化發(fā)生過程及規(guī)律。

5 結(jié)語

增強現(xiàn)實作為近年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)，為采礦工程實踐認知提供了新的方法，同時解決礦山生產(chǎn)認知多時空問題;由于采礦工業(yè)發(fā)展迅速，新的采礦技術(shù)不斷運用于生產(chǎn)實踐中采用該平臺，通過軟件編程等可以模擬新的開采工藝，實現(xiàn)與新技術(shù)同步，可以很好地彌補在教學實踐環(huán)節(jié)中由于采礦技術(shù)落后導致同學對新技術(shù)認識不足;將增強現(xiàn)實用于實驗教學，加深同學對實際工程問題的了解，促進實驗的開放。

AR技術(shù)應(yīng)用于采礦工程實驗教學僅是一個開端，還有很多的方面需要我們?nèi)ヅ?，增強現(xiàn)實技術(shù)在手持式設(shè)備中與采礦工程領(lǐng)域的結(jié)合將給礦井的救援帶來一次新的革命。

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