孫　冉

(安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232000)

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數(shù)字礦山巷道三維可視化模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)

孫冉

(安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院,安徽 淮南 232000)

摘要：采用Visual C#和DirectX結(jié)合的方式對(duì)巷道進(jìn)行三維可視化模擬。工礦企業(yè)的礦井中，無論是正在運(yùn)轉(zhuǎn)的礦井還是已經(jīng)報(bào)廢的礦井都留存大量的礦圖，并且這些礦圖主要以ACAD的DWG文件形式留存。DXF是ACAD數(shù)據(jù)交換文件格式，通過讀取DXF文件中BLOCK以及ENTITIES中的LINE和LWPOLYLINE數(shù)據(jù)，為巷道三維可視化模擬提供具體的位置信息。以直壁圓拱巷道為例，探討巷道截面數(shù)據(jù)的組織、單條巷道的生成、巷道連接處的處理、多條巷道的生成等問題。最后涉及到巷道可視化顯示的具體問題，如光照、顏色渲染、旋轉(zhuǎn)、縮放等。

關(guān)鍵詞：數(shù)字礦山;DirectX;Visual C#;巷道;三維可視化

三維巷道可視化的研究在我國也有近十年的歷史，相比較外國而言，我國起步較晚，目前取得的成果也不太多。利用一些已有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩條巷道的首尾相接時(shí)，并不能實(shí)現(xiàn)全方位的三維顯示，僅能實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)都在同一平面上的巷道連接，同時(shí)，有些巷道拓?fù)潢P(guān)系的組織也僅限于平面上。本文主要就巷道的三維可視化的實(shí)現(xiàn)展開，涉及空間巷道的生成、巷道連接處的處理等問題。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)從礦圖中提取導(dǎo)線點(diǎn)的空間坐標(biāo)，還需要對(duì)AutoCAD的繪圖交換文件DXF進(jìn)行讀取，本文僅就DXF文件中的BLOCK以及ENTITIES中的LINE和LWPOLYLINE進(jìn)行讀取。巷道有不同種類，其截面也不同，本文統(tǒng)一采用直壁圓拱巷道，巷道連接處的處理僅以部分連接方式為例，如巷道的轉(zhuǎn)彎、巷道交岔點(diǎn)中的牛鼻子交岔點(diǎn)和穿尖交岔點(diǎn)。

1原有礦圖基本介紹

1.1　礦圖概況

日常接觸到的礦圖一般都是二維的，這些礦圖復(fù)雜晦澀，沒有專業(yè)背景的人很難看懂。而大多數(shù)工礦企業(yè)的礦圖也大多以ACAD的DWG文件形式留存。通過提取礦圖中的信息，同時(shí)借助三維巷道可視化模擬，以此讓礦圖的用戶對(duì)礦井的三維結(jié)構(gòu)有一個(gè)初步的了解。

一個(gè)生產(chǎn)礦井必須具備的基本圖件有兩大類：一類主要反映礦井范圍內(nèi)礦體與圍巖產(chǎn)狀，地質(zhì)與水文地質(zhì)情況以及礦產(chǎn)質(zhì)量狀況的礦井地質(zhì)圖；另一類是根據(jù)地面、井下測量資料填繪而成的礦山測量圖，簡稱礦圖。礦圖按圖的用途不同可以分為基本礦圖和專用礦圖。

1.2　原有礦圖圖形

礦山中最重要的圖件有采掘工程圖、主要巷道平面圖、井底車場平面圖、井上井下對(duì)照圖等。本文主要利用數(shù)字化的采掘工程平面圖，如圖1所示。

圖1　某礦的采掘工程平面

2巷道三維建模

2.1　巷道截面模擬

圓弧上點(diǎn)的坐標(biāo)：

(1)

直壁底端的兩個(gè)點(diǎn)分別為：

(2)

圖2　巷道截面形狀

圖3　單條巷道的繪制

2.2　單個(gè)巷道的生成

單條巷道的繪制是繪制其他一些組合式巷道的基礎(chǔ)，在具體介紹直壁圓拱巷道截面生成的基礎(chǔ)上，介紹如何去生成一條完整的巷道。

DirectX中物體生成所需要的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)以及為提高頂點(diǎn)的利用率所需要的頂點(diǎn)索引。圖4和圖5分別為巷道外表面沿直壁與巷道弧交線展開后的平面網(wǎng)格圖，圖4所示為組成巷道的頂點(diǎn)網(wǎng)格，橫向?yàn)橄锏赖难由旆较?，有h+1個(gè)頂點(diǎn)，縱向?yàn)橄锏赖慕孛娣较?，有m+2個(gè)頂點(diǎn)，總共有(h+1)×(m+2)個(gè)頂點(diǎn)。

圖4　巷道的頂點(diǎn)網(wǎng)格

圖5所示為巷道的索引網(wǎng)格，每個(gè)小方格由6個(gè)索引數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，橫向是巷道的延伸方向，有h個(gè)索引數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱向?yàn)橄锏赖慕孛娣较?，有m+3個(gè)索引數(shù)據(jù)點(diǎn)，總共有6×(m+2)×h個(gè)索引數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5　巷道的索引網(wǎng)格

下面以一個(gè)小方格為例，說明其頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和索引數(shù)據(jù)的關(guān)系。圖6顯示的是巷道頂點(diǎn)網(wǎng)格第一行第一列，其4個(gè)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)號(hào)分別為0、1、h+1、h+2，頂點(diǎn)分別為vertices[0]、vertices[1]、vertices[h+1]、vertices[h+2]，這里的vertices都是具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)。

圖6　三角面片中頂點(diǎn)的編號(hào)

圖7所示為巷道的索引網(wǎng)格中第一行第一列的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都由6個(gè)索引點(diǎn)組成，分別為index[0]、index[1]、index[2]、index[3]、index[4]、index[5]。

圖7　三角面片中索引的編號(hào)

本文采用DirectX中的PrimitiveType.TriangleList來組織圖形，建立TriangleList的過程中會(huì)出現(xiàn)很多重復(fù)的頂點(diǎn)，為了提高頂點(diǎn)的利用率，同時(shí)提高圖形的顯示效率，就要建立頂點(diǎn)數(shù)據(jù)與索引數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

(3)

式(3)的左側(cè)為索引數(shù)據(jù)，右側(cè)為頂點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的編號(hào)。

3巷道的可視化

在從DXF數(shù)據(jù)中提取巷道的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，構(gòu)建巷道模型，完成單條巷道、連接處、多條巷道的繪制，為了實(shí)現(xiàn)巷道的逼真表達(dá)，還需要對(duì)巷道進(jìn)行可視化處理，如燈光的設(shè)置、顏色渲染等，一些基本的放大、縮小、全屏、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，以及響應(yīng)鼠標(biāo)和鍵盤的命令，如圖8所示。

圖8　巷道模型總體思路

3.1　燈光的設(shè)置

三維物體顯示的逼真性很大程度上取決于明暗效果的處理，明暗處理的前提在于處理各種燈光照在可見面上的效果，由于各種物體的光譜反射特性千差萬別，要想準(zhǔn)確模擬自然條件下的光照幾乎是不可能的。

DirectX中有三種類型的光源，他們分別為點(diǎn)光源、平行光和聚光燈。其中，平行光沒有位置屬性，聚光燈具有內(nèi)錐角度和外錐角度屬性，如圖9所示。

圖9　聚光燈的內(nèi)外錐角度

通過繪圖設(shè)備的device.light屬性來獲取和繪制燈光，RenderState.Ambient屬性設(shè)置環(huán)境色。本文采用聚光燈光源對(duì)巷道進(jìn)行處理。代碼如下：

//設(shè)置聚光燈

device.Lights[0].Type = LightType.Spot;

device.Lights[0].Diffuse = System.Drawing.Color.White;

device.Lights[0].Position = new Vector3(50.0f, 20.0f, 50.0f);

device.Lights[0].Direction = new Vector3(0.0f, -1.0f, 1.0f);

device.Lights[0].Range = 50.0f;

device.Lights[0].Attenuation1 = 0.1f;

device.Lights[0].OuterConeAngle = 45f;

device.Lights[0].Enabled = true; //打開燈光

3.2　顏色渲染

由于巷道采用的是“骨架”式設(shè)計(jì)，其紋理貼圖的效果也很理想。同時(shí)，為了使模型的顏色與背景中的顏色區(qū)分，采用最簡單的顏色渲染，給巷道骨架賦予一種顏色，使其具有較明顯的顏色對(duì)比，方便觀測巷道“骨架”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10　巷道顏色渲染效果

3.3　基本操作

為了能夠全方位地觀察巷道，一些基本操作是必不可少的，如放大、縮小、全屏、旋轉(zhuǎn)、平移等，并且這些操作都要借助鼠標(biāo)和鍵盤來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)其可視化界面如圖11所示。通過鍵盤實(shí)現(xiàn)放大、縮小、全屏、旋轉(zhuǎn)、平移等操作。

圖11　可視化界面設(shè)計(jì)

4結(jié)束語

Visual C#與DirectX的結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維巷道的可視化，在這過程中實(shí)現(xiàn)了空間中巷道的三維顯示，也摸索著去實(shí)現(xiàn)巷道交叉處的處理，通過查閱文獻(xiàn)以及自己的理解構(gòu)建巷道模型?？臻g上的建模難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平面上的建模，這也是導(dǎo)致巷道交岔處的處理不完善的主要原因。在實(shí)現(xiàn)帶有坡度的巷道的交岔處的處理時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，但可以實(shí)現(xiàn)單角度上的無縫連接。主巷道與岔道的連接中有牛鼻子交岔點(diǎn)和穿尖交岔點(diǎn)，二者在礦井中都有出現(xiàn)，只是牛鼻子交岔點(diǎn)的應(yīng)用更廣一些。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Design and development of 3D visualization module for mine roadway

SUN Ran

(College of Surveying and Mapping，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000,China)

Abstract：The three-dimensional visual simulation of roadway is carried out by Visual C# and DirectX. Mine industrial and mining enterprises in the coal mine, whether it is running or has scrapped, all retained many mine maps, most of which are mainly in DWG file from ACAD. The data format DXF is the main current CAD data exchange format. In this paper, the data of BLOCK and LINE and LWPOLYLINE data of ENTITIES in DXF file, can provide the position information for the 3D visualization of roadway. Taking the case of a straight wall round arch roadway, it studies the data organization of roadway cross section, and generates single roadway, roadway junction, and double roadway, etc. Finally, the visualization of the roadway is related to the specific problems, such as illumination, color rendering, rotation, scaling, etc.

Key words：digital mine; DirectX; Visual C#; roadway; 3D visualization

作者簡介：孫冉(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：大地測量學(xué)與測量工程.

收稿日期：2015-07-12

中圖分類號(hào)：TD912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2015)06-0010-05