胡 瓊，張貴萍，呂 彤

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083）

隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，資源緊缺的問(wèn)題日益明顯，探索深海及其蘊(yùn)育著的豐富資源是當(dāng)下的發(fā)展方向之一［1－3］。關(guān)于勘探和開(kāi)采海洋礦產(chǎn)資源，世界各國(guó)的研究和探索都在不斷深入和推進(jìn)。由于深海作業(yè)環(huán)境為高壓、強(qiáng)擾動(dòng)、無(wú)自然光的惡劣環(huán)境［4］，兼之因海底集礦機(jī)行走而攪起的稀軟底質(zhì)使得集礦機(jī)周圍環(huán)境渾濁難以觀察。為了更便捷、直觀地監(jiān)測(cè)海底集礦機(jī)的作業(yè)狀況，本文基于Visual C ＋＋和視景仿真工具Vega Prime 對(duì)深海采礦系統(tǒng)進(jìn)行可視化仿真。

1 深海采礦視景仿真系統(tǒng)功能要求

常見(jiàn)的深海采礦系統(tǒng)主要包括集礦機(jī)、輸送軟管、中間艙、揚(yáng)礦硬管和采礦船5 個(gè)部分［5］，如圖l 所示。深海集礦機(jī)在稀軟底質(zhì)上按照特定的軌跡行走，并從海底沉積物中采集金屬礦物結(jié)核，處理后將其通過(guò)輸送軟管輸送到中間艙，然后通過(guò)提升泵將結(jié)核經(jīng)由揚(yáng)礦硬管輸送至海面采礦船，完成深海礦物開(kāi)采工作。

圖1 深海采礦系統(tǒng)示意

試驗(yàn)時(shí)，采礦船將深海采礦系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)載至試驗(yàn)區(qū)，然后將采礦設(shè)備沉入海底并開(kāi)始作業(yè)［6］。由于集礦機(jī)作業(yè)時(shí)周圍黑暗渾濁，難以直接觀察其行走的位置和狀態(tài)。因此，如果能對(duì)深海集礦機(jī)的行走過(guò)程進(jìn)行可視化仿真，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集礦機(jī)的行走位置，就可以確保出現(xiàn)意外狀況時(shí)能及時(shí)采取相應(yīng)的措施，保障采礦作業(yè)順利完成。本文針對(duì)集礦機(jī)行走過(guò)程中不能直接觀察這一問(wèn)題，采用Visual C＋＋2008 和Vega Prime來(lái)實(shí)現(xiàn)集礦機(jī)行走過(guò)程的可視化仿真。

要實(shí)現(xiàn)集礦機(jī)行走過(guò)程的可視化，需要做到如下幾個(gè)方面：

1）用Creator 構(gòu)建虛擬場(chǎng)景。包括地形生成、采礦系統(tǒng)模型創(chuàng)建以及水下環(huán)境的渲染。

2）在Vega Prime 中驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景。通過(guò)LynX 圖形界面配置相關(guān)參數(shù)，加載三維模型實(shí)現(xiàn)整個(gè)虛擬場(chǎng)景的渲染及顯示。

3）通過(guò)基于MFC 框架的Vega Prime 程序?qū)崟r(shí)顯示集礦機(jī)的位置。在程序運(yùn)行時(shí)，固定加載含有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的文件，傳至驅(qū)動(dòng)控制模塊實(shí)時(shí)顯示集礦機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)路徑。

4）集礦機(jī)行走軌跡繪制。在Vega Prime 主線程開(kāi)啟后，同時(shí)開(kāi)啟了DRAW 線程，在該線程中，使用OpenGL 繪制集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)路線圖。

2 三維虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建

本文所構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景主要基于海底，將不可見(jiàn)的深海環(huán)境以及在其中工作的采礦系統(tǒng)顯示在用戶界面。構(gòu)建虛擬場(chǎng)景可分為以下3 個(gè)部分：①真實(shí)地形生成與顯示；②采礦系統(tǒng)的三維實(shí)體建模；③水下自然環(huán)境的模擬。

2.1 海底地形生成

地形生成［7］是視景仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中基礎(chǔ)但卻必不可少的一步。三維地形建模包含高程信息的數(shù)據(jù)文件與真實(shí)的地形照片，對(duì)前者進(jìn)行網(wǎng)格化處理和內(nèi)插計(jì)算，生成虛擬三維地形；對(duì)后者進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像處理，然后作為地貌紋理貼在虛擬三維地形曲面上，使得生成的模擬地形具有逼真性。對(duì)于大規(guī)模地形的模擬，常采用LOD（Level of Details）技術(shù)，根據(jù)視點(diǎn)和模型的距離來(lái)改變模型的細(xì)致程度。當(dāng)視點(diǎn)距離模型較近時(shí)，模型細(xì)節(jié)更多，相對(duì)地真實(shí)感更好；當(dāng)視點(diǎn)距離模型較遠(yuǎn)，則簡(jiǎn)化模型，在不影響實(shí)際效果的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源，提高運(yùn)行效率。虛擬三維地形建模的詳細(xì)流程如圖2 所示。

圖2 地形生成流程

Terra Vista 地形建模軟件［8］在不影響三維地形逼真度的基礎(chǔ)上提高地形建模速度方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。采用Terra Vista 生成地形需要獲取地形DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)以及文化特征數(shù)據(jù)等源數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為Terra Vista 支持的格式。其中，DEM 數(shù)據(jù)通過(guò)地形轉(zhuǎn)換算法生成三維地形的三角網(wǎng)模型，如圖3 所示。

圖3 海底地形三角網(wǎng)模型

然后獲取帶有地理位置信息的遙感影像數(shù)據(jù)，映射生成較為形象的三維地形模型，如圖4 所示。

圖4 虛擬三維地形模型

2.2 采礦系統(tǒng)三維建模

使用Vega prime 軟件進(jìn)行視景仿真，首先要建立采礦系統(tǒng)的三維實(shí)體模型。作為專門應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真領(lǐng)域的三維建模軟件，Multigen Creator［9］功能強(qiáng)大、操作便捷，且能有效解決視景仿真中真實(shí)感、準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。針對(duì)實(shí)時(shí)視景仿真的特殊要求，Creator 獨(dú)創(chuàng)的一種數(shù)據(jù)格式Open Flight 應(yīng)運(yùn)而生，該數(shù)據(jù)格式能夠以足夠的精度和效率對(duì)三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，并生成所需要的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫(kù)［10］。

本文按照模型與實(shí)物1 ∶1的比例，將SolidWorks中建立的三維模型導(dǎo)入Creator。在模型建立中使用Creator 的節(jié)點(diǎn)式分層結(jié)構(gòu)對(duì)集礦機(jī)履帶貼圖，使集礦機(jī)的模型更為逼真。其中，集礦機(jī)的建模流程及添加特征紋理后的模型如圖5 和圖6 所示。

圖5 建模流程

圖6 集礦機(jī)模型

2.3 自然環(huán)境的模擬

虛擬環(huán)境中自然環(huán)境的模擬仿真包括天空、大氣、光照等等，這些可以通過(guò)LynX Prime 圖形界面進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置來(lái)滿足試驗(yàn)需要的環(huán)境特征。由于本文研究的是海底環(huán)境的試驗(yàn)，還需要對(duì)海洋水下環(huán)境進(jìn)行模擬仿真。海洋環(huán)境的模擬又分為海面環(huán)境和海底環(huán)境。

采用Vega Prime 的海洋模塊，調(diào)節(jié)參數(shù)生成如圖7 所示的海面環(huán)境。

圖7 海面環(huán)境的仿真效果

采礦系統(tǒng)在海底工作，需要為海底環(huán)境建模。海底環(huán)境的建模較為特殊，需要運(yùn)用Vega Prime 中的特效模塊進(jìn)行設(shè)置調(diào)節(jié)環(huán)境亮度和透明度，再利用霧化功能模塊在此區(qū)域范圍內(nèi)添加適當(dāng)?shù)乃{(lán)色霧，模擬水下的渾濁，效果如圖8 所示。

圖8 海底環(huán)境的特效處理

3 Vega Prime 二次開(kāi)發(fā)及視景仿真模型驅(qū)動(dòng)

3.1 基于VC＋＋的可視化程序設(shè)計(jì)

使用Vega Prime 軟件開(kāi)發(fā)視景仿真項(xiàng)目，有多種開(kāi)發(fā)模式：一是運(yùn)用LynX Prime 圖形界面直接配置場(chǎng)景，用于開(kāi)發(fā)一些小型、互動(dòng)性不高的項(xiàng)目；二是運(yùn)用Vega Prime 的API 函數(shù)開(kāi)發(fā)一些較為復(fù)雜、交互性較高的項(xiàng)目。本文在開(kāi)發(fā)過(guò)程中結(jié)合了兩種模式，先通過(guò)LynX Prime 圖形界面配置ACF（由LynX Prime界面創(chuàng)建的文件的擴(kuò)展名）文件，再以Microsoft Visual Studio 作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C＋＋編程，調(diào)用Vega Prime 的接口函數(shù)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景，既可以減少源代碼的編寫(xiě)，又可以在一些交互性較高的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能［11］。

用VC 來(lái)開(kāi)發(fā)Vega Prime 視景仿真系統(tǒng)，常采用多線程應(yīng)用程序編程［12］。 線程可分為UI（User Interface）線程和工作線程［13］，其中，UI 線程具有消息循環(huán)功能，用來(lái)響應(yīng)用戶事件。而工作線程里通常加入Vega Prime 的主線程，來(lái)負(fù)責(zé)運(yùn)行Vega Prime 的整個(gè)程序流程，流程圖如圖9 所示。

圖9 Vega Prime 仿真程序流程

每個(gè)部分的功能如下：

1）初始化（initialize），主要對(duì)Vega Prime 的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，主要包括渲染庫(kù)、場(chǎng)景圖、模塊接口等。

2）定義（define），典型的VP 應(yīng)用框架通過(guò)vpApp類來(lái)定義，該類內(nèi)嵌了定義ACF 文件、配置仿真類、仿真主循環(huán)、更新以及退出程序。一般來(lái)說(shuō)，用戶可以從vpApp 類來(lái)創(chuàng)建自己所需要的類。

3）配置（configure），在定義階段設(shè)置的值需要在該步驟中進(jìn)行配置，比如多線程模式、線程的優(yōu)先級(jí)等。

4）運(yùn)行（run），幀循環(huán)在該函數(shù)中運(yùn)行，并且持續(xù)調(diào)用begin Frame（）和end Frame（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真循環(huán)。

5）更新（update），通過(guò)在仿真循環(huán)中執(zhí)行update（）函數(shù)，并且調(diào)用vpApp 對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)更新。

6）關(guān)閉（shut down），用于清除并退出Vega Prime系統(tǒng)，調(diào)用各個(gè)模塊的關(guān)閉函數(shù)來(lái)清除申請(qǐng)的內(nèi)存空間，終止線程。

以上Vega Prime 的整個(gè)工作流程，對(duì)應(yīng)著Vega Prime 的最小結(jié)構(gòu)框架，配合ACF 文件配置可以實(shí)現(xiàn)在深海采礦虛擬場(chǎng)景中漫游。

3.2 集礦機(jī)行走的實(shí)時(shí)控制

深海采礦試驗(yàn)時(shí)，集礦機(jī)在海底行走，其位置和姿態(tài)一直處于實(shí)時(shí)變化的狀態(tài)。在Vega Prime 的可視化場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)，有兩種方式，一是LynX Prime 圖形界面的路徑工具Path Tool，采用這種方式定義集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑，操作靈活便捷，但必須預(yù)先定義運(yùn)動(dòng)路徑，不能滿足深海采礦過(guò)程中獲取實(shí)時(shí)變化的集礦機(jī)位置和姿態(tài)的需求。因此本文采用第二種方式，利用Vega Prime 提供的API 函數(shù)，讀取傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制集礦機(jī)在虛擬場(chǎng)景中的位置和姿態(tài)。

3.3 集礦機(jī)行走的軌跡繪制

很多三維圖形應(yīng)用程序，包括本文應(yīng)用的Vega Prime 軟件的底層接口均是基于OpenGL。OpenGL 本質(zhì)上是一種三維圖形系統(tǒng)與硬件的接口。因此本文應(yīng)用OpenGL 來(lái)繪制集礦機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

Vega Prime 中OpenGL 的繪圖實(shí)現(xiàn)是基于事件訂閱公布的機(jī)制，核心是系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)。Vega Prime 中是采用事件觸發(fā)方式，一個(gè)事件的回調(diào)函數(shù)會(huì)在事件觸發(fā)時(shí)被自動(dòng)執(zhí)行［14］。在Vega Prime 的場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染中，首先在幀循環(huán)中定義一個(gè)窗口，然后在該窗口中繪制圖像［15］。

本文在使用OpenGL 實(shí)現(xiàn)集礦機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)繪制過(guò)程中，由于Vega Prime 調(diào)用OpenGL 函數(shù)都是在通道中進(jìn)行的，而通道中幀循環(huán)每幀都在重畫(huà)。所以對(duì)于集礦機(jī)行走過(guò)的所有點(diǎn)，需要將其存儲(chǔ)在一個(gè)鏈表中，每一幀都將存儲(chǔ)的所有點(diǎn)重新繪制。最后繪制的效果圖如圖10 所示。

圖10 集礦機(jī)行走軌跡

4 應(yīng)用實(shí)例

深海采礦系統(tǒng)本身復(fù)雜而龐大，對(duì)未知的海底進(jìn)行資源勘探和開(kāi)采往往都充滿了不確定性，本文設(shè)計(jì)的視景仿真系統(tǒng)是海上試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，采礦時(shí)，集礦機(jī)、軟管的浮力裝置以及各個(gè)連接處放置傳感器，將傳感器采集的參數(shù)傳輸至海面工作站，再通過(guò)本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的視景仿真系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行三維可視化處理，為深海采礦整體系統(tǒng)的工作提供科學(xué)、實(shí)時(shí)、逼真的顯示，幫助海面工作人員分析、判斷深海采礦作業(yè)系統(tǒng)的工作現(xiàn)狀以作出準(zhǔn)確的決策。

5 結(jié) 論

應(yīng)用Vega Prime 和MultiGen Creator 視景仿真軟件，建立了包括采礦系統(tǒng)、海洋環(huán)境以及地形在內(nèi)的虛擬場(chǎng)景。基于MFC 框架的Vega Prime 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)深海集礦機(jī)的行走可視化仿真，實(shí)時(shí)讀取外部的位置數(shù)據(jù)控制集礦機(jī)的行走路徑，逼真、精確地顯示了集礦機(jī)在海底的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)。并將OpenGL 圖形庫(kù)應(yīng)用于Vega Prime 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在程序運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制集礦機(jī)的行走軌跡圖，直觀地監(jiān)測(cè)深海集礦機(jī)的行走路徑，為采礦系統(tǒng)的水面操控提供更加科學(xué)而直觀的指導(dǎo)。