王輝,陳慶發(fā),甘泉,肖體群

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西高校礦物工程重點(diǎn)實驗室,廣西 南寧 530004;3.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司,廣西 崇左市 532315)

0 引言

地下礦山開采中,由于采礦工程布置復(fù)雜且無法直接看到,只依靠傳統(tǒng)的三視圖法使人難以快速全面地了解各井巷等工程結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系,也難以理解采礦工藝流程[1]。

三維動畫作為現(xiàn)代數(shù)字媒體的重要分支形式之一,在傳媒娛樂、建筑工程、設(shè)計制造、文化教育等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。在礦業(yè)領(lǐng)域中,由于三維動畫能夠很好地幫助建立三維空間和時序概念,因此在安全培訓(xùn)[3]、設(shè)備演示[4]、學(xué)科教學(xué)[5]等方面得到廣泛應(yīng)用。其中,運(yùn)用三維動畫能夠生動形象地展示采礦工程結(jié)構(gòu)和工藝流程,解決理解上的困難。在信息化、數(shù)字化時代下,采礦工藝三維動畫將是礦業(yè)向高科技進(jìn)步發(fā)展的潮流。

本文基于3ds Max三維動畫設(shè)計軟件,根據(jù)大新錳礦中部采區(qū)標(biāo)準(zhǔn)礦房單體設(shè)計圖和采礦工藝流程,構(gòu)建炮孔、礦房、礦堆等三維模型,并設(shè)計制作分段鑿巖階段礦房法三維動畫,提出一些建模和動畫制作技巧,為采礦工藝三維動畫制作提供借鑒。

1 采礦工藝簡介

大新錳礦中部采區(qū)為急傾斜(傾角75°)中厚礦體,礦體自上而下依次形成Ⅰ礦層、夾層Ⅰ、Ⅱ礦層、夾層Ⅱ、Ⅲ礦層,由于夾二、夾一厚度較小,故采用中深孔分段鑿巖階段礦房采礦法開采。圖1為急傾斜礦體標(biāo)準(zhǔn)礦房單體設(shè)計圖。

圖1 急傾斜礦體標(biāo)準(zhǔn)礦房單體設(shè)計(單位:m)

采礦工藝闡述如下。

(1)劃分好礦塊后,在各階段運(yùn)輸巷道垂直礦體掘進(jìn)穿脈,完成開拓工作。

(2)利用反井鉆機(jī)在礦塊兩側(cè)開鑿主天井,在主天井中間掘進(jìn)上中下層鑿巖道,掘進(jìn)探礦巷與切割橫巷。根據(jù)下層鑿巖道揭露情況掘進(jìn)電耙道、短溜井,安裝振動放礦機(jī),開辟漏斗,使下層鑿巖道與電耙道貫通。在各分段鑿進(jìn)切割天井,采用垂直深孔拉槽法,在分段鑿巖道和切割橫巷中向上打扇形中深孔,以切割天井為自由面進(jìn)行爆破,爆破出礦后在礦房的全高形成垂直切割槽,完成采準(zhǔn)切割工作。

(3)回采工藝:在分段鑿巖平巷內(nèi),采用YGZ 90鑿巖機(jī)鉆鑿上向扇形中深孔,孔徑為90 mm,排距為1.7 m,孔底距為1.7 m。硝銨炸藥采用BQ 100裝藥器裝藥,導(dǎo)爆管雷管起爆,每次爆破4～6排孔。自上而下,單側(cè)推進(jìn),上分段超前下分段1～2個爆破步距。

(4)出礦方式:采用30 k W 電耙將礦石耙至溜井中,在裝礦平巷用振動放礦機(jī)裝車。每次爆破后,放出一次爆破量的70%左右,其余礦石暫留采場內(nèi)支撐采空區(qū),并確保下次爆破有足夠的補(bǔ)償空間。

2 三維模型構(gòu)建

2.1 礦房三維模型

礦房三維模型構(gòu)建采用拆分組合的方法。根據(jù)圖1和采礦工藝流程,依次拆分為礦塊、階段運(yùn)輸巷道、穿脈、人行天井、鑿巖道、探礦巷、切割橫巷、電耙道、放礦溜井、放礦漏斗、切割天井,并按照設(shè)計圖中的形狀、尺寸和空間位置關(guān)系,利用3ds Max的三維建模功能構(gòu)建出各部分三維模型,最后以礦塊為主體將各部分進(jìn)行組合?；夭汕暗牡V房三維模型如圖2所示。

圖2 礦房三維模型

2.2 其他輔助模型

除了基本的礦房三維模型外,為了保證采礦工藝動畫的完整性,還需要制作炮孔、礦堆、電耙、礦車三維模型,用以輔助制作回采動畫和出礦動畫。

2.2.1 炮孔三維模型

炮孔使用3ds Max中的圓柱體進(jìn)行示意,先按照孔底距1.7 m 布置單排垂直扇形中深孔,如圖3所示,并將單排炮孔模型成組。然后按排距1.7 m復(fù)制炮孔模型組,得到多排炮孔,后續(xù)可對需要調(diào)整布置方式的炮孔排進(jìn)行解組后,作適當(dāng)修改即可。

圖3 炮孔三維模型

2.2.2 礦堆三維模型

礦堆有兩種模型示意方式。

(1)使用3ds Max插件將模型進(jìn)行隨機(jī)破碎,得到大量不規(guī)則碎塊,選中所有碎塊,在MAXScript偵聽器中輸入并運(yùn)行腳本(見圖4),對碎塊批量縮放和隨機(jī)旋轉(zhuǎn),最后賦予其符合礦堆的材質(zhì)貼圖,得到如圖5所示的礦堆三維模型。這種方式雖然能很好地模擬礦堆,但會大量占用電腦內(nèi)存,影響運(yùn)行速度,設(shè)備條件一般的情況下不適合大規(guī)模制作礦堆,所以該方式通常只用來表示漏斗處的礦堆。

圖4 批量縮放和隨機(jī)旋轉(zhuǎn)腳本

圖5 漏斗處礦堆三維模型

(2)根據(jù)礦堆基本外形制作好單個模型后,直接設(shè)置材質(zhì)貼圖,再利用貼圖縮放器調(diào)整紋理比例,設(shè)置調(diào)整適當(dāng)?shù)那闆r下也能較好地模擬礦堆,如圖6所示。

圖6 鑿巖道處礦堆三維模型

2.2.3 電耙與礦車三維模型

電耙道中采用單面篦形耙斗耙運(yùn)堅硬礦石[6],并安裝滑輪和鋼繩,利用3ds Max構(gòu)建電耙模型,如圖7所示。電耙耙運(yùn)的礦石經(jīng)放礦溜井裝入側(cè)卸式礦車,由電機(jī)車牽引礦車運(yùn)輸?shù)V石,每臺電機(jī)車牽引10輛側(cè)卸式礦車,利用3ds Max構(gòu)建礦車模型,如圖8所示。

圖7 電耙模型

圖8 側(cè)卸式礦車模型

3 采礦工藝三維動畫技術(shù)

3ds Max 采用創(chuàng)建關(guān)鍵幀的方法制作三維動畫,該方法具有強(qiáng)大的動畫制作系統(tǒng),能夠滿足絕大部分采礦動畫的設(shè)計需求。在研究制作分段鑿巖階段礦房法三維動畫的過程中,運(yùn)用了多種三維動畫技術(shù),用以表現(xiàn)采礦工藝過程。

3.1 生長動畫

穿脈、人行天井、鑿巖道、電耙道等長條型模型的鑿進(jìn)切割過程可使用生長動畫來模擬,針對這類模型,適合使用切片修改器來實現(xiàn)生長動畫,十分簡便。切片修改器為模型設(shè)置切片平面,可隱藏平面一側(cè)的模型。通過移動切片平面并設(shè)置關(guān)鍵幀,可以快速制作模型的生長動畫。

3.2 消隱與顯現(xiàn)動畫

針對需要加快節(jié)奏、簡化過程以及反映瞬時變化的一些工藝過程,如大量鉆鑿炮孔和裝藥、爆破時切割天井和切割橫巷的消失與變化、礦堆的生成等,可采用消隱與顯現(xiàn)動畫來表現(xiàn)。消隱與顯現(xiàn)動畫是通過改變模型的可見性參數(shù)并設(shè)置關(guān)鍵幀的方式來實現(xiàn),在模型的屬性對話框中可找到模型的可見性參數(shù)。可見性參數(shù)默認(rèn)為1,數(shù)值越小,模型透明度越高,數(shù)值為0時模型將不可見。

3.3 粒子系統(tǒng)動畫

3ds Max中的粒子系統(tǒng)可以通過控制密集對象群的運(yùn)動來模擬雨、雪、煙霧等動畫效果[7],因此可以用來制作礦石堆經(jīng)過放礦溜井、滾落裝入礦車的動畫過程。3ds Max包含7種粒子,可選用“超級噴射”粒子,制作方法如下。

(1)在放礦溜井與電耙道連通處創(chuàng)建粒子發(fā)射器,使其發(fā)射朝向為下。

(2)修改粒子分布、類型、大小、數(shù)量和生成時間等粒子發(fā)射器參數(shù)。

(3)在粒子類型中選擇實例幾何體,并拾取單個礦塊作為粒子實例。

(4)創(chuàng)建礦石滾落路徑,創(chuàng)建路徑跟隨對象,在路徑跟隨對象基本參數(shù)中拾取礦石滾落路徑,并設(shè)置運(yùn)動計時,使發(fā)射器噴射的粒子在規(guī)定時間內(nèi)沿著路徑運(yùn)動。

制作的溜井放礦裝礦動畫效果如圖9所示。

圖9 溜井放礦裝礦動畫

3.4 路徑變形動畫

使用“路徑變形(WSM)”修改器可以根據(jù)圖形、樣條線或NURBS曲線路徑來使對象變形,并限制對象的移動路徑,可用于制作礦車沿軌道行駛動畫。將整列礦車合并為一個模型,為模型添加路徑變形修改器,并在修改器參數(shù)中拾取軌道路徑,調(diào)整參數(shù),完成路徑變形綁定。由于整列礦車是由電機(jī)車頭和多輛側(cè)卸式礦車以鎖鏈的形式連接成為的長條形模型,在其經(jīng)過一般彎曲軌道時,利用路徑變形修改器能較好地反映整列礦車的運(yùn)動形態(tài)(見圖10),不會出現(xiàn)礦車嚴(yán)重變形。

圖10 礦車沿軌道行駛

3.5 目標(biāo)攝影機(jī)動畫

為了能更好地展示采礦工藝三維動畫,可以在3ds Max中創(chuàng)建目標(biāo)攝影機(jī),根據(jù)采礦工藝動畫時序,設(shè)計攝影機(jī)和目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡,并設(shè)置運(yùn)動關(guān)鍵幀。在攝影機(jī)視圖下,能跟隨目標(biāo)攝影機(jī)的鏡頭動態(tài)瀏覽三維動畫,加深觀看人員對采礦工藝動畫流程的印象。

4 渲染輸出與剪輯合成

在制作好各部分三維動畫后,為得到真實的燈光照明效果,可采用VRay渲染器將攝影機(jī)鏡頭下的三維動畫一幀一幀地渲染輸出成序列圖片,方便后期制作成采礦工藝三維動畫視頻。在正式渲染輸出前,應(yīng)預(yù)覽渲染效果,調(diào)整環(huán)境、燈光、材質(zhì)以及渲染參數(shù)的設(shè)置,確保輸出效果圖清晰美觀。

渲染輸出的序列圖片以jpg的格式保存在一個文件夾中,并導(dǎo)入到Adobe Premiere Pro視頻編輯軟件中。在導(dǎo)入時,勾選“圖像序列”選項,即可將這些連續(xù)的圖像文件以視頻動畫的方式導(dǎo)入到項目面板中。在Adobe Premiere Pro軟件中,利用剪輯工具對導(dǎo)入的動畫進(jìn)行剪輯,添加字幕、音頻、轉(zhuǎn)場等,同時根據(jù)需要還可以補(bǔ)充制作文字說明動畫和爆破特效,最后將剪輯合成后的視頻導(dǎo)出。

5 結(jié)論

(1)利用3ds Max構(gòu)建了礦房及炮孔、礦堆等三維模型,運(yùn)用生長動畫、消隱與顯現(xiàn)動畫、粒子系統(tǒng)動畫等三維動畫技術(shù)表現(xiàn)采礦工藝流程,通過VRay渲染器的渲染輸出和Adobe Premiere Pro軟件的剪輯合成,完成采礦工藝三維動畫視頻制作。

(2)該成果能夠很好地幫助用戶建立采礦三維空間和時序概念,并快速熟悉采礦工藝流程,大大提高了教學(xué)效率和效果。

(3)在今后礦業(yè)發(fā)展中,采礦三維動畫仍是數(shù)字礦山、采礦教學(xué)、安全培訓(xùn)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并在逐漸突破技術(shù)障礙并占據(jù)著越來越重要的地位。