论岩石工程虚拟现实系统建立及应用范文

摘要:通过虚拟现实技术将某岩石工程建设过程中涉及的工程地质数据、巷道及空区数据、工程设备、数值分析数据、微震监测数据等大量三维数据可视化为三维模型，建立起带有数据库查询和交互控制功能的一套岩石工程虚拟现实系统，不仅方便用户理解三维数据间的关系，还拓宽了虚拟现实的应用领域。

关键词:岩石工程，虚拟现实，三维模型，交互控制

引言

虚拟现实技术是利用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。该技术集成了传感技术、显示技术、计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能技术的发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。目前，其应用己涉及宇航、安全培训、建筑设计、服装购买、军事、医疗、影视娱乐等领域，被专家学者们认为是可能促使社会发生巨大变化的几大关键技术之一。为了把握虚拟现实技术优势，美、英、日等国，政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发，并显示出良好的应用前景［1］。我国虚拟现实技术的研究起步于20世纪90年代初，科技部和国防科工委已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内众多机构都在进行虚拟现实的研究和应用，取得了一系列研究成果。本文利用虚拟现实技术构建出包括可表达工程地表起伏形态、地下岩层赋存状态、巷道及空区的空间分布及几何轮廓、工程机械工作状态的三维模型的岩石工程虚拟现实系统以模拟真实的岩石工程施工场景，此外还增加数据库查询、交互控制和可视化数值模拟结果、微震监测结果功能，使用户可以快速准确的了解整个岩石工程的基本情况。

1岩石工程三维模型的建立

1)岩层建模。利用地质勘查的资料作为岩层建模的基础数据。首先地质勘查钻孔按实地打孔位置准确排布在场景中，用线将同一岩层的边界相互连接，形成岩层剖面图，然后利用3Dmine的闭合线连接实体工程将剖面连成实体或曲面。2)井巷建模。利用3Dmine的闭合线连接实体，通过巷道形状和轴线可建立井巷模型［2，3］，井巷相互交叉的部分可利用布尔运算实现相互贯通的目的。3)空区建模。首先根据空区宽度及长度描绘空区轮廓，然后利用3Dsmax中的“挤出”命令，将轮廓线变成平面，再按照空区高度修改挤出高度，完成一个简单空区模型的建立。若想完全还原空区的真实形态，可以利用空区探测装置及软件来建立具有复杂空间形态的模型，再将所绘空区模型导入岩石工程虚拟现实场景中。4)机械设备建模。根据机械设备的外观形状及表面颜色建立模型并赋予接近真实的贴图，然后制作相应的动作来模拟真实的设备作业行为，精细匹配的材质贴图可以显著提高岩石工程虚拟现实场景的真实感，增强用户对虚拟环境的沉浸感［4-6］，如图1，图2所示。

2数据库信息查询

单纯的三维模型无法完整表达岩石工程中全部的信息，比如施工进度等，所以有必要建立一个可查询的岩石工程数据库。首先搜集现场资料建立数据库，然后在岩石工程虚拟现实系统中嵌入数据库，并将场景中各个模型与数据库中特定的信息进行关联，即将三维模型的名称作为主关键字，通过接口连接到数据库中与模型名称相对应的数据信息［7-9］。在岩石工程虚拟现实场景演示过程中，开启模型关联信息查询，通过点击场景中的模型就可在对应位置出现与该模型相关联的信息，如图3所示。

3交互控制

数据查询功能完成之后，需要建立一套控制系统，实现户与场景间的交互。在岩石工程虚拟现实系统中，这些控制功能都可以通过编写脚本语句并设置相应按钮实现［10］。岩石工程虚拟现实系统中虚拟漫游功能包括用户自主漫游和按预定路径自动漫游两种模式。自主漫游就是用户可自由切换、移动当前视角并且利用键盘、鼠标、手柄、肢体动作等方式操作当前在岩石工程虚拟现实场景中的观察视角，比如转向、前进、后退、上升、下降等，以此达到根据用户个人意愿自由观察整个岩石工程虚拟现实场景的目的。自动漫游是预先设置观察视角的移动及转动路线，当开启自动漫游模式时，观察视角就会沿着这条预设的路线运动，用户就可以不用进行任何操作来观察整个岩石工程虚拟现实场景。

4可视化外部数据

对虚拟现实系统软件进行二次开发，实现读取数值模拟结果及微震定位事件的各种震源参数，并将这些外部数据可视化的功能。所读取的数值模拟结果可以是三维应力场数据(包括计算节点的三维坐标值以及该节点位置对应的应力值大小)，所读取的微震事件数据包括三维坐标及该事件释放的能量值。其中，应力场以二维云图的形式在虚拟现实场景中展示(见图4)，而微震事件在以带不同颜色的圆球在岩石工程虚拟场景中显示，圆球所在空间位置(X，Y，Z)为微震定位事件所在的位置，圆球的半径用来表示微震事件释放的能量［11］，如图5所示。

5结语

本文结合某具体岩石工程实际案例，利用虚拟现实技术建立起一个岩石工程虚拟现实系统。该岩石工程虚拟现实系统包括可表达工程地表起伏形态、地下岩层赋存状态、巷道及空区的空间分布及几何轮廓、工程机械工作状态的三维模型，带有数据库查询和交互控制功能的一套岩石工程虚拟现实系统。通过该系统可以直接可视化岩体工程施工过程中产生的多源、多维数据集，增进人们对这些复杂数据集本身的理解，不同数据集之间的空间相对关系、时间前后顺序以及因果逻辑关系也更容易掌握。在此基础之上，对该岩石工程虚拟现实系统进行二次开发，使其能够集成数值模拟软件计算得到的应力场、微震监测系统采集到的微震定位事件数据，不仅提高了该岩石工程虚拟现实系统的综合集成性能，而且拓宽了虚拟现实技术的应用领域，提高了其实用性。

参考文献:

［1］王健美，张旭，王勇，等．美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示［J］．科技管理研究，2010(14):37-40．

［2］孟平凡．基于VRP虚拟矿山系统的研究［J］．矿山机械，2008(22):35-39．

［3］毛善君，熊伟．煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现［J］．煤炭学报，2005，30(5):571-575．

［4］虞捷．我国露天金属矿山运输系统发展方向闭［J］．世界采矿快报，2000，16(7):223-225．

［6］胡勇．基于虚拟环境的矿山运输系统实时监控技术研究［J］．系统仿真学报，2008，20(sup):109-116．

［7］武亚峰．基于虚拟现实技术的数字化矿井系统［J］．煤炭科技，2009(1):41-44．

［11］姜福兴，杨淑华．采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究［J］．岩土工程学报，2003，25(1):23-25．

作者：周永伟 单位：辽宁有色勘察研究院