三维虚拟矿井可视化平台系统的结构与组件设计

　　近年来，很多矿山企业都对可视化和虚拟现实提出了很多期待和要求，尤其是在安全培训、事故模拟、地质数据分析和信息管理等方面有迫切的需求。然而，目前在国内大多采用国外平台软件进行二次开发实现部分专业的功能，常用的有 Sense8公司的 WorldToolKit(WTK) 、Multigen － Paradigm 公司的 Vega、Division 公 司 的 dVise、Superscape 的VR T、Alberta 大学的 Minimal R eality Tool Kit (MR )等，还有 Vtree、OpenGVS、Open Inventor、Virtools、中视典的 VR P － Platform 等。也有完全从底层自主研发的三维可视化软件，但功能较为单一，操作不够灵活，功能大都以地质三维建模和可视化等方面为主，虚拟现实功能还很少见。

　　三维虚拟矿井可视化平台系统，基于 COM 的虚拟矿井多层架构可视化平台设计思路，从底层开发一套面向矿山需求的可视化平台，该平台采用VS2010 + Direct3D 开发，集数据库、可视化、虚拟现实、信息管理等于一体，将虚拟现实与工业自动化、矿山日常生产管理结合到一起，不仅能够实现井上下虚拟仿真，提供巷道内部漫游的沉浸感和互动性，给管理层用户带来获得身临其境的体验，而且可以在平台基础上进一步开发设备管理、监测监控、安全培训和人员定位等专业功能，将虚拟现实技术真正应用于实际生产当中。

　　1、 系统的体系结构设计

　　1． 1 基于 COM 多层架构的系统体系设计

　　选用 COM 技术来建立系统的体系结构。整个可视化平台的结构划分，可被划分为多个逻辑层次，每个层次通过提供专门的服务在整个系统中完成特定的工作系统架构。平台被分为 D3D 层、渲染层、核心层、专业层和应用层 5 个层次。在多层架构软件体系结构的底层，设计了渲染层，并在此基础上将可视化、系统界面、输入输出等封装为核心组件。采用多层架构的优点是: 可以对渲染引擎、核心组件和专业功能进行同时开发，不仅提高了开发效率，而且在功能组件层进行自由组合和装配，开发出面向不同用户的专业系统，使得最终的产品更加灵活和容易扩展。

　　1) D3D 层。选用 Direct3D 作为三维系统的底层。与 OpenGL 相比，Direct3D 基于 COM 设计，初始化的时候就是在初始化接口。同时 D3D 与 Win-dows 操作系统兼容性好，可绕过图形显示接口(GDI) 直接进行支持该 API 的各种硬件的底层操作，从而大大提高了系统运行效率。

　　2) 渲染层。渲染层即为三维图形绘制引擎。该引擎主要实现了场景渲染、场景组织和数据组织等内容。场景渲染是引擎中最重要的功能，主要实现了对象(含顶点坐标、纹理坐标、法向量和光照材质) 的实时绘制，渲染的重点在于实现视锥剔除、遮挡物剔除、景深排序绘制、MipMap 纹理映射和 LOD等关键技术。场景组织包含了场景管理 (SceneManager) 、材质管理器(Material Manager) 、内存管理(Memory Manager) 、三维实体(Entity) 、相机(Camer-a) 等，高效的基于节点的树状数据组织方式是场景组织的关键问题。

　　3) 核心层。组件层是在三维渲染引擎的基础上，实现了各类可视化组件。主要包括可视化、界面、数据管理、数据接口、特效编辑和动画语音等。

　　4) 功能层。功能层则针对组件层的 COM 进一步封装。矿山生产专业众多，因此对可视化的需求也不同，设备管理、监测监控、安全培训和人员定位等都是虚拟矿井可视化平台重要的功能组件。

　　5) 应用层。是体系架构中最高一层。在开发框架的基础上，针对不同的用户需求，将专业功能进行组装。采用用户角色模式，对应用程序进行开发。

　　针对不同角色，提供不同菜单、按钮和功能组成。

　　1． 2 COM 多层架构特点

　　1) 动态扩展的体系结构，可重用性和可扩展性强，方便系统的更新升级。在这个体系结构中，最大的特点为系统能够根据需求变化进行自扩展技术，自扩展体现为 2 个方面: 一个是纵向扩展; 另一个是横向扩展。纵向扩展是指当系统在设计初期，由于考虑不周，对系统不断的修改是不可避免的。在这种系统结构下，系统 5 个层次独立，下层的扩展不影响上层的正常使用。横向扩展是指可以根据不同专业需求形成应用功能模块，拓展不同的专业功能。

　　2) 采用纯 COM 技术，实现了与开发语言无关性。可与 VC、VB 等开发工具结合实现二次开发，也可以直接嵌入网页，将三维场景在网页上进行发布。

　　系统还提供基于框架的二次开发接口。由于矿山行业目前缺乏统一的技术标准，因此要求系统能够能迅速根据不同用户需求，“量体裁衣”，快速构建出专业应用系统。

　　3) 创建了庞大的面向对象专业功能组件库，实现了专业功能的组件化，用户可依功能需求实现灵活定制各类组件，使得系统适应面更广。

　　4) 三维渲染引擎借鉴了其他三维开源图形引擎的设计思想，在对 D3D 封装的基础上开发组件，并可以通过插件技术扩展了可视化平台的相应功能。三维引擎是一个基于工业标准 D3D 的软件接口，它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能的交互式图形程序。

　　2、 系统的组件设计

　　虚拟矿井可视化平台组件设计如图 1，将系统组件分为核心组件和功能组件 2 大部分。

　　

　　2． 1 核心组件设计

　　根据多层架构可视化平台的设计思路，将核心组件划分为如下几类:

　　1) 可视化组件。该组件提供了场景中模型的可视化操作，包括模型状态、模型显示方式、节点捕捉、人机交互、多视图、灯光显示、天空显示和参考网格显示等。

　　2) 界面组件。该组件提供了系统中的菜单、鼠标、按钮、列表、对话框、窗体等一系列界面资源，通过预载入纹理数据、图像数据等，实现了系统纹理资源的动态管理。

　　3) 数据管理组件。组件提供了对场景中三维对象的管理，如立方体、球、四棱椎体、圆锥、圆柱、树木、地形、柔性体元等新建、复制、删除、分解、合并、移动、布尔运算功能组件，还包括灯光、相机、旋转矩阵等。

　　4) 数据导入导出组件。该组件主要管理与3DSMax、Maya 等三维建模软件的数据接口，同时还支持根据二维平面图形巷道自动建模功能。

　　5) 特效编辑组件。该组件提供对三维对象的碰撞检测、纹理渲染、天空贴图、粒子系统等特效。

　　6) 语音动画组件。提供了语音开发包组件，动画组件支持骨骼动画组件和刚体动画组件等。

　　7) 角色管理组件。该组件为不同用户设置不同的密码和权限管理。

　　2． 2 功能组件设计

　　功能组件设计包括如下几类:

　　1) 虚拟巡视组件。该组件支持交互漫游、指定路线漫游等功能，能够逼真反映井上地表工业广场以及井下巷道工作面内部环境。

　　2) 机电设备管理组件。该组件实现了与机电设备管理相关的数据库接口，提供了数据库查询、设备模型编辑、设备开停状态动画模拟等组件，能够完善的描述设备形态、设备状况以及设备信息等。

　　3) 安全监测监控组件。将工业综合自动化系统中的安全生产监测和视频监控集成到虚拟矿井可视化平台中，实现了与各类监测监控相关的数据接口，如: 一通三防监测监控系统、束管监测系统、工业电视系统等监控子系统。安全监测组件将实现对井下瓦斯、一氧化碳、风速、温度、风门等现场参数的实时监测和可视化表达，实现井下工作的地点可视化监视、虚拟巡井。

　　4) 人员定位组件。将工业自动化系统中的人员定位系统和虚拟现实结合起来，实现了角色管理、井下人员定位、井下人员轨迹模拟、人员资料查询、考勤报表统计，能够完善对下井人员进行实时监控和模拟。

　　5) 全培训组件。将游戏过关类似，虚拟员工可以在虚拟矿井环境中自由移动，并完成预先交待的任务，一旦完成一项任务后，将被安排新的任务。这种培训手段使人与环境结合起来，通过人机交互使受训者产生身临其境的感觉，产生很好的效果。

　　6) 地质信息组件。支持加载地层、煤层、岩体、工作面等三维地质模型，实现地应力、水文参数、围岩分类、瓦斯含量、煤质等属性数据的三维可视化，实现高瓦斯区、断层、高地应力区域的三维空间分析预测。

　　3、 结 语

　　三维虚拟矿井可视化平台系统，将虚拟现实技术在矿山中的应用，提出了多层次可扩展的系统设计思路和功能，并从底层开发基于 COM 的虚拟矿井多层架构可视化平台，系统采用开放式结构设计，具有先进性和实用性，系统不仅集成了可视化功能，而且实现了矿山虚拟漫游和交互操作，能够完整表达井上和井下矿山真实现状。

　　参考文献:
　　［1］ 戚宜欣，夏征义． 虚拟现实技术在安全工程中的应用［J］． 中国安全科学学报，1999，9(6) : 49 －53．
　　［2］ 宋金玲，肖寒，盛业华，等． 基于 Multigen/Vega 的校园VR  仿真系统的实现 － － 以中国矿业大学为例［J］． 系统仿真学报，2004，16(9) : 1995 －1998．
　　［3］ 屈年赦，石金峰． 基于 3DS MAX 6． 0 和 Imagis 的三维景观浏览［J］． 辽宁工程技术大学学报，2005，24(zk) :92 － 94．
　　［4］ 王志杰，汪云甲，伏永明． 基于虚拟现实技术的矿山三维建模、显示及漫游系统［J］． 测绘工程，2006，15(1) :44 － 47．
　　［5］ 陈学习，韩玉春，邹恒义，等． 基于虚拟现实的矿井瓦斯爆炸模拟关键技术研究［J］． 华北科技学院学报，2004，1(2) : 1 － 6．
　　［6］ 郭军． 基于 3D GIS 技术的三维虚拟矿井设计研究［J］． 工矿自动化，2007(5) : 2 －4．
　　［7］ 毕林，王李管，陈建宏，等． 基于 VTK 的矿体三维可视化研究与实现［J］． 计算机工程与应用，2008，44(10) : 78 －80．
　　［8］ 郝长胜，徐明亮． 矿山三维虚拟现实系统可视化研究［J］． 西部探矿工程，2012(10) : 152 －154．