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1增強現實技術在采礦工程的應用需求

采礦工程是一門理論與實踐緊密結合的學科，隨著煤炭工業的迅速發展，各大礦業集團對采礦人才的技術水平和實踐能力要求越來越高，實踐則是加深對理論理解和增強能力的重要手段。然而在采礦實習中由于面臨著實驗室模擬與現場出入大、直觀認識不足，現場培訓成本高、周期長、危險因素多、對生產影響大、聯系實習地點較難、同學積極性不高等缺點，往往導致實習內容和過程達不到要求。在現實的實驗教學環節，由于實驗室儀器組數受場地、經費和利用率等問題的限制，同學眾多和師資配備不足等原因，同學們缺乏鍛煉機會，對于一些實際操作很難了解，這就導致同學走出校門工作后，短時間內對礦井環境很難適應。增強現實顯示技術具有平面投影不具有的優點，不僅具有很好的沉浸感和交互感，還具有較強的立體感，能夠增強對礦井環境以及儀器使用的認知，深化同學對井下作業環境及工作流程的認識，把握礦井的整體狀況，減小教學實驗與現場工作的差距，增強學生對礦井下的適應能力。

2增強現實的實現方法

2．1增強現實的顯示技術

增強現實系統設計最基本的問題就是實現虛擬信息和現實世界的融合。顯示技術是增強現實系統的基本技術之一。一般而言，可以把增強現實的顯示技術分為以下幾類:①頭盔顯示器顯示(Head-mounteddisplay，HMD);②投影式顯示(projectiondisplay);③手持式顯示器顯示(HandHeldDisplay，HHD);④普通顯示器顯示(Monitor-basedDisplay)。投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強的物體上，從而實現增強。一種是將增強信息直接投影對象表面，這種方法不需要戴眼睛。日本大學研究出的PARTNER增強現實系統可以用于人員訓練。另外一種投影式顯示方式是采用放在頭上的投影機(Head-MountedProjectiveDisplay，HMPD)來進行投影，系統根據使用者的視線方向將增強信息直接投影到真實世界中的對象上。美國伊利諾斯州立大學和密歇根州立大學的一些研究人員研究出一種HMPD的原型系統，該系統由一個戴在頭上的顯示器和一個雙面自反射屏幕組成的微型投影鏡頭，計算機生成虛擬物體通過投影鏡頭投影實現了虛擬物體與真實環境的重疊。

2．2增強現實的注冊技術

注冊技術是增強顯示技術的關鍵技術之一，注冊技術就是將虛擬物體與真實環境的對齊的過程。增強現實系統通過實時的檢測出真實場景的位置和方位角，計算機通過監測信息確定所要添加虛擬物體的映射方位，并將這些信息實時、準確的融合到真實環境中。注冊可以分為動態注冊和靜態注冊。攝像機與真實環境相對運動的情況下確定兩者的相對位置的方法稱為動態注冊。靜態注冊是在攝像機與真實環境相對靜止的情況下確定兩者的相對位置。

3增強現實在采礦工程實驗中的實現

采礦工程實驗室中有各種巷道模型，可以進行各種實驗，如錨桿力學性能測試、單體液壓支柱性能測試、巖層變形與位移測量等。在實際生產過程中，這些實驗往往是在巷道中進行的，然而實驗室中，巷道實驗平臺和相關測試實驗是相互獨立的。增強現實投影技術則利用投影儀將計算機模擬的實驗流程投影到巷道模型上，利用虛擬環境對現實的補充，將實驗與實際工作環境結合起來從而達到增強現實的目的，提高對實驗的認知水平，其基本思路如圖1所示。

4以井巷認知及礦山壓力實測教學

隨著計算機技術的發展，多媒體技術在教學中的應用已經十分普遍，傳統的教學手段主要是板書，圖片，圖紙模型，但形式流于平面化，很難產生立體模型。

多媒體技術改變了這種教學方法，配合幻燈片、音頻資料、視頻資料以及3D模型等，大大豐富教學內容，生動直觀。然而，這兩種教學方法仍然局限于平面基礎上的感知和認識，對學生的空間想象能力要求較高，同時，學生不能在教學中互動，教學效果，尤其是礦山認識與感知實踐教學方面的效果十分欠缺。“井巷認知及礦山壓力實測”是采礦工程實驗教學中的重要內容，傳統的教學中，多媒體教學主要通過幻燈片、音頻資料及3D模型等進行講授，實驗室教學主要以獨立的實驗室基礎操作為主，但是實驗效果有所欠缺，學生不能體會現實的作業流程。基于此特點，我們開發了用于“井巷認知及礦山壓力實測”教學的AR教學工具，作為AR技術應用的實例。

4．1井巷認知及礦山壓力實測教學系統的實現

井巷認知及礦山壓力實測教學系統的搭建通過虛擬增強現實的原理結合投影技術、計算機技術等、礦山壓力實驗技術等結合起來達到增強現實的目的，提高了對礦井下實驗的認知，其基本思路見圖2。本平臺包括實物模型、礦壓測試儀器、控制裝置、虛擬現實軟件、投影設備、計算機、攝像機等裝置。使用Maya和Virtools作為現代化礦井系統的開發軟件。Maya是目前世界上最為優秀的三維動畫的制作軟件之一，它最早是由美國的Alias/Wavefront公司在1998年推出的三維制作軟件。Virtools是一套整合軟件，可以將現有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。在實驗室搭建巷道模型，在巷道周圍進行標定，通過攝像機對標定進行識別，然后通過計算機及投影裝置利用虛擬現實技術通過三維立體投影等，將虛擬景象投影到巷道中，構造出一種虛實結合的新環境，進而完成對增強現實巷道的構造。通過在模擬巷道中的走動并伴隨著視覺、聽覺、觸覺等感受觀察到隨著采礦工序的一步步進行真實采礦過程，如巷道的向前推進，頂板的支護，采掘機的掘進，煤炭的運輸等，從而達到一種身臨其境的感覺，擴展對真實采礦環境的認識。在巷道模型中人可以進行井下漫游，對礦井進行認知，可以對巷道的整體布局有一個系統的認知，提升對井下整體布局的思想。井下漫游的同時，利用鉆孔多點位移計、頂板離層指示儀等實驗儀器進行礦井壓力實測實驗，將圍巖中實驗儀器的變化情況真實的展現在眼前，同時可以在巷道中利用虛擬軟件增強圍巖的變化，拓展學生的感知。

4．2實驗效果及分析

圖3為井巷認知及礦山壓力實測教學平臺的巷道模型，提供了動手測量的實訓平臺。可進行頂板離監測、圍巖收斂測量、錨桿拉拔測試、錨桿變形測量、圍巖鉆孔成像等實踐教學與技能培訓。頂板離層監測精度通過圖像監測技術得以大大提升，實驗人員可以觀測到頂板離層的全部過程。圖4、圖5為井巷認知及礦山壓力實測教學平臺虛實結合的操作效果，實驗者通過計算機進行礦井下漫游及礦山壓力試驗。通過巷道漫游系統可以了解巷道掌握巷道的整體布局，拓寬了學生的思維，在認知全局的基礎上，在設計時更好的考慮全局。用這種方式進行教學，有助于學生直觀認知井巷布置，了解圍巖變化發生過程及規律。

5結語

增強現實作為近年來快速發展的一種新技術，為采礦工程實踐認知提供了新的方法，同時解決礦山生產認知多時空問題;由于采礦工業發展迅速，新的采礦技術不斷運用于生產實踐中采用該平臺，通過軟件編程等可以模擬新的開采工藝，實現與新技術同步，可以很好地彌補在教學實踐環節中由于采礦技術落后導致同學對新技術認識不足;將增強現實用于實驗教學，加深同學對實際工程問題的了解，促進實驗的開放。AR技術應用于采礦工程實驗教學僅是一個開端，還有很多的方面需要我們去努力，增強現實技術在手持式設備中與采礦工程領域的結合將給礦井的救援帶來一次新的革命。

作者：徐劍坤楊乾龍楊乾霞單位：中國礦業大學礦業工程學院