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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1交叉巷道的實現

對于有岔口的巷道，最好的方法可以采用布爾運算將其融合。實體間的交、差、并等操作稱為體布爾算法(BooleanOperation)，它是實體造型系統中帶有侵入、交錯關系的實體最基本的操作之一，也是各種空間分析的基礎［6］。布爾算法基本都是以正則集合理論為基礎，同時結合求交計算來實現。使用布爾運算對巷道進行無縫拼接其實就是對巷道所有的已剖分好的三角面片進行求交運算，這樣就可以將巷道實體間的布爾運算轉換為三角面片之間的布爾運算，因此，巷道實體間的布爾運算實際上就可以看作是巷道表面三角形間的布爾運算［7］。在布爾算法運算過程中，將一些“無用”的三角形剔除，另外將那些會產生交線的點要加入到新的體中，從而完成對曲面的重構。但此方法實現起來比較復雜，所以本研究中仍然采用貝塞爾插值來實現交叉巷道的三維建模。對于2條相交巷道，若在骨架圖上直接加載巷道段，則平面的效果圖如圖4所示。由圖4可以看出，虛線為巷道中心線，加載巷段后可以看到2條巷道段有相交重疊的部分，并且直接加載的巷道有棱棱角角，不是太逼真，針對此種情況，首先應該求出巷道相交段的交線，裁減掉相交部分，然后離散交線上面的點并采用貝賽爾曲面生成圓滑曲面。算法實現步驟如下:①基于中心線加載直巷道段，經過兩次矩陣乘法將兩段巷道放在同一個坐標系下;②根據相應的方程計算求出巷道的交線;③將相交巷道沿交線斷開，根據交線上的點使用Bezier曲面將對應部分連接，最終形成圓滑的巷道段。

2實現流程

本次仿真實驗是在鄭州大學的虛擬現實與地理信息系統實驗室的PC機上開發實現的，實驗的硬件平臺為Intel(R)3.00GHz，顯卡信息為GeForce6600GT，內存大小為1.49GB。軟件使用的是面向對象開發工具VisualC++6.0，在WindowsXP操作系統環境下，使用OpenGL圖形庫，屏幕的分辨率是1280×1024像素。實現流程如圖5所示。

2.1加載巷道段將巷道分成3個部分來模擬:直巷道、彎曲巷道、交叉巷道。(1)直巷道。對直巷道來說，其實最基本的就是巷道剖面的模擬，前面根據選用特征點的方法來生成巷道剖面，這里就不再贅述。下面就給出實現巷道剖面拱頂的主要實現代碼，對于拱頂，采取的就是細分法，實現時其實就是一個循環。實驗的線框效果圖如圖6所示。(2)彎曲巷道。對彎曲巷道來說，前面也已經說過，實現采用貝塞爾曲線插值的算法來實現，在用程序實現時，需要使用求值器。OpenGL中提供了一維求值器和二維求值器，但由于兩者很相似，而一維求值器更易于描述，所以在本次研究中使用一維求值器。貝賽爾曲線是單向量的向量值函數。(3)交叉巷道。交叉巷道采取的方法前面已經詳細的描述，這里就不再贅述，實驗的效果圖，分別是使用Bezier曲線完成的y形岔口和普通岔口，效果如圖8所示。使用Bezier曲面完成的交叉巷道拼接的效果圖如圖9所示。(4)變徑處理。剖面大小不同的巷道也是將對應特征點連接起來形成巷道段，對于形狀不同的則使用最小對角線進行判斷后再將相應的特征點相連，如圖10所示。

2.2貼圖處理紋理貼圖允許將一幅格式為BMP的圖像映射到一個不規則多邊形的表面，并把整個三維圖形畫成單個多邊形。紋理貼圖能保證當這個多邊形進行變化或者渲染時，映射到多邊形表面的圖像也能夠表現出正確的行為［5］。紋理貼圖的用處很廣，可以模擬植被，也可以用做墻紙，利用紋理使多邊形看上去像是自然界的物質，如大理石、木材等。紋理貼圖時還有一個問題要注意。在紋理生成時，經常使用的點取樣方法會導致圖形的嚴重走樣。走樣的問題是不可避免的，但可以采用一定的措施是問題減小到不明顯。目前減輕走樣的方法有兩種，一種是在適當加密取樣之后再進行紋理濾波，另一種是先對紋理進行低通濾波后再采樣。部分巷道紋理貼圖后的效果如圖11所示。

3實驗結果

實現巷道模擬后，為了使仿真效果更逼真，又對實現結果添加了光照和材質，尤其是材質方面，使用不同的貼圖可以實現不同類型的巷道，但在紋理貼圖中，會出現圖像走樣現象，就是圖像會顯示為鋸齒狀或臺階狀。在OpenGL中采取提高分辨率的方法來實現反走樣，并在實現過程中采取連續對單一面片貼紋理的辦法實現巷道的逼真模擬。除了模擬巷道外，還添加了交互功能，用戶可以使用鼠標來平移巷道，還可以對想觀察的巷道放大縮小。本研究項目主要實現了巷道三維模型的仿真，圖12是整體巷道的部分效果圖。

4結語

(1)本研究的創新點在于對巷道的數據處理采取了直接讀取DXF文件的方法，然后提出了分段模擬的思想，然后逐個加載，就像接水管一樣，更方便逼真的完成了巷道的三維模擬。在對交叉巷道模擬的時候，采用了對巷道段求交線的方法，最后基于交線使用Bezier曲面完成拼接。(2)本研究實現了一個巷道三維建模系統，并解決了其中的關鍵技術，即彎曲巷道和交叉巷道的圓拼接，對于用戶來說基于一張CAD圖紙就可以仿真出想要得到的結果，為用戶了解巷道提供了很大的便利。(3)實現礦山三維巷道模型的動態模擬，可以使開采和設計人員有一種身臨其境的感覺，使他們對巷道有一個全面的認識，可以在采礦生產中確保巷道掘進的合理性以及安全性。因此建立三維巷道模擬系統，使地下巷道數字化，通過展示礦區的整個地下巷道的三維模型，可以直觀的反映地下巷道的變化，并能夠顯示與地表或者礦體的位置關系，可以大大提高開采工作的安全性，以及提高開采工作的效率，并且對巷道的優化設計也有指導意義。

作者：張思卿周天宏譚同德于慧影單位：鄭州科技學院信息工程學院武漢商學院信息工程系鄭州大學信息工程學院