（机械电子工程专业论文）四轮驱动履带式海底钴结壳采矿车及其采集过程可视化研究.pdf

摘要 n j 视化技术是二十l 止纪八十年现的一j 瓤兴变义一科。它将人 量非亩观的、拙缘的或者1 i r t f 见的数据j 1 j 图形或图像形象地显示 来，使人们对数据的理解、分析变得简捷、直观。可视化技术适用丁 任何有定数据存在的场合，尤其是要分析、处理海最数据的科学领 域，如航窄航天、气象删测、c t 扫描、地质勘探等。 四轮驱动履带式海底钾陈壳采矿车( 简称海底采矿年) 及其采集 过程可视化研究是以固家关于国际海底区域开发的“十五重点攻关 项目“钻结壳采集模，驰机火键技术及装备研究”( d y l 0 5 一0 3 一0 2 ) 为课 题背景，竹助可视化技术在虚拟环境f ，模拟和分析海底采矿：采集 过程中的t 作状态，为，有效的避免冈肓阿h ：的现场试验而浪费大最 的人力、物力资源和灾难性的事故发生而进行研究的。其主要的研究 内容如。f ： i 、实现海底微形地貌的可视化。 2 、初步设计f i ”每底采矿_ j l i 的基本结构，并实现叮视化。 3 、以a v s e x p r e s s 软俐：系统为开发平台，c + 十语言为编程语言设 计出深海钻结壳采集n j 视化系统。实现采矿1 二在微形地貌卜 面行走切削的动态过程，i ： f ：进行有关参数的实倒计算。 关键测： 可视化，铺结壳，微形地貌，a v s e x d r e s s ! 塑叁兰塑l ：! ! 兰 a bs t r a c 丁 t h evjs u a l i z a t i o nt c c h n o l o g yb c e nan e wi n t e r a c r o s so b j e c t w a sb r o u g 1 tf o r t hf r ) 19 8 0 s 丁tin t e r f o r m sam a s so fo b l i q u e w a v o u to rh i d d e nd a t a i n t ot h eg r a p ho r jm a g e ，1 e t p e o p l e u n d e r s t a n da n da n a l y s eb e c o m i n g m 。r e r a p i d l y a n dm o r c s t r a i g h t w a y t h ev js u a l i z a t i o nt e c h n o l 。g y c a na p p l yt oa n y o c c a s i o n b e i n g s o m e d a t a ，e s p e c i a l l y s c i e n t i f i cf i e l d s a n a l y z i n ga n dd e a l i n gw i t h al o to fd a t a ，f o ri n s t a n c e ，t h e a v i g a t i o na n ds p a c e f l i g h t ， t h em e t e o r o l o g i co b s e r v a t i o n ，t h e c t s c a n ， t h eg e o l o g i c a ls u r v e ye t c t h ev i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho ft h ef o u rw h e e ld r i v e np e d r a i l s e a b e dc o b a l te r u s tm i n i n gv e h i c l e ( f o rs h o r t ，t h es e a b e dm i n i n g v e h i c l e ) a n dt h eg a t h e r i n gc o u r s ei so nt h et a s kb a c k g r o u n do f “t h er e s e a r c ho ft h ec o b a l tc r u s tg a t h e r i n gm o d e lm a c h i n e s p i v o t a lt e c h n o l o g y a n de q u i p m e n t ( d y l 0 5 一0 3 一0 2 ) t h a tist h e “f i f t e e n t h e m p h a s i z e di t e me x p l o i t i n g t h ei n t e r n a t i o n a l s e a b e df i e l d ，u s i n gt h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yt o s i m u l a t e a n da n a l y z et h ew o r k i n gs t a t eo ft h es e a b e dm i n i n gv e h i c l ei n t h ec o u r s eo fg a t h e r i n gi no r d e rt oa v a i l a b l ya v o i dw a s t i n gt h e g r e a td e a lo f 讯a n p 。w e ra n d 腿t e r i a lr e s o u r c e sb e c a u s eo f t h e b 1i n d f o l ds p o tt r ia 1a n do c c u r r i n gt h ec a t a s t r o p h i ca c c i d e n t i t sp r i m a r yr e s e a r c h f u lc o n t e n ta s f o l l o w s - 扣m 人学坝1 论文 1 r e a l jz i n gt h ev js u a l jz a t i o no f t h es e a b e ds u b m i n i a t u r e 2 ， d e s i g n i n ge e m e n t a r j1 yt h ee s s e n t i a ls t r u c t u r eo ft h e s e a b e d m i n i n g v e h i c l ea sw e l la sr e a l i z i n g t h e v i s u a l i z a t i o n 3 d e v js i n gt h ev i s u a l i z a t i o ns y s l e mo f d e e ps e ac o b a l t c o l l e c t i o no nt h ee x p l o i t i n gs t a g eo ft h ea v s e x p r e s s s o f t w a r e s y s t e m ， i nt h e p r o g r a 【咖el a n g u a g e o fc + + r e a l i z i n g t h e d y n a m i cp r o c e s s o ft h es e a b e d m i n i n g v e h i c l er u n n i n ga n d c u t t i n g o nt h es u b m i n i a t u r et e r r a jn a n d b e s i d e s ，c a l c u l a t i n gr e a 卜t i m e l ys o m ec o n c e r n e d p a r a m e t e r s k e y w o r d s ： v i s u a l i z a t i o n ，c o b a l tc r u s t ，s u b m i n i a t u r e t e r r a i n ，a v s e x p r e s s 中南大学硕+ 论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 可视化技术及其发展现状 1 1 1 科学计算可视化的产生与发展 随着科学技术的飞速发展，来自超级计算机、地球卫星、宇宙飞船、气象观 测、c t 扫描、地质勘探等方面的数据与日俱增，由于缺乏大量数据的有效分析 手段，造成绝大部分有价值的数据资源白白浪费掉。1 9 8 7 年在华盛顿召开的一 次科学计算会议上，针对大数据场处理问题上，美国计算机成像专业委员会提出 了解决方案，就是用图形和图像解释数据。这次会议形成了题为“科学计算可视 化”的报告，从此一门新的交叉学科诞生了”2 。”1 。 科学计算可视化一提出便引起了巨大反响。由美国国家科学基金会设立的几 个大型国家实验室、超级计算机中心及美国国家宇航局，美国空军、海军的研究 中心、各大学等都设立了相应的项目或相应的专门实验室。德国、日本等一些发 达国家也紧随其后，投入大量的人力、物力、财力进行这方面的研究。同时，国 际上一些有影响的学术杂志，例如i e e ec o m 跚妇在1 9 8 7 年和1 9 8 9 年，i e e e c o m p u t e ra r a p h i c s & a p p l i c a t i o n 在1 9 9 1 年分别组织了可视化技术及其应用专集， 每年一度的美国图形学年会a c ms i g g & a p h1 9 8 8 年度就将可视化列为会议主 题，并组织了专题讨论。以可视化为名的一批国际学术杂志如s u a l i z a t j o n ， j o 啪a lo f s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e ra n j m a t i o n 等在8 0 年代末9 0 年代初相继创 刊。以可视化为主题的新国际会议系列v i s u a l i z a t i o n 从1 9 9 0 年开始每年定期举 行，极大地促进了这一新兴学科的发展m 4 “。 到目前为止，可视化技术遍及自然科学、工程技术、经济管理与艺术等众多 领域。并陆续出现了一些较为成熟的可视化软件系统，如后处理型的 a p e w a v e 丘d m ，p v - w a v e ，g a s 和r i p ，跟踪型的a 、，s ，驾驭型的j z 等。在微 机上推出一些分析绘图软件包，如科学计算工具箱、g r a f t o o l 、 c o r e l d r a w d e n g 等1 1 4 。”。通过这些可视化软件系统极大地提高了科学计算 的速度和质量，实现了科学计算工具和环境的迸一步现代化，从而使科学研究工 中南大学硕士论文第一章绪论 作的面貌发生根本性的变化。a v s 可视化软件系统在流体力学计算中的应用就 是一个很好的例子b ”l 。 流体力学计算( c f d ) 是对特定环境下流体特性的研究。它是计算机辅助 工程( c a e ) 范围内增长最快的部分之一，几乎可应用到全部工业部门，包括从 食品加工、水文处理到汽车空气动力学、气体涡轮机设计和航空航天。而a e a 技术公司是世界上最大的c f d 软件提供者和这方面的国际市场咨询公司。它的 软件几乎可以模拟任何类型的流体流动和热交换过程，该软件使用a 、，s 软件作 为其重要的后处理器，使其用户得到效果最好的视图和解释其结果最好的动画工 具。d a v i dc l a y w o m ，该公司一位c f d 软件开发者，报告说：“我们使用乒 ，s 软件的主要原因是给我们许多可视化技术和一个可移植的功能强大的图形可视 化。同时也提供给我们写简单的用户界面的功能。”a e a 技术公司的软件帮助过 全世界5 0 0 家以上的工业公司，通过计算机模拟，快速、可靠地预测流体的过 程特性。无论他们是帮助其客户改善一个内部焚化炉的控制和操作，还是研究一 个电站的气体涡轮机叶片的热交换和结构，主要部分是a 、，s 的可视化软件和3 维图形可视化。d a v j dc l a y v 帕n h 说：“当我们转而使用a v s 时，突然，我们大 量的图形产生一个质量的跳跃。这令人印象非鬻非常深刻。” 近几年，我国也开展了可视化技术研究工作，并应用于流体力学、空气动力 学、石油地震数据处理、气象等领域，浙江大学、清华大学、j 匕京应用物理与计 算数学研究所、国防科大等单位目前正在研究可视化算法，移植技术以及开发各 种可视化软件工具。厦门大学数学系自1 9 9 3 年以来借鉴美国麻省理工学院的 n e k t o n 谱元法计算流体软件及其可视化编程技术，自主开发了一套可进行三 维流体模拟的谱元计算软件。但从总体上来说，我国仍处于起步阶段，相对国外 有较大差距2 。”1 。 1 1 2 可视化技术的基本内容 可视化是将大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和 图像处理等技术，用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段， 以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理。因此，可视 化是从与计算机相关的学科发展起来的。具有多学科综合、应用面广的特点。如 与之相关的学科有数据库技术、计算机视觉、计算机图像处理、计算机图形学、 中南大学硕士论文 第一章绪论 计算机辅助设计、人机交互界面等。这些科学技术增强了人类处理文字、图像、 图形、声音等信息载体的能力。并且随着计算机的处理速度和内存容量的大幅度 提高，使过去耗时费力的冗长计算得以在短时间内完成，也使得对复杂图形图像 的处理以及高能物理、卫星遥感、气象、地震预报等领域中产生极大量数据的处 理成为可能川。 可视化技术适用于任何有一定数据存在的场合。从数据产生到图形图像显示， 需要很多步骤，其基本步骤如下图1 一l 所示【2 6 】。 图1 1 可视化流程图 在整个流程中，可视化映射是关键。它将处理过的原 始数据转换为可供绘制的几何图素和属性。即如何用形 状、光亮度、颜色以及其他属性表示出原始数据中人们感 兴趣的性质和特点。因此，可视化技术根据不同的数据场 需要建立不同的数据模型、视觉模型，运用不同的算法。 比如，二维数据场与三维数据场就有很大的差别。其中三 维数据场的显示是可视化技术的核心。通过对各种可视化 的数据进行分析，实际中的可视化数据基本上是以下数据 类型的一种或几种】： 边数据：指数据限定在某个边的数据集合，它以一维 剖分线段的形式给出。它既可以是实体造型的一维剖分后 的边的数据，也可以是离散数据场中有边的限制条件的数据。 面数据：指数据限定在某个面的数据集合，它以二维剖分网格的形式给出。 它既可以是实体造型的二维剖分后的面的数据，也可以是离散数据场中有面的限 制条件的数据，如地质数据中的断层数据。 体数据：指无任何限定条件的散乱数据。它既可以是实体内部的数据，也可 以是离散数据场的散乱数据。 参考数据：指不参与剖分，只参与数据建模，数值分析的数据。 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 2 论文研究背景及内容 1 2 1 论文研究的背景 进入8 0 年代以来，富钴结壳已成为大洋多金属矿产资源研究的新热点。由 于产出水域较浅( 5 0 0 2 5 0 0 m ) 且更靠近大陆，因而开采成本低。再加上除含 mn ，fe ，cu 等有价金属外，富含c o ( 一般为0 6 ) 、n i 、p t 等贵金属， 其中仅c o 的价值就高于结核中m n 、n i 、c u 的价值之和。因此，相对铁锰结核 在开发价值上具有明显得优势。美、德、日、俄等发达国家纷纷投入巨资积极开 展钴结壳资源的勘查及开采、冶炼加工技术等的研究，韩国等少数发展中国家亦 不甘落后，国际上为争夺深海矿产资源已经展开了新一轮的竞争与角逐【1 2 ，”。3 ”。 为正确把握国际海底区域资源研究开发形势，维护我国海洋权益，稳步推进 我国国际海底资源开发事业，中国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国际 海底区域研究开发“十五”计划和国际海底区域研究开发“十五”立项指南 中均将“钴结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 一0 1 ) 和“钴结壳采集模型机关键技术 及装备研究”( d y l 0 5 0 3 一0 2 ) 确立为开发研究的重点项目m ”1 。 1 2 2 论文研究的目的 在水深、高压、黑暗的海洋底进行矿产资源开采，环境十分恶劣，人类无法 直接下去作业，只有通过各种先进的技术和设备仪器才能达到开采目的。而在虚 拟环境下尽可能地模拟出海底环境，如地形特征、洋流、温度以及矿产资源赋存 及分布特征等对开采装置的影响，根据这些影响得出最佳的解决方案，从而达到 以最少的投入获得最大的效益。 本论文研究的目的就是运用高级可视化软件技术通过逆向建模、参数运算等 方法对海底微形地貌进行可视化重构；对海底采矿车在该地貌上行走切削过程进 行虚拟观察，使人们在海面船只上就能清踌i 地了解海底采矿车在海底行走作业的 工作状态。避免了因盲目性可能导致的灾难性事故的发生，保证了作业的安全性、 可靠性和准确性。提高了海底采矿车的工作效益和生产能力。因而此技术的研究 开发是深海作业设备研究的关键，有重要的现实意义。 4 中南大学硕士论文第一章绪论 1 2 3 论文研究的主要内容 本论文关于海底采矿车采集过程可视化研究做了以下几方面的工作： 1 、详细了解科学计算可视化产生和发展的历史现状，掌握可视化软件技术 的最新动态，结合课题的研究内容，明确本论文的研究目的。 2 、掌握a v s e x p r e s s 软件技术，并在实验室里用模拟料任意做一些地形片 段，采集其高程数据进行可视化的地貌重构，通过外观和体积计算精度， 验证可视化及其建模技术能否达到本课题研究的要求。最后根据事先设 定好的地形参数进行编程实现地形可视化研究。 3 、根据课题合同关于未来深海钴结壳采掘样机的设计参数，对海底采矿车 结构进行初步设计，由p r o 厘n g i n e e r 软件绘制出基本图形，并调入到 a v s e x p r e s s 系统中进行可视化研究， 4 、设计一套专门的可视化系统，将海底采矿车与海底微形地貌结合起来实 现采集过程可视化研究，并进行各种参数计算。 1 3 本章小结 本章主要阐述了科学计算可视化的产生与发展以及国内外目前可视化技术 的研究现状，同时对可视化技术的基本内容进行了简要地说明。并结合课题讲述 了本论文研究的背景、目的和主要内容。 筇一t 海底微形地貌刈s 吼化研究 第二章海底微形地貌的实验窜模拟实验 及可视化研究 海底微形地貌可视化- 要过程如下： 地貌监测方法很多，如从宏观方面有心声测深仪、多波束回声测深仪及旁测 声纳，从微观方面有深拖系统、海底摄像、超声波探测等，但非本论文研究内容。 假定采集的地貌数据为格栅式的( 通常的确如此) 。本章重点讨论地貌重构和可 视化问题2 3 “3 9 l 。 2 。l 可视化数据类型 随着应用领域的不同，数据来源的不同，如计算机模拟、仪器测量等，所需 要观察的数据也很不相同，而实现空间数据可视化的算法却与数据类型有极大的 关系。因此，我们有必要讨论一下数据类型以及数据分布连接关系的类型h 7 1 2 。 2 1 1 数据本身的类型 ( 1 ) 标量 标量是指可以用一个不依赖于坐标系的数字表征其性质的量，例如密度、温 度、质量等。标量没有方向。比如：在某一个空间直角坐标系中，一个标量可以 表示为f ( x ，y z ) ，而在一个新的坐标系中，该标量可以表示为f 。( x ，y ，z ) 。因此有： f ( x ，y ，z ) = f 。( x 。，y ，z 1 ) ( 2 - 1 ) ( 2 ) 矢量 矢量是指需要用不依赖于坐标系的数字及方向表征其性质的量。例如：位移、 速度、加速度等。假设x 表示某一矢量，x ；，x ：，x ，与x 。，最，玛分别是 x 在旧坐标系中的投影，显然，x ，x ：，x ，和彳，x ：，墨之间有如卜关 系： 6 。| j 南人学坝i j 论文 第一幸海底微肜地貌口j 视化聊f 究 ， 1 = n 1 1 i 十( i ! 。r 2 + d i3 3 2 = d 2 1 x 【+ “! ! 2 + 订2 3 肖3 ( 2 2 ) ， 3 = 如f l 十叱2 爿2 + d 3 3 x 3 或简写为x = a 。x 一个直角坐标系o x l x2 x3 ，有9 个量x 。( i - l ，2 ，3 ；j = l ，2 ，3 ) ，它可以按照以张量 形式表示的下述公式转换为另一个直角坐标系中的9 个量x ：( i = 1 ，2 ，3 ：j = 1 ，2 ，3 ) ， x 口2 a ，a p ，x 口 ( ，。1 ，2 ，3 ；m 2 l ，2 ，3 ) ( 2 3 ) f l i x 1 2 x 1 3 x 口5 i j 2 1x 2 2 2 3 l 2 _ 4 ) l z 3 i z 3 2 x ”j 2 1 2 数据分布及连接关系的类型 不管是科学计算的结果，还是用仪器测量的数据，往往都是离散的，而可视 化对象基本上就是指这些离散的数据。因此，我们必须弄清楚离散数据的分布以 及之间的连接关系和类型的问题。 ( 1 ) 规则结构数据 规则结构数据是指在逻辑上组织成三维数组的空间离散数据。也就是说，这 些空间离散数据的各个元素具有三维数组各元素之间的逻辑关系，每个元素都可 以有它自己所在的层号，行号和列号。符合这一条件的三维空间数据就称之为规 则结构数据。如图2 1 所示，共有1 8 个节点，可以连接成3 行6 列。 中南大学硕士论文 第二章海底微形地貌可视化研究 图2 1 规则结构数据二维示意图 规则结构数据根据各节点不同的空间分布还包括均匀网格结构数据和矩形 网格结构数据两种特殊类型。 均匀网格结构数据 这类数据均匀地分布在三维网格点上，即沿x 、y 、z 轴三个方向上，网格 点之间的距离分别相等。如二维示意图2 2 所示，对于这类数据，无需给出各数 据点的空间位置，只要给出三维网格两对角点的空间位置和三维的节点数，即可 根据网格间距所对应的距离求出该点的空间位置。 图2 2 均匀网格结构数据二维示意图 ( 参矩形网格结构化数据 这类数据分布在由长方体组成的三维网格点上。但是，长方体的大小可以各 不相同，并无规则可循。如二维示意图2 3 所示，对于这类数据，每个网格点除 了给出它在三维数组中的序号外，还必须给出它所在的空间坐标，这样才能进行 可视化。 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 图2 3 矩形网格结构化数据二维示意图 ( 2 ) 非规则结构数据 这一类型的空间数据是由一系列的单元构成的，但是，它不能组成三维数组。 这些单元可以是四面体、六面体、三棱柱或者四棱锥等；这些单元的面可以是平 面，也可以是曲面；其边可以是直线段。在这种数据结构中，必须给出每个数据 点的空间位置及其相互间的连接关系，如图2 4 所示b 4 。8 】。 l 姒 图2 - 4 非规则结构数据三维示意图 9 中南大学硕士论文第= 章海底微形地貌可视化研究 2 2 微形地貌重构算法的标定 2 2 1a v s e x p r e s s 软件简介 a v s e x p r e s s 是享誉世界的美国a v s 公司的高级可视化系统核心产品，是一 个面向对象、视觉化开发工具，面向对象技术主要包括数据和方法封装、类继承、 模板和实例、对象层次及多态性等。能够建立可重复使用的对象、应用程序组件 和复杂的数据可视化应用程序。并且包括图形显示、数据可视化、图像处理、数 据库管理和用户接口等五个软件包，每个软件包又有几十个功能模块，这样就形 成了一个具有交互式开发功能的先进的可视化软件系统【3 ”。 a v s e x p r e s s 对集成c ，f o r t r a n 和c + + 代码提供完全的支持。组件可以通过 调用c ，f o r t r a n 和c + + 程序执行它们的处理过程。通过对数据、程序以及方法 的封裟，可以形成相对独立的功能模块。同时为达到某一特定功能，宏与宏之间， 模块与模块之间可以相互封装”】。 a v s e x p r e s s 有三个方法可以被用来创建可视化应用程序，如使用主接口 ( 网络编辑器) 、a v s e x p r e s sv 编程语言和v 命令处理器( v c p ) ，或者使用 a v s e x p r e s s 应用程序员接口( a p i s ) 。其中最常用的是网络编辑器。当要运行 某个程序时，将自己封装的模块或已有的实例模块拖到应用程序模板中，通过管 道将模块进行连接就可以执行程序了怫”。 a v s e x p r e s s 作为高级可视化系统，在对数据的类型、结构和关系方面有一 套比较完备的处理方式。它将海量数据作为数据域( f i e l d ) 进行处理，其基本组 成方式如下图2 5 ： 图2 5 数据域( f i e l d ) 结构图 l o 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 根据离散数据在空间分布的特点，m e s h 包括u n i f o m 、r e c t i l i n e a r 、 s t r u c t u r e d 、u n s t r u c t u r e d 四种结构。其中最复杂的结构是u n s t r u c t u r e d 结构， 即不规则网格。由于数据分布找不到一定的规律，只有通过节点连接法按照确定 的单元设置( c e l l ) 如：l i n e 、q u a d 、t e t 、h e x 、p y r 、p r i s m 等连接成网格。 d a t a 表示网格中节点( n o d e ) 或单元( c e l l ) 的物理意义。在计算机处理过程 中，用不同的颜色代表不同的d a t a 2 0 2 5 2 “。 2 2 2 微形地貌可视化重构算法的标定 l 、标定目的和要求 运用a v s e x p r e s s 嗽件技术实现微形地貌可视化的重构算法对海底微形地貌 进行可视化研究，不仅仅是逼真模拟出真实的地貌形状，而且要将海底采矿车在 采集过程中所切削的矿石体积、矿层表面积以及废石混入率、能耗等参数的计算， 都要满足足够的精度要求。尤其是切削掉的矿石体积和矿层表面积的计算是基 础，直接影响到其它方面参数的计算。因此，须通过对某已知尺寸的标准件进 行体积或表面积等参数计算，检验我们预先设定并通过a v s 慨p r e s s 软件实现的 算法能否达到需要的精度要求。 2 、标定方法 在实验室里，将一个半径为1 2 0 毫米的篮球固定下来，将一块平板以确定的 高度和位置水平架在篮球上面，并以该板为测量基准设定x 、y 坐标，同时根据 坐标方向每隔2 5 毫米测得板面到篮球上半球表面的高度，如图2 咱所示，并以 后缀名为d a t 的数据文件格式保存起来。 图2 6 篮球上半球表面高程数据 l l 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 在a v s e x p r e s s 系统中，数据从读入到图形显示需要一些必不可少的处理环 图2 7 节，如数据处理、插值、曲面重构等。各环节之间的关系如 左边关系图2 7 所示。但为了能清楚地反映出算法对测量精 度的影响，我们分别采用了插值和不插值两种算法。第一步 是将图2 6 的数据读入到a v s e x p r e s s 程序中只进行简单的 数据处理，就进行曲面重构，最后显示图形。而第二步除了 第一步的实现步骤外，还要对数据进行插值。图2 8 就是数 据从读入、处理到图形显示全过程的a v s 网络编辑器程序界 面。 r e a 0 一f i e l d 宏模块是将数据读入到a v s 网络编辑器的专 用模块。首先在计事本中用v 语言编写程序，确定数据的维 数、数据在文件中的行数、列数以及图形空间的维数、数据 的物理矢量、数据的类型、数据结构的类型、数据文件名和 文件类型等内容。 图z 一8 篮球上表面重构程序界面 数据读进来后，根据不同的数据类型将能映射成均匀网格( u n i f o r m ) 的离 散数据进行曲面重构。为了使曲面更加光滑、逼真，我们在原采样点之间再进行 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 三次插值，经过处理后，我们的离散数据达到了原来的4 倍。 s u r f _ p l o t 宏模块根据节点数据的物理矢量大小将二维平面形成三维曲面。 在这里，数据的物理量只有一个，即高程数据。因此，按照高程数据的大小形成 表面的高低。 图2 9 和图2 1 0 分别显示的是图2 6 数据没经过插值处理和经过三次插值 处理的结果。其中不同的颜色代表数据物理量的大小，颜色越深表示表面越高。 图2 9 未经插值的篮球表面熏构图图2 1 0 三次插值的篮球表面重构图 3 、计算结果及误差分析 篮球的半径为1 2 0 毫米，根据球的体积公式可以算出篮球上半球的体积为 3 6 1 7 2 8 0 立方毫米。 未经插值时，计算出图2 9 的体积为2 8 9 3 2 1 6 7 5 立方毫米。而经三次插值就 算出图2 1 0 的体积为3 5 4 3 3 5 7 5 立方毫米。比较两者的误差： 未经插值： 毛= 堑旦等嘉号警罟堑卫x o o “z o j o l ，z 6 u 三次插值：晶：! ! ! 丝! 壁二! ! 塑! ! ! ：! 。l o o 。2 。 3 6 1 1 7 2 8 0 可以看出，经过插值处理后的精度比未经插值处理的恰好提高了1 0 倍。而 这2 的误差并非全是因为计算误差造成的。测量中，因测量架需移动四次，且 测量篮球表面高程时，越接近篮球直径处，篮球表面高程的变化梯度越大，加上 测量标尺有弯曲变形和测量针孔不能保证垂直平行等因素，测量误差是造成结果 ( 误差2 ) 的主要原因。 运用a v s e x p r e s s 软件技术实现微形地貌可视化重构算法采用上述插值处 理，只要测量误差控制在一定的范围内是完全能满足实验和实际精度要求的。 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 2 3 微形地貌的实验室模拟实验及可视化 前面由a v s e x p r e s s 软件技术对微形地貌可视化重构算法进行标定，已证明 微形地貌可视化重构算法能够满足本课题研究的精度要求。当我们实现海底采矿 车在海底微形地貌上行走切削及参数计算时，采矿车的作业状况及参数计算结果 是否真实可靠，关键在于模拟出的海底微形地貌能否真实地反映出实际的结构形 状及计算结果。现运用微形地貌可视化重构算法对实验微形地貌进行重构和参数 计算，进一步验证实际地貌可视化的数字地形能否真实地表征实际地貌结构形状 及计算结果。因此，本实验主要从两方面进行验证： a 、从外观方面观察可视化重构的数字地形与实际被测地形之间的逼真程度。 b 、由a v s 肥x p r e s s 软件技术计算出数字地形体积与实际地形体积之间的误 差。 2 3 1 实验材料与主要设备仪器 1 、实验材料： 钴结壳及基岩模拟料 2 、地形高程数据采集器械： 测量平板架带刻度细长针钢尺水平仪照相机 3 、螺旋滚筒切削实验台： 螺旋滚筒切削头扭矩传感器光电编码器电机小车 支撑架计算机动态应变仪 万用表接线端址板卡 信号线 4 、比重及重量测量仪器： 量杯天平称杆秤容器 5 、软件系统： 深海钴结壳采集可视化系统实验参数采集系统 2 3 2 实验室数据采集方法 首先，根据钴结壳基岩物理力学性质参数用水泥、沙和石膏按重量配比 做成钴结壳及基岩模拟料。然后用该模拟料在实验台上任意做一段微形地貌。待 1 4 干后，将一块平板以确定的高度和位置水平架在地貌上面，并以该板为测量基准 设定x 、y 坐标，同时根据坐标方向每隔2 5 毫米测量地貌表面的深度。从而构造 出整个地貌的高程数据。实验场地如图2 一1 1 所示： 图2 1 1 实验地貌切削实验台 本文进行了三次实验，每次实验通过上述采集方法人工采集了近千个高程数 据，分别由表2 1 、表2 3 和表2 5 所示。 2 3 3 实验结果比较 1 、实验数据： 实验一 表2 1 实验地貌高程数据一 日期：2 0 0 3 年8 月2 日 单位：毫米 l 23 4567s91 01 11 21 31 41 51 61 7 11 6 31 7 21 7 01 7 61 6 71 7 51 7 21 7 21 7 41 7 21 7 51 7 51 8 61 7 81 8 22 0 01 8 0 21 5 51 5 81 6 01 6 01 5 61 6 01 7 31 7 11 5 81 7 01 6 31 6 51 7 21 7 51 7 21 6 61 5 8 31 4 01 5 01 4 61 4 21 4 81 4 21 4 51 5 21 5 01 5 01 5 51 5 61 6 01 6 01 5 61 4 61 5 0 41 3 21 3 51 2 81 2 51 2 21 2 01 2 21 2 81 3 01 3 21 4 01 4 01 4 21 4 21 4 51 4 01 4 0 中南大学硕士论文 第二章海底微形地貌可视化研究 51 3 51 2 6 1 2 01 1 0 1 1 2 1 1 0 1 1 51 1 51 2 31 2 2 1 2 01 2 51 3 01 3 51 3 61 3 61 3 5 61 2 51 2 01 1 51 1 21 1 01 0 51 0 31 1 21 1 21 1 51 1 61 1 61 2 21 3 01 3 01 4 31 3 2 71 2 01 1 51 1 51 0 61 1 21 0 61 1 31 1 21 1 01 0 21 0 81 1 01 1 51 2 51 2 61 3 l1 3 5 81 2 01 1 91 1 51 1 21 0 91 1 31 1 01 1 21 1 01 1 11 1 61 1 51 1 51 2 01 2 91 3 31 3 6 91 2 81 2 51 2 01 1 6 1 1 5 1 1 2 1 0 61 2 01 2 21 1 21 1 7 1 1 81 1 11 1 51 2 6 1 3 01 3 6 l o1 2 61 2 81 2 51 2 351 1 01 1 51 1 61 1 21 1 21 1 61 2 01 2 01 1 51 2 51 3 21 4 0 l l1 3 81 3 51 3 51 3 7 1 3 61 3 51 2 21 3 61 4 01 3 31 3 21 3 51 4 01 4 31 3 01 3 01 3 5 1 21 3 51 2 21 2 41 3 51 3 51 4 51 4 1 1 4 61 4 31 4 41 4 5 1 4 6 1 4 31 3 51 2 51 3 21 3 0 1 31 1 81 2 01 1 61 1 21 1 31 1 61 2 01 1 51 1 41 2 21 1 61 2 11 2 01 2 51 3 51 3 51 3 0 1 41 2 31 1 51 1 21 1 01 l o1 1 21 1 01 0 51 0 5 1 0 51 3 01 1 01 1 01 2 01 2 61 3 51 4 2 1 51 2 61 1 51 1 01 0 51 0 21 0 01 0 21 0 09 61 0 09 51 0 31 1 31 2 51 2 61 4 21 4 3 1 61 2 51 2 01 1 51 0 61 0 51 0 51 0 31 0 51 0 31 0 21 0 81 0 81 1 21 1 61 2 61 3 21 4 3 1 71 4 31 2 51 2 01 1 21 1 51 2 01 1 6 1 3 01 2 01 1 1 1 1 61 1 5 1 2 01 2 01 2 s1 3 01 2 0 1 81 4 51 3 51 3 0 1 3 01 3 31 3 51 3 21 3 01 3 01 2 51 2 51 2 51 2 51 4 0 1 3 01 2 61 3 0 1 91 4 01 1 51 1 2 1 1 01 1 51 0 51 0 621 0 61 1 01 1 21 1 21 1 51 2 01 2 01 2 41 3 2 2 01 2 21 1 21 1 01 1 51 l l1 0 51 0 91 0 81 0 6 1 1 0 1 1 11 1 2 1 1 51 2 01 2 21 2 51 3 6 2 11 2 61 2 01 1 01 0 21 0 01 0 21 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 21 1 01 1 51 2 0 1 2 51 3 6 2 21 4 01 2 31 1 21 0 81 0 61 0 21 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 51 0 91 1 01 1 51 2 0 1 2 51 4 0 2 31 3 21 2 8 1 2 01 1 11 1 01 1 01 0 81 0 51 0 51 0 51 0 51 1 01 1 01 1 51 2 01 3 01 5 2 2 41 3 51 2 5 1 2 01 2 51 2 01 2 01 1 61 2 01 1 31 1 61 1 61 1 51 1 11 1 81 2 01 3 01 4 5 2 51 3 61 3 01 3 01 3 11 2 61 4 01 4 2 1 4 01 4 31 3 81 4 01 4 01 3 01 3 61 3 01 3 51 5 0 2 61 4 01 3 51 3 51 4 01 4 01 4 31 4 01 4 31 4 0 1 4 3 1 4 31 4 2 1 3 61 4 01 4 01 4 81 4 5 2 71 3 01 3 01 2 81 2 81 2 51 2 41 2 01 2 01 3 0 1 3 2 1 3 2 1 3 51 3 21 3 01 3 51 3 51 4 0 2 81 2 5 1 2 01 1 51 1 31 1 11 0 51 0 91 1 21 1 21 1 51 1 21 1 61 1 81 2 01 2 51 2 5 1 3 5 2 91 2 21 2 11 1 3 1 0 91 0 61 0 09 61 0 21 0 61 0 81 l l1 0 91 1 31 1 31 1 21 2 61 3 5 3 01 2 21 2 11 1 31 0 91 0 61 0 09 6 1 0 21 0 61 0 8 1 1 1 1 0 91 1 31 1 31 1 21 2 61 3 5 3 11 2 51 2 01 1 51 1 31 1 11 0 51 0 91 1 21 1 2 1 1 5 1 1 2 1 1 61 1 81 2 01 2 51 2 51 3 5 3 21 3 01 3 01 2 8 1 2 81 2 51 2 41 2 01 2 01 3 0 1 3 2 1 3 21 3 5 1 3 21 3 01 3 51 3 51 4 0 3 31 4 01 3 51 3 51 4 01 4 0 1 4 31 4 01 4 31 4 01 4 31 4 31 4 21 3 61 4 0 1 4 01 4 81 4 5 1 6 中南大学硕士论文第二章海底微形地貌可视化研究 3 41 3 61 3 0 1 3 01 3 11 2 61 4 01 4 21 4 01 4 31 3 81 4 01 4 01 3 01 3 61 3 01 3 51 5 0 3 51 3 51 2 51 2 01 2 51 2 01 2 01 1 61 2 01 1 31 1 61 1 61 1 51 1 11 1 81 2 01 3 01 4 5 3 61 3 21 2 81 2 01 1 l1 1 0 1 1 0 1 0 81 0 51 0 51 0 51 0 51 1 0 1 1 0 1 1 51 2 01 3 01 5 2 3 71 4 01 2 3 1 1 2 1 0 81 0 61 0 21 0 01 0 01 0 01 0 01 0 51 0 91 1 01 1 51 2 01 2 51 4 0 3 81 2 61 2 01 1 01 0 21 0 01 0 21 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 2 1 l o 1 1 51 2 01 2 51 3 6 3 91 2 21 1 21 1 01 1 51 1 l1 0 51 0 91 0 81 0 61 1 01 l l1 1 21 1 5 1 2 01 2 21 2 51 3 6 4 01 4 01 1 51 1 21 1 01 1 51 0 51 0 61 1 21 0 6】1 0 1 1 21 1 2 1 1 5 1 2 01 2 01 2 41 3 2 4 l 1 4 51 3 51 3 01 3 01 3 31 3 51 3 21 3 01 3 01 2 51 2 51 2 51 2 51 4 01 3 01 2 61 3 0 4 21 4 31 2 51 2 01 1 21 1 51 2 01 1 61 3 01 2 01 1 11 1 6 1 1 51 2 01 2 01 2 51 3 01 2 0 4 31 2 51 2 01 1 51 0 61 0 51 0 51 0 31 0 51 0 31 0 21 0 81 0 81 1 21 1 61 2 61 3 21 4 3 4 41 2 61 1 51 1 01 0 51 0 21 0 01 0 2 1 0 09 61 0 09 51 0 31 1 31 2 51 2 61 4 21 4 3 4 51 2 31 1 51 1 21 1 01 1 01 1 21 1 01 0 51 0 51 0 5 1 3 01 1 01 1 01 2 01 2 61 3 51 4 2 4 6 1 1 81 2 01 1 61 1 21 1 31 1 61 2 01 1 51 1 41 2 21 1 61 2 11 2 0 1 2 51 3 51 3 51 3 0 4 71 3 51 2 21