（计算机应用技术专业论文）基于vtk的三维地质体建模与可视化系统研究.pdf

摘要 随着计算机图形学技术的迅速发展以及矿山开采规模不断扩大 和深入，三维地质建模与可视化技术在矿山开采和工程建设领域得到 了广泛的应用。国内已有的三维地质建模与可视化技术在建模效率、 真实感与实时交互等方面无法满足实际生产的要求。如何有效地建立 真实准确的三维地质模型，并且能对模型进行快速的绘制已经成为目 前研究的热点之一。本文在v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i 0 图形工具包基础上 对三维地质建模与可视化系统进行了研究。 在结合实际生产的基础上，对系统进行了详细需求分析和设计， 运用了层次结构与插件方式相结合的架构模式，其中基于v t k 的三维 图形引擎采用的是层次架构模式，此引擎提供了通用的三维建模算 法、图形渲染和场景管理功能接口，大大减小的系统开发的冗余度。 在三维建模中采用的t i n ( 不规则三角网) 表示三维地质实体，可以 提高渲染速度和实体运算的准确性。对三维交互式设计方面采用的是 插件的设计模式，减少了系统模块之间的耦合度，可对系统开发进行 有效的管理。 本文研究的三维地质建模与可视化系统基本可以实现三维矿体 建模、三维巷道实体建模以及对三维地质数据的管理，在渲染速度方 面基本满足实际生产的需求。 关键词三维地质，不规则三角形，图形引擎，三维建模 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g ya n d m i n i n gc o n t i n u e st oe x p a n dt h es c a l ea n di n d e p t h ，t h r e e - d i m e n s i o n a l g e o l o g i c a lm o d e l i n ga n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l yu s e d i nt h em i n i n ga n dc o n s t r u c t i o nf i e l d s e x i s t e d3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n g a n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h em o d e l i n ge f f i c i e n c y , r e a l i s t i ca n d r e a l - t i m ei n t e r a c t i o n ，a n do t h e ra s p e c t so ft h e a c t u a lp r o d u c t i o nw a s u n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t s h o wt oe f f e c t i v e l ye s t a b l i s hat r u ea n d a c c u r a t et h r e e - d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e la n dw h i c hc a nb er a p i d l y r e n d e r e dh a sb e c o m eo n eo ft h ec u r r e n th o tr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，3 d g e o l o g i c a lm o d e l i n g a n dv i s u a l i z a t i o n s y s t e m b a s e do nv t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) g r a p h i c st o o l k i tw e r es t u d i e d i nl i g h to ft h ea c t u a lc o n d i t i o n so fp r o d u c t i o no nt h eb a s i so ft h e s y s t e mc a r r i e do u tad e t a i l e dn e e d sa n a l y s i sa n dd e s i g n ，h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r ea n dp r o p o s e dw a y so fc o m b i n i n gt h ep l u g i na r c h i t e c t u r em o d e l 3 dg r a p h i c se n g i n eb a s e do nv t ki su s e dl e v e lf r a m e w o r k , t h i se n g i n e p r o v i d e sg e n e r i c3 dm o d e l i n ga l g o r i t h m ，g r a p h i c sr e n d e r i n ga n ds c e n e m a n a g e m e n ti n t e r f a c e ，g r e a t l yr e d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m r e d u n d a n c y t h eu s eo ft i ni n t h e3 dg e o l o g i c a le n t i t i e sc a nb e e n h a n c e dr e n d e r i n gs p e e da n dt h ea c c u r a c yo fe n t i t yo p e r a t i o n t h e3 d i n t e r a c t i v ed e s i g nb a s e do np l u g i nw a sd e s i g n e dt or e d u c et h ec o u p l i n g i n s y s t e mm o d u l e s ，t h es y s t e m c a nb e d e v e l o p e d f o re f f e c t i v e m a n a g e m e n t i i t h e s y s t e m s o ft h r e e d i m e n s i o n a l g e o l o g i c a lm o d e l i n g a n d v i s u a l i z a t i o ns t u d i e di nt h i sp a p e rc a nb ea c h i e v e db a s i c3 do r e b o d y m o d e l i n g ，3 dr a i l w a ye n t i t ym o d e l i n g a n d3 d g e o l o g i c a l d a t a m a n a g e m e n t ，r e n d e r i n gs p e e di nt h e a c t u a lp r o d u c t i o nt om e e tb a s i c n e e d s k e yw o r d s ：3 dg e o l o g i c a l ，t i n ，g r a p h i c se n g i n e s ，3 dm o d e l i n g i i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：主鱼三查毯日期：盟年月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲燃导师签名挚缝日期丛年月丝日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近几十年来，随着计算机软硬件的高速发展，现代空间信息技术的综合应用也 有了飞速发展，使得人们能够及时和连续不断地获得地球及其环境的大量几何与 物理信息，形成地球空间数据流和信息流从而促进数字地球技术体系的产生【l 】。 随着矿山开采规模不断扩大和深入，矿山开采和工程建设中涉及到的数据和资料 越来越多，如何对这些海量数据和资料进行综合分析，尤其是以生动形象和易于理 解的方式展现出来，是现代矿山信息化的发展趋势。矿山三维地质建模与可视化 技术，就是采用一定的数据结构，建立矿床地质结构特征和矿山开拓系统的数学模 型，运用计算机图形、图像处理和三维可视化显示技术，将矿业工程( 矿体、巷道、 断层、井筒、地下车场等) 的空间数据规律生动、形象地展现出来，并通过对这些 图形携带大量的信息进行分析研究 三维地质建模技术( 3 dg e o s c i e n c em o d e l i n g ) 是由加拿大s i m o nw h o u l d i n g 于1 9 9 3 年提出的【2 】目前，三维地质建模方法与技术概括起来有不规则三角网 ( t i n ) 构模、s e c t i o n ( 断面) 构模法、s u r f a c e ( 表面) 构模法、b l o c k ( 块体) 构模法、 、i r e f r a m e ( 线框) 构模法、s o l i d ( 实体) 构模法和体视化技术【3 1 。各种方法都有其 优点和局限性，有些方法需结合其他方法使用。其中体视化技术是在吸收计算机 图形学、图像处理和计算机视觉等相关学科知识的基础上发展起来的一门研究体 数据的交叉学科。 三维地质建模技术的实质是以三维基元( 体素) 来描述整个物体，它包含物体 内外的全部信息。对体数据显示有两种基本方法：基于表面重建的显示 ( s u r f a c e b a s e dr e n d e r i n g ) 和基于体素的显示( v o w e l - b a s e dr e n d e r i n g ) 或直接 体视( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) 【4 】，最终都将生成一个显示图像。 但由于体视化技术本身目前还面临着一些难点，如没有可靠的分割方法，体 数据的显示速度慢，高维非规则的或向量型体数据可视化等，应用起来都非常困 难。因此，在矿山地质建模与可视化研究中，要综合各种三维地质建模与可视化技 术，结合矿山地质特点，探寻一条能充分反映矿山真实特征的三维地质建模与可 视化技术方案。针对矿井开拓系统的特点，尝试研究地质体、巷道、井筒的空间 拓扑结构与空间接触关系及其可视化显示技术。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状及选题研究意义 三维地质建模与可视化技术的研究在国外开展得较早，到目前，已经形成了 相当的规模，而国内在这方面的研究进行得较晚很多工作才刚刚起步上世纪7 0 年代中期开始，西方主要国家开始研制采矿软件，在理论研究的同时，先后涌现了 一批在石油、矿山和工程地质领域得到广泛应用的商业软件。8 0 年代初期，相 继推出各种采矿软件，比较有影响的有基于u n i x 的l y n x 、v u l c a n ( m a p t e c ) 、 d a t a m i n e 、m i n c o m 、m e d y s y s t e m 、p c 2 m i n e 、s u r p a c 、m 2 k e a g l e s ；基于p c 机的m i c r o m i n e 、g e m c o m 、m i n e o m 、m i n e m a p 、l y n x 、v u l c 觚和基于n t 的 v u l c a n 。这些软件涉及领域包括：矿床模拟、开采评估、设计规划、生产管理 等。由美国x o x 公司开发的s h a p e s ，采用格状模型( c e l l u l a r ) 的几何形体表示 模型，较为成功地解决n 维曲面相交计算及与此相关的问题；由加拿大k i r k h a m g e o s y s t e m s 公司开发的m i c r o l y n x ，采用一种棱柱的体元表示法建模，可以对钻 孔、测井记录、t i n 模型等进行综合管理；法国研制的g o c a d 软件【5 】基于表面内 插技术d s i ( d i s c r e t es m o o t hi n t e r p o l a t i o n ) ，可考虑不确定数据，对地质褶皱现象便 于处理；由美国d y 2 n a m i cg r a p h i c 公司研制的w m ( i n t e r a c t i v ev o l u m em o d e l i n g ) ， 在模型上使用规则三维栅格空间模型，每个栅格结点都带有可计算的特性信息， 其主要优点是具有对连续三维空间中的各种现象进行建模、计算、分析的能力， 但该系统对属性不连续变化的对象，如矿石类型的表示和处理有一定的困难；d g i 公司的地球可视模拟系统( e a r t hv i s i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 软件包所生成的三维空 间立体图形较为清楚地反映了地层与地质结构的空间分布及其相互关系，该软 件是基于计算机的绘图、分析和可视化的系统软件，主要用于形成静态三维块体 模型，来反映结构面( 断层、破碎带、节理、岩脉和岩场) 之间的交切关系，不连续 面和层面位置用规则的网格数据( x ，y ) 来表示，每个网格点上的高程为基本未知 量。 矿山三维地质建模和可视化是一项非常复杂的系统工程，虽然近些年来在国 内学者的共同努力下取得长足发展，但由于地质体本身是一个非均质、各向异性 的不连续三维实体，对地质体各种属性信息的描述还只是一种近似，无法达到真 三维表述和建模。而且对那些空间分布、空间形态与空间关系均不确定的矿体与 地质结构等数据进行描述与拓扑关系结构的建立，都是急需解决的技术难题。 体视化技术的出现和发展大大推动了三维地质建模和可视化技术的发展，但 对矿井开拓系统的空间数据描述、空间拓扑关系的建立与可视化显示还有些算法 需要进一步发展和完善。 我国目前尚无独立版权的三维地学模拟软件，对国外软件的应用也刚刚开始， 2 硕士学位论文第一章绪论 而且仅仅是做一些探索性的应用研究工作。例如，中国矿业大学吴立新等基于 l y n x 进行了三维地学模拟体视化技术在煤矿的应用研究，中国地质科学院区 划室陈郑辉、肖克炎等基于v u l c a n 软件系统对阿舍勒铜锌矿床三维立体模型的 研究。矿山三维地质建模和可视化在指导地质找矿和矿业开发等方面具有非常重 要的实用价值： 第一，有利于对海量数据和资料进行综合分析处理 第二，有利于提高资源利用的信息化程度，便于实现系统管理和资源共享 第三，有利于实现分析成果的空间表达，增强可视性 ， 第四，有利于采取快速、合理的措施以尽量降低成本 因此对于三维地质建模与可视化研究具有很高的研究意义和应用价值。 1 3 本文的研究内容和章节安排 上节重点介绍了国内外研究现状和选题的意义，本节将着重介绍了本论文的 研究内容，以及各章节安排。 1 3 1 本文研究内容 三维地质建模与可视化经近几年的研究，在理论研究和软件开发方面已经取 得了可喜的成果，但三维地学模拟的理论、方法和技术目前尚不成熟，还有许多 问题有待解决，矿山地质建模与可视化过程以及需要解决的问题如下： 1 地质体信息特征及模型建立 地质现象( 地质体) 极其复杂，地壳中的地质体的成因、规模、结构、构造形 态差别较大，仅从几何学的观点来看，各种地质体的构造都可以归纳为面状构造、 线状构造和( 矿) 体构造。面状构造主要有层理( 地层面) 、节理和断层( 断裂) ：线 状构造包括呈线性构造以及各种平面的交线，如褶皱的枢纽和线理等：矿体则是 富集某些矿物成分的岩石体，根据矿体形成的原因、环境和条件的不同，矿体的 形状有层状、脉状、网状和团块状之分。作为表达三维地质现象的3 d g m 来说，主 要考虑的地质现象为地层、断裂和矿体。因此，地层、断裂和矿体的几何形态、 空间拓扑关系以及物性信息的研究，就成为矿山地质建模与可视化主要研究内容 之一。 2 矿山实体及矿山开拓系统的建模 矿山的人工构建物( 井筒、巷道、井底车场等) 既是自成体系的空间网络系统， 又是与自然地质体密切相关的网络系统。因此，除了研究井筒、巷道、井底车场 等它们本身的空间属性关系、空间拓扑关系，还要研究它们与地层、构造及矿体 硕士学位论文第一章绪论 的空间拓扑、空间关联与空间接触关系，从而建立起矿山实体与矿山开拓系统的 数学模型。 3 维地质建模与可视化研究就是要综合现在比较流行的各种地质建模技术， 建立符合我国矿山地质特征的三维地质模型和矿山开拓系统空间拓扑结构模型， 并采用面向对象的可视化编程工具v i s u a lc + + 6 0 和通用的开放式的可视化工具 包v t k ( v i s u a l i z a t i o n t o o l t ) 技术，实现矿山的三维可视化显示。研究方法与技 术路线如下： ( 1 ) 收集资料( 钻孔、地质测量、测井、地震以及采矿工程资料) ，结合矿山 地质属性与采矿工程特点，建立矿山地质与采矿工程基础信息数据库： ( 2 ) 以矿山地质建模理论为指导，提取建模要素( 点、线、曲面、交线、闭 合岩石区域、网络与物性等) ，再现各建模要素在三维空间的分布形态和拓扑关 系，建立矿山地质与井巷开拓系统网络相容的模型： ( 3 ) 采用合适的编程和可视化显示工具，实现模型的三维可视化和属性信息 的查询以及模型的交互操作。 1 3 2 章节安排 本文的章节安排如下： 第一章阐述三维地质体建模与可视化研究的意义和各个章节的安排，以及 对相关的国内外研究现状和发展趋势进行了讨论； 第二章详细介绍了三维可视化工具包v t k 原理机制，详细介绍了v t k 的结构、 对象模型、数据格式和内存管理与性能优化； 第三章给出了三维地质体建模与可视化系统的整体设计，详细论述了三维 地质建模与可视化的系统设计层次结构，并重点介绍了三维引擎模块的设计； 第四章论述了系统核心模块算法研究与实现算法。这部分是在三维引擎的 基础上的应用模块，也是本文研究重点和难点。本章给出了三维实体布尔运算、 复杂轮廓线的三维重构算法以及巷道三维的建模研究； 第五章对整片论文进行了总结，并且提出了进一步的工作展望。 4 硕士学位论文 第二章三维可视化工具包v t k 原理 2 1v t k 简介 第二章三维可视化工具包v t k v t k 是一个面向对象的可视化类库，它为从事可视化工具开发的广大科研工 作者提供直接的技术支持。v t k 具有极其强大的功能，不仅提供了强大的可视化 功能，而且还提供了强大的图像处理以及有限元分析的功能，能够对标量场、矢 量场以及张量场的数据进行重建。对于广大从事可视化应用研究以及可视化应用 程序与系统开发的科研工作者来说，v r k 具有非常重要的意义。 v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 是一个开放源码、自由获取的软件系统，全世界的数 以千计的研究人员和开发人员用它来进行3 d 计算机图形，图像处理，可视化。 v t k 包含一个c + + 类库，众多的翻译接口层，包括t c l t k ，j a v a , p y t h o n 。 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 是一个用于可视化应用程序构造与运行的支撑环境，它是在 三维函数库o p e n g l 的基础上采用面向对象的设计方法发展起来的，它将我们 在可视化开发过程中会经常遇到的细节屏蔽起来，并将一些常用的算法封装起 来。比如v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 将我们在表面重建中比较常见的m a r c h i n gc u b e s 算 法封装起来，以类的形式给我们以支持，这样我们在对三维规则点阵数据进行表 面重建时就不必再重复编写m a r c h i n g c u b e s 算法的代码，而直接使用v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t 中已经提供的v t k m a r c h i n g c u b e s 类。v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 是给从事可视 化应用程序开发工作的研究人员提供直接的技术支持的一个强大的可视化开发 工具，它以用户使用的方便性和灵活性为主要原则，具有如下的特点： 1 具有强大的三维图形功能。v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 既支持基于体素 v o x e l b a s e dr e n d e r i n g 的体绘制v o l u m er e n d e r i n g 又保留了传统的面绘制，从而 在极大的改善可视化效果的同时又可以充分利用现有的图形库和图形硬件。 2 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 的体系结构使其具有非常好的流s t r e a m i n g 和高速缓 存c a c h i n g 的能力，在处理大量的数据时不必考虑内存资源的限制。 3 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 能够更好的支持基于网络的工具比如j a v a 和v r m l 随着w e b 和i n t e m e t 技术的发展v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 有着很好的发展前景。 4 能够支持多种着色如0 p e n g l 等。 5 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 具有设备无关性使其代码具有良好的可移植性。 6 v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t 中定义了许多宏，这些宏极大的简化了编程工作并且 加强了一致的对象行为。 7 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 具有更丰富的数据类型，支持对多种数据类型进行处 5 硕士学位论文第二章三维可视化工具包v t k 原理 理。 8 既可以工作于w i n d o w s 操作系统又可以工作于u n i x 操作系统极大的方 便了用户。 2 2v t k 可视化机制与原理 v r r k 采用了面上对象的设计方法，在设计架构方面做的比较成熟，其数据 存储结构简洁，对象模型多样性，易于项目开发操作，并且具有功能强大的内存 管理功能，下面着重介绍一下y r k 可视化的机制和原理。 2 2 1v t k 的机制 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 是在三维函数库o p e n g l 的基础上，采用面向对象的 设计方法发展起来的。它将我们在可视化开发过程中常用的算法封装起来，屏蔽 了具体的细节。v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 采用的是p i p e l i n e 机制，几乎可以对任何类 型的数据进行处理，并提供了许多相应的类对各种类型的数据进行转换或处理。 根据所要处理的原始数据类型的不同和所使用的算法以及所要达到的结果，我们 可以设计和建立起自己的可视化流程，并由此选择不同的数据处理和转换的类， 用数据通道将这些类连接起来，将原始数据类型转换为所采用的算法模块可以直 接进行处理的数据类型，最终得到我们所需要的可视化的结果，而且所有的类和 算法模块都是可扩充的，用户可以将自己开发的类或模块转换成系统可以接受的 形式，并可替换或扩充原有的类。所以v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 是一个开放的系统， 可以扩展到任何应用领域。 2 2 2v t k 的可视化结构 用面向对象技术的对象模型图表示v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 的框架结构如图2 1 所示。 6 硕士学位论文 第二章三维可视化工具包v t k 原理 忡一： 图2 - 1 图形模型 用v t k 来产生图形和进行可视化应用是非常方便的，它包括两个基本部分。 首先，建立一个数据流水线( d a t ap i p e l i n e ) 来处理数据：其次，建立适当的目标 图形来演示数据。建立流水线( p i p e l i n e ) 就是将s o u r c e s ，f i l t e r s 和m a p p e r s 连 接起来。v t k o b j e c t 是v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 类库的基类，它为整个可视化流程提供 基本的方法。v t k s o u r c e 是v t k o b j e c t 的派生类是v t k f i l t e r 的图2 - 1 v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t 对象模型的框架结构图父类，它为整个可视化流程的开始( 比如读取数据 等) 定义具体的行为和接口 6 1 。v t k f i l t e r 是v t k s o u r c e 的派生类，它对数据进行各 种处理，将原始数据经过各种f i l t e r 的处理后转换为可以直接用某种算法模块对 其进行处理式。v t k m a p p e r 也是v t k o b j e c t 的派生类，它将经过各种f i l t e r 处理后 的应用数据映射为几何数据，为原始数据与图像数据之间定义了接口。这样，依 据要处理的数据的类型和想要实现的功能，多种类型的s o u r c e s ，f i l t e r s 和 m a p p e r s 就连接了起来。类型检查控制着哪一类的f i 1t e r s 可以连接在一起。 v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t 一个很特别的地方是：对于任何进行可视化的数据，它都是 通过演员在窗口中表现出来的，因此建立目标图形应该做以下工作： 第一，建、_ f f _ r e n d e r i n gw i n d o w ( 绘制窗口) ； 第二，建立a c t o r ( 交互操作者) ，v t k a c t o r 类用来表达绘制场景中的一实 体，也就是绘制场景中的演员。它通过s e t m a p p e r ( ) 方法将几何数据的属性告诉 演员； 第三，建立r e n d e r e r ( 演示者) ，通过v t k r e n d e r 类将结果在窗口中显示出来。 2 2 3v t k 的对象模型( o b j e c tm o d e l s ) 在v t k 中有两个不同的对象模型，即可视模型( v i s u a l i z a t i o nm o d e l ) 与图 形模型( g r a p h i c sm o d e l ) 。图形模型是图形实体的抽象模型，这一模式主要用来 将数据集的几何形状展示为直观的三维图形，并对实体、光照、照相机、绘制窗 硕士学位论文第二章三维可视化工具包v t k 原理 口等属性进行设置和操作，完成图像生成和用户交互的功能，它由9 个基本对象 构成，下面是这些对象的简单描述： r e n d e r i n t e r a c t o r ：用于实现与绘制窗口的用户交互； r e n d e rw i n d o w ：接受一个或多个r e n d e r e r 生成场景和管理显示窗口： r e n d e r e r ：对l i g h t 、c a m e r a 、a c t o r 进行坐标定位； l i g h t ：对场景中的a c t o r 赋予光照度； c a m e r a ：定义场景的视角、焦点等属性； a c t o r ：场景中绘制的实体，由m a p p e r 、p r o p e r t y 、t r a n s f o r m 对象定义； p r o p e r t y ：用于设置a c t o r 的颜色、亮度、纹理图、绘制方式和阴影方式 等表面属性； m a p p e r ：代表了实体的几何形状； t r a n s f o f i n * 定义a c t o r 、c a m e r a s 、l i g h t s 的位置和方向。 可视模型是指可视化处理过程中数据流模型。v t k 是基于数据流模型的系统， 众多数据处理模块被连接形成数据处理可视化网络，可视化模式由两类基本的对 象组成：数据对象和处理对象，数据对象代表了进入可视化网络的数据集类型， 在v t k 有6 种数据集类型，p o l y g o n a ld a t a 、s t m c t u i 甜p o i n t s 、s t m c t u l e dg r i d 、 u i l s 仃u c t u 】砌g r i d 、u 1 1 s t m c t u r e dp o i n t s 、r e c t i l i n e a rg r i d ，数据结构如图2 - 2 所示： ” 仓舻 a ) 圈妒 b )c ：? ；7 - ：二 。： e ， ( v t k d a t a s e t ) 人 v t k s t r u c t u r e d p o m t sj ) ( v t k p o m t s e t ： - ：v t k s t r u c t u r e d g n d )( x t _ k p o l y d a t a! ( v t k u n s t r t u ：r t r r e d g r i d ) 图2 - 2 数据集类型 数据结构及对象继承关系处理对象按功能分为三种：数据源对象、过滤器、 映射器。数据源对象用于产生或接收数据集，将其导入到可视化网络之中，是可 视化网络的起点。过滤器用于对数据集进行各种算法的处理，它可接受一个或多 i & 臼 墨移m 一口硷 硕士学位论文第二章三维可视化工具包v t k 原理 个数据集输入，也可产生一个或多个数据集输出。映射器是可视化网络的终点， 将处理后的数据集映射为可展示的几何形状。这三种对象在可视化网络中的关系 如图2 - 3 所示。 2 2 4v t k 的数据格式 图2 - 3 对象在v t k 流中的关系 由于不同的数据集类型具有不同的规则( r e g u l a r ) 程度，所以它们详细的描 述信息也不尽相同。对于几何规则的数据集，就不需要记录详细的点标，当然对 于拓扑规则的数据集，就不需要详细记录其拓扑数据( c e l l s ) 。v t k 中是通过记录 c e l l 类型与组成该c e l l 的坐标点序列来表达式的。v t k 中一共有1 4 种c e l l 类 型【7 1 ，如图2 4 所示。 口m ， 厂弋” v t l c - p o l x l z 舳 v t x l p o l ，v e r t l 口【f 2 、，。t 官l z 船 f 3 ： 图2 - 4c e ll 类型 所有的数据都按一定的存储格式存储的，v t k 的数据存储格式有五部份组成： 9 受 3 一一 粤一篮 笪凰砼 硕士学位论文第二章三维可视化工具包v t k 原理 文件版本信息： 文件的一些描述信息； 指示文件格式是a s c i i 还是b i n a r y ； 文件的主要部分，描述文件的几何( p o i n t s ) 和拓扑( c e l l s ) 数据； 属性数据。 2 2 5v t k 的内存管理与性能优化 v t k 借助组件( c o m ) 的思想，通过指针引用( r e f e r e n c e ) 来达到节省内存 的目的，如图2 5 所示，假设有a 、b 、c 三个对象组成了一个可视化网络的一部 分，同时假设这些对象只是各自一部分数据不同，而它们的坐标点是一样的，那 们它们可以同时引用一个描述坐标点的数据块f 7 l 。 图2 - 5 通过引用计数节省内存资源 此外，在v t k 中可以通过以下四种方式来达到节省内存、优化性能的目的。 1 使用u s e r e l e a s e d a t a f l a g ，这样可以在数据不再使用时立即释放； 2 使用i m m e d i a t e m o d e r e n d e r i n g ，这样v t k 就不会使用o p e n g l 的显示列表 ( d i s p l a y1 i s t s ) 从而不会在内存中形成一数据备份； 3 使用v t k s t r i p p e r 生成三角开条带，因为o p e n g l 对于三角形( t r i a n g l e s ) 或多边形的渲染效率较低； 4 使用不同的v t k f i l t e r 与v t k m a p p e r ，在v t k 中对于一类功能提供有多个 不同的v t k f i l e r ，而对于数据集也提供有多类不同的v t k m a p p e r ，可以选择不 同的实现方法来达到目的。 2 3v t k 在本系统中的应用 可视化工具包v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l l 【i t ) 是基于w i n d o w s 和u 1 1 i x 环境的面 向对象的可视化工具，在三维函数库o p e n g l 基础上，将一些常用算法和细节屏蔽 l o 等一 硕士学位论文 第二章三维可视化工具包v t k 原理 起来，以动态库的形式提供，提高了工作效率 2 】。因此，采用v t k 作为地形三维可 视化的开发工具是极为合适的 在本文中的三维引擎中是在v t k 的基础上构建的，利用t v t k 的基础算法，图 形绘制，和简单的交互能力，以及数据存储功能，大大简化的开发的和研究工作 量，并且v t k 的很好可扩充功能。图2 6 是简单展现了v 吸在三维地质建模与可 视化系统中的层次结构图： 应用层( 三维地址建模、显示、数据管理) 交互式三维图形引擎 可视化工具包v r k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) p c + w i i l d o w s9 x n t + v ( 、+ + 6 0 图2 - 6 三维地质建模与可视化系统架构图 硕士学位论文第三章三维地质体建模与可视化系统设计 第三章三维地质体建模与可视化系统设计 3 1 系统总体的设计目标 三维地址建模与可视化技术是将计算机图形学与采矿工程学相结合起来。它 在矿山开采计划与设计得到了广泛的研究。针对不同的应用，三维建模与可视化 技术系统采用了不同的技术。我们将探讨在三维地址建模应用方面以及可视化方 面的需求确定系统所要实现的功能。 3 1 1 系统设计需求分析 在三维地址建模与可视化的应用中，对三维模型有其特殊的要求。总的来 说有如下几点： 、 1 模型需要具用不规则三角网来表达。三维地址体大都是一些不规则的体构 成，为了准确快捷的表达三维实体，以及进行实体计算，并且采用不规则三角网 在系统真实感渲染方面具有非常重要的作用。 2 为了保证系统的实时渲染速度，构成物体模型的面片数应该尽量少。这个 需求是可视化应用所特有的，在实时渲染系统中，系统渲染流畅程度决定了这个 系统的总体表现。同时我们也注意到，人的视觉只对几何结构的形状敏感，而对 其精确性是不敏感的。因此在以渲染为目地的系统中，可以适当的减小几何模型 的精确度。 3 需要简单有效并且低成本的建模方法。因为三维地质建模与可视化广泛应 用前景，要有低成本的建模系统来促进应用的普及性。同时在一个建模环境中需 要构造大量三维实体，因此建模系统应该操作简单、快捷。 4 需要考虑系统的健壮性以及对系统的可扩展性，对于采矿工程来讲不仅仅 是三维建模，而且还要考虑到地质分析与计算，做出符合地质现象分布变化规律 的工程设计与施工方案【8 】，模块多算法复杂，这就要求对系统模块的健壮性和可 扩展性提出一定的要求。 3 1 2 系统所应具有的特点 根据上面的需求分析，本文设计的原型系统有如下的特点： 1 - 对于所构造的模型，用较少的面片表示物体的基本几何信息，用颜色纹理 表示物体的局部细节信息。这里，本文采用基于三角面片的的建模技术来达到这 1 2 硕士学位论文 第三章三维地质体建模与可视化系统设计 个目的。 2 快速和简便的操作过程。这主要表现在：具有灵活的交互设计。 3 为了准确的表达三维实体，需要优化的算法设计，同时使用了v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t ( v t k ) 作为构造几何模型方面的开发包，具有强大的可视化功能和建模算 法。 4 为了使系统具有较高的健壮性和更好的可扩展性，本系统采用了层次结构 设计，算法的模块设计，以及组件的设计方法进行设计，提供了一个通用的交互 式三维图形引擎，可以更快捷的开发应用层模块，使系统的可扩展性更强，对于 引擎中复杂算法利用了模块的设计思想，对于应用模块我们采用的是插件的设计 思捌9 1 ，利用各个模块之间的相互独立和开发进程的管理，这样可以极大的提高 系统的可扩展性和健壮性。 3 2 三维地质体建模与可视化系统的层次结构 在充分考虑地质数据多源性、复杂性、不确定性等特点的前提下，在系统的 设计与开发时应遵循经济性、健壮性、可视性、交互性、可扩充性、模块化、应 用模块与数据相分离等1 0 1 ，也应注意到三维地质建模的目的不仅仅是用计算机 来展示地质体的真实面貌，更重要的是要为解决地学领域和实际工程应用问题提 供一个开发研究的崭新环境和科学手斟1 。 3 2 1 系统体系结构 根据系统功能需求、系统用户特征和系统建设目标，基于v t k 的三维地质建 模及可视化系统，目前采用c s 结构的集中式数据管理模式，运行于局域网环境。 以后可考虑扩充至c s 结构与b i s 结构并存的多层体系结构，使系统能够适应并 支持局域网和广域网两种网络环境。 3 2 2 系统功能模块 基于v t k 的三维地质建模及可视化系统分为交互式v t k 图形引擎、三维地质 结构建模和地质数据管理。各个模块间的层次结构如图3 - 5 所示： 硕士学位论文第三章三维地质体建模与可视化系统设计 应用层模块 三维建模三维实体显示地质数据管理 巷三维三维巷道查数 道矿体体数的虚询据 建建模据显拟漫显 编 模不游 不辑 基于v ，r k 的交互式三维引擎模块 w i n d o w9 x n t+v c + + 6 0 图3 - 5 基于v t l 【三维地质体建模与可视化系统架构 各个模块的具体功能包括： 1 三维地质体建模，采用灵活而友好交互式建模方式和经过优化的数据组织 结构，将以点、线为基本形态的零散的、局部的勘查资料解释结果在三维空间中 综合起来，重现地下地质界面和地质体的空间形态和组合关系，进而重建三维地 质构造形态模型。本模块重点提供对三维巷道实体模型建模、三位地址体的建模， 并提供包括体积、面积、距离计算等的三维量算功能。 2 三维实体显示主要完成三维地质体、三维巷道显示以及三维巷道的虚拟漫 游功能。通过剖分获取三维地质体的真三维实体模型，将三维地质模型用三维图 形生动地表现出来，实现对三维地质模型建模以及相应模型的旋转、平移、放大、 缩小等可视化操作及巷道体内实时虚拟漫游等可视化模拟功能。 3 地质数据管理。系统利用g i s 技术主要针对对三维图形数据进行一体化 的存储、管理。实现地质勘察所获取的资料和成果的录( 导) 入、转换、编辑、 查询等功能。系统支持对各种三维地质模拟结果、成果资料的存储管理，提供与 钻孔相关的各种基本信息及试验结果等属性信息的查询，提供对多种成果图件及 分析表单的查询与统计。 4 交互式v t k 图形引擎，本模块是应用层模块的基础模块，它主要完成了图 形建模、场景渲染与交互模块设计、场景管理以及交互地基础功能，很好的为上 层应用模块提供快捷、通用接口函数和算法。 3 2 3 系统应用扩展性 基于v t k 的三维地质建模及可视化系统不仅提供了地质数据管理、三维地质 建模与的可视化功能，还可为专业技术人员提供了一个可视化的分析、设计平台。 1 4 硕士学位论文 第三章三维地质体建模与可视化系统设计 通过三维模型，将以往仅仅蕴涵于地质学者脑海中的地质体及其形态构造直观形 象的展现在规划设计师和岩土工程师面前，能够最大限度地增强地质分析的直观 性和准确性，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案，从而减少 人类对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的巨大风险【1 2 】等。 3 3 三维引擎模块设计 3 d 引擎作为一个名词已经存在很多年了，但即使是一些专业的引擎设计师， 也很难就它的定义达成一个共识。通常来说，3 d 引擎作为一种底层工具支持着 高层的图形软件开发。你可以把它看成是对3 da p i 的封装，对一些图形通用算 法的封装，对一些底层工具的封装。本系统为什么要花很大精力来建立三维引擎 这个模块，主要考虑到突下的一些因素： 1 硬件和软件的标准不断在变化：3 d 加速卡和a p i 市场