基于OpenGL和OPC技术的煤矿三维可视化信息系统的研究.doc

基于OpenGL和OPC技术的煤矿三维可视化信息系统的研究 声 明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。加、歹、日期:论文作者签名:缉一关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使甩学位论文的规定,其中包括:学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论:丈;学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;学校可以公布学位论文的全部或部分内容保密学位论文在解密后遵守此规定。签名:麴一隰仁./导师签名:劢/./日期:太原理工大学硕士研究生学位论文基于和技术的煤矿三维可视化信息系统的研究摘要煤炭作为一种常规的矿物能源,对国民经济和社会发展有着不可替代的重要作用。煤炭生产历史悠久,但煤矿的安全生产一直是一个世界性难题。由于煤矿生产涉及到的系统繁多,数据量庞杂,且管理和生产环节相互分离,难以进行现场管理,客观上造成煤矿安全生产管理的诸多困难。近年来,随着信息化技术的发展,我国煤矿生产的信息化、网络化、数字化的程度不断提高,但是受传统生产模式和工艺的影响,信息孤岛现象严重,信息可视化程度低,因此,构建一个集成的三维可视化的信息管理平台,有着深远的意义。,开放图形库和本文所研究的基于 ,用于过程控制的技术的煤矿三维可视化信息系统,属于煤矿安全生产综合信息监控研究领域,着重研究了三维可视化建模、基于的三维可视化和基于接口系统集成的实现。由于煤矿生产管理信息系统是一个庞杂的系统,所以本文提出了分层设计的原则,将系统的设计和实现分为两步:首先在系统集成、三维可视化技术的基础上,设计了一个三维的组态软件平台,然后在三维组态平台之上,对煤矿各个子系统进行重新整合,进行二次组态化开发,构建三维可视化的综合信息管理系统。利用图形和动画易于表达复杂但精度要求不高的信息的特点,非常直观地展示煤矿运输巷道与煤炭生产各个重要环节以及矿内工作人员活动情况。管理人员可以通过此可视化信息平台,监测井下的各个地点设备的实时状态信息,分析安全生产形势,在必要的时候做出控制或安全生产调度,从而提高了生产效率、减少了生产事故。本文首先简述了开发煤矿生产信息系统的背景和意义,分析了国内外研究现状,总结了煤矿生产信息管理平台存在的不足,提出了基于和技术的研究方案。太原理工大学硕士研究生学位论文其次,以煤矿生产三维空问实体为对象,对煤矿生产三维可视化建模的关键技术和关键算法进行综合分析和深入的研究。针对煤矿场景三维建模的特点,采取了混合建模的方案和基于 ,似,不规则三角网和直三棱柱的地层、巷道三维集成数据模型,并在语言的平台上对其数据结构进行了设计;分析了基于可视化实现的过程;针对煤矿企业信息孤岛的现象,提出了基于技术接口级系统集成的方法来实现煤矿异构系统无缝链接,深入分析了技术的实质和通信逻辑。第三,分析了组态系统的功能特点和结构,在 平台上,结合可视化技术、接口技术、控件开发技术,设计开发了基于的三维可视化组态平台,着重介绍了三维绘图控制模块、基于的通讯模块的程序开发过程,并详细说明了实现过程和关键环节的程序代码。最后,利用三维组态平台进行二次开发,构建煤矿生产三维可视化信息系统。介绍了煤矿生产三维可视化系统总体设计的构架和实施方案,以及系统的性能特点、可视化界面的设计风格、界面开发过程。并以人员定位系统为实例,详细介绍了人员定位系统的系统组成、界面设计、实现的功能,并展示了运行时的界面效果图。关键词:三维可视化,系统集成,技术,组态化平台,煤矿生产信息系统太原理工大学硕士研究生学位论文 . . , ?, ,., . , , ? ,.,?: ,?,? . 太原理工大学硕士研究生学位论文 ,.?, .? .,.?, , ? . , , , .?.,太原理工大学硕士研究生学位论文,.? ., ,. . , , ,.:?, ,太原理工大学硕士研究生学位论文目录第一章绪论?.研究的背景与意义.课题的国内外研究现状.课题主要研究内容.课题的组织结构第二章煤矿三维建模与可视化实现的综合分析?.建模技术.建模技术的比较一.混合建模技术的实现?.三维可视化系统数据模型研究.三维数据模型?一.地层与巷道三维集成建模的思路.基于和的三维集成数据结构设计.几何建模及其算法研究?.巷道三维建模的设计?.地质煤层三维建模的设计.矿区工业场景空间对象几何建模. 可视化技术?.的功能.绘图原理?.运行环境的设置?.基于的三维可视化实现过程?.环境背景的参数设置?.三维模型变换?.光栅化及片段处理.可视化的实现?.本章小结?.太原理工大学硕士研究生学位论文第三章基于技术系统集成的研究.基于的系统集成思路?.技术.基础技术简介?.技术原理及其结构模式?.的框架与组件?.服务器和客户端接口的设计?.服务器对象与通信逻辑?.服务器接口的设计.客户端接口的设计.本章小结?.第四章基于的三维组态软件平台的研究与设计.组态软件结构和功能分析?.组态软件的开发研究现状.组态系统的结构和功能分析?.开发三维组态平台的关键技术.基于的三维组态平台的总体设计.系统特点.开发环境和工具.开发和运行模块的设计.图形绘制模块的设计与实现.绘图模块的构成.图形绘制过程?.图形绘制模块的编程实现.基于技术的通讯接口的设计与实现?.服务器接口的总体结构与功能?.服务器的设计与实现?.客户端的设计与实现?.本章小结?.太原理工大学硕士研究生学位论文第五章煤矿生产三维可视化综合信息系统的设计与实现.系统总体设计.总体构架.系统性能?.实现方法简述?.可视化界面的设计?.界面设计风格?.界面开发过程?.系统的实现?.系统三维交互模式实现.系统集成的实现.人员定位系统的实现.系统组成.信息查询.本章小结?.第六章论文总结与展望.总结?.前景展望?.参考文献?.致谢.攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果.附录一:极小化的绘图程序构架.附录二:天空盒绘制关键程序?.太原理工大学硕士研究生学位论文太原理:】二大学硕:究生学位论文第一章绪论 弟一早三百下匕煤炭行业在我国国民经济和社会发展中起着举足轻重的作用,而煤矿安全是煤炭生产的头等大事,它对煤炭生产起着保证、支撑和推动作用。从煤炭在我国能源生产及消费结构中的比例看,在今后很长的一段时间内,煤炭将作为必不可少的战略资源,在我国经济和社会发展中发挥着不可替代的作用。一直以来,我国煤炭产量居于世界的前列,然而安全生产状况却十分严峻,矿难频发,据统计,我国煤矿事故死亡人数总量是世界其它产煤国家矿难人数总量的倍。到目前为止,还没有一个完善的安全生产体系和管理平台,所以如何构建一个行之有效的煤矿生产集成管理平台,己经成为国内外众多学者和煤矿企业研究的热点。.研究的背景与意义要解决煤矿安全问题,不仅需要采用高新科学技术成果更新生产设备,还需要利用计算机技术提高安全管理水平。为了进一步降低安全隐患,推动数字化矿山建设,国家安全监管总局、国家煤矿安监局在传统采煤六大系统之上又印发了煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善基本规范的通知,敦促煤矿企业建立和完善人员定位、监测监控等系统,提高地下矿山安全生产保障能力?。近年来,国家针对煤矿安全问题采取了多方面的有力措施,进行中小型煤矿整合、强制执行安全标准、增大煤矿投入,对加强安全生产取得了很大成效。一些煤矿企业为了提高煤矿的生产效率,降低生产成本和安全隐患,已经开发出了各式各样的业务系统,如财务系统、人力资源系统、办公自动化系统、安全监测系统生产调度系统等。但是由于煤矿生产的特殊性:第一,主要是地下生产,地上管理,管理与生产机构的脱节;第二,煤层的分布复杂,走向多样,存在不可预见性,很难直观的把握;第三,机构繁多,系统多样,所涉及到的人员、机具、材料很多,各式各样的数据量庞大,这给煤矿生产管理带来了不便;第四,各系统之间没有统一标准,系统信息都自采自用,不能共享,形成了多个信息岛的局面。因此,一方面由于煤矿生产存在管理和生产的二重性,煤矿生产涉及到的系统繁多,数据量庞杂,另方面煤矿企业出于生产效益的考虑,虽然已经开发出了各式各样的业务系统,如财务系统、人力资源系统、办公自动化系统、安全监测系统生产调度系统等,但这些系统都不具备开放性,各自为政,无法在异构系统之间进行数据的采集和交换,形同一座座的信息孤岛。所以基于以上的考虑,从提高煤矿生产可视化管理和不同系统之间集成这两点入手,创建一个三维可视化的综合信息管理平台,利用人对图形的感知能力以及图形易于表达复杂、量多但精度要求不高的信息的特点,直观地展示煤矿地下运输巷道与生产现场的地形地貌、煤炭生产的各个重要环节以及矿内工作人员活动情太原理工大学硕士研冗生学位论文况。管理人员可以通过此可视化信息平台监测井下的各个地点设备的实时状态信息,分析安全生产形势,在必要的时候做出控制或安全生产调度,实现对采煤各个环节管理的自动化,对降低安全隐患,提高生产效益有着深远的意义。.课题的国内外研究现状美国和西欧等矿业发达的国家在煤矿信息化研究的方面起步较早,煤矿生产环境与生产设备的自动化水平较高,井下监测系统发展迅速,其整体技术水平和生产条件与国内煤矿不具备可比性。尤其是二十世纪末期以来,在信息化革命的带动下,煤矿开采加工和智能监测技术迅速发展,先进的采煤国积极采用新技术,加强了对开采技术装备的研制和开发,将计算机控制技术应用到煤矿生产过程中,大大提高了生产的效率,一定程度上实现了矿井集约化生产。美国、英国、德国等发达国家研制了新型的采掘、提升设备,这些设备采用了在线监测监控、集散控制等先进的技术,不仅设备功能内涵发生重大突破,而且在计算机控制技术支持下,实现了煤矿生产过程的自动控制。在生产设备和技术取得长足进步的同时,煤矿安全状况仍然不容乐观,伤亡事故时有发生,为保障煤矿安全生产,国外一些发达国家加强了煤矿安全监控和信息管理工作,在不断完善各个子系统的基础上,提高了整个煤矿企业的安全生产监测监控的管理水平。但是国外研究的重点主要集中在对井下安全监控系统和新型采煤设备的研究的上,没有形成一个集成的信息化系统,可视化水平也不高。煤炭是一种不可或缺的战略资源,各国政府都对煤炭的安全生产极为重视。自从新中国成立以来,我国更是将煤矿的安全放在煤炭生产的首位,并制定了相关的政策。由于我国地质条件多样,煤层分布复杂,与世界发达国家相比,中国的煤矿安全状况和信。息管理水平仍有相当大的差距,形势非常严峻【我国煤矿信息化建设起步较晚,煤矿企业生产和管理存在两种情况:其一,半数的国有重点煤矿通风系统及配套设施不完善,致使矿井通风能力不足需进行技术改造,有些煤矿企业装备的安全监测系统还停留在年代末年代初的水平,技术性能已不能满足要求,大部分矿井只装备了监测系统,没有监控系统。其二,一些矿井安装了人员定位、无线通信、设备管理等系统,但是系统功能单一、系统问彼此隔离,与企业生产与安全管理的实际应用融合度低,难以发挥协同作用,沦为“信息孤岛”甚至成为摆设工程【。只有少数几个合资新矿的现代化管理水平与井下装备水平较高,但仍然没有实现煤矿井下的信息化,更没有可视化的综合信息系统面世。针对以上不足,如何建立一个行之有效的煤矿生产集成信息管理平台,己成为煤矿安全生产管理领域的研究热点,很多学者和煤矿企业在煤矿信息系统的研究和应用上纷纷提出了各自的研究方案,取得了很大的成果,主要有:河南理工大学利用作为后台数据库,在基于的平台之上建立了客户端/服务器/模式的煤矿信息管理系统。该系统加强了对煤矿数据的太原理工大学硕士研究生学位论文有效管理,采取/管理模式和数据库技术,通过对数据的采集和监控,在一定程度上完成了数据集成的功能,但是系统的功能无发延伸至可视化的实现。编程工具,徐矿集团采用基于平台的开发工具和开发了“一通三防可视化的煤矿信息管理系统,可以实现数据图表的二维显示,但是对煤矿井下巷道、设备等空间实体的三维可视化交互未能实现。许多煤矿企业开发了基于技术的“三维巷道漫游系统”、“基于虚拟实现技术的煤矿地形可视化系统”。实现了三维巷道漫游的功能,但是交互性不强,没有开发相关的底层设备连接接口,无法进行现场的动态控制。北京三维吉斯工程软件科技有限公司开发了三维可视化数字人员定位系统、三维数字化矿山监测系统等,虽然实现了三维可视化,但没有形成一个集成的综合管理系统,仍然没有打破信息孤岛的局面。本文的完成,采用三维可视化和基于接口的系统集成技术将井上井下的生产作业管理信息进行可视化的集成,是一个优化集成的三维控制平台。.课题主要研究内容本课题是基于和的煤矿生产三维可视化信息系统的研究,在分析了国内外煤矿生产可视化管理系统研究现状的基础上,主要对基于三维可视化和技术的煤矿生产集成管理系统进行了设计与开发。本课题研究内容主要有以下几个方面:本文首先介绍了煤矿信息管理系统的研究背景及意义,然后分析了国内外研究现状,确定本文的研究方案是基于和技术的煤矿生产三维可视化综合信息系统的研究,其中三维可视化和异构系统的集成是基于和技术实现的。鉴于煤矿生产信息管理系统的复杂性,以及三维可视化动态控制和异构系统集成功能实现的难度,本文提出了分层设计的原则,将系统设计分为三个层次:首先以煤矿系统作为研究对象,对煤矿生产三维可视化建模进行了综合分析,并确定了基于技术系统集成的方案;其次,设计了一个三维的组态软件平台,完成了整个组态平台的设计,并着重研究了组态软件图形绘制系统的开发和基于技术的通讯模块的设计;最后,在三维组态平台之上,进行煤矿生产三维可视化信息系统的开发。以煤矿生产三维空间实体为对象,对煤矿生产三维可视化建模的关键技术和关键算法进行了综合分析和深入的研究。针对煤矿场景三维建模的特点,提出了混合建模的方案。巷道建模和地层建模选取图形渲染建模方式,利用图形编程的接口实现;矿区场外的自然环境的建模,用户对其视觉效果要求比较高,精度要求较低,我们选用图形建模方法;矿区工业场景的空间物体对象是指煤矿系统中诸如仪表设备、厂房、办公大楼等太原理工大学硕士研究生学位论文绘制基于图形的三维模型,然后用一些三维三维物体,其建模首先利用图形格式转换软件.将三维图形转化为的数据格式,再利用图形编程的接口实现可视化。对煤矿三维可视化系统的数据模型进行了研究,提出了基于和的地层、巷道三维集成数据模型,并在语言的平台上对其数据结构进行了设计;阐述了基于和三维数据模型集成建模的思路,详细介绍了其对煤矿巷道和地质煤层实现的具体算法。对的功能、基本原理及其可视化技术做了详细介绍,阐述了煤矿巷道、地质煤层及其矿区工业场景可视化实现的过程。针对煤矿企业信息孤岛的现象,提出了基于技术接口级系统集成的方法来实现煤矿异构系统无缝链接,深入分析了技术的实质和通信逻辑。分析了组态系统的功能特点和结构,在 平台上,结合可视化技术、接口技术、控件开发技术,设计开发了基于的三维可视化组态平台,在传统组态系统的基础上,实现三维图像的组态化和通讯接口的功能。着重介绍了三维绘图控制模块、基于的通讯模块的程序开发过程,并完成了基于/构架的通信模拟。在三维绘图和控制模块的开发过程中,应用和这两大图形技术的优势,设计了基于和控件开发的应用程序框架,并在此应用程序框架下开发了符合标准的三维空间盒、文件读取入口控件、三维图型插件,并详细说明了实现过程和关键环节的程序代码。实现了模型文件的导入、模型动态控制,可以充分发挥 建模软件的建模功能,简化了开发模型库的过程,实现了组态软件三维画面的快速组态。介绍了煤矿生产三维可视化系统总体设计的构架和实施方案,以及系统的性能特点,为在三维组态平台上构建可视化的应用系统提供了实施依据,详细介绍了系统可视化界面的设计风格、界面开发过程。对可视化信息系统的交互模式、图形与数据库的连接和系统集成的实现方法作了详细介绍。着重介绍了可视化信息系统通过通信模块对异构系统数据访问的方式,并利用组态王.作为服务器实现了异构信息通信的实例验证。以人员定位系统为实例,介绍了人员定位系统的系统组成、界面设计、实现的功能,并展示了运行时的界面效果图。.课题的组织结构本文共分为章,具体的组织结构描述如下。第章为绪论,介绍了课题的研究背景,研究的目的与意义,国内外研究现状,本课题主要的研究内容以及本文的结构和组织;太原理工大学硕士研究生学位论文第章为煤矿三维建模与可视化实现的综合分析,主要以煤矿生产三维空间实体为对象,对煤矿生产三维可视化建模的关键技术和关键算法进行综合分析和深入的研究;第章为基于技术系统集成的研究,针对煤矿企业信息孤岛的现象,提出了基于技术接口级集成的方案,深入分析了技术的实质和通信逻辑;第章为三维组态软件平台的研究与设计。通过第二章和第三章对煤矿三维建模可视化技术和基于技术的系统集成的分析和研究,讲述了基于的三维组态平台的研究和设计;第章为煤矿生产三维可视化综合信息系统的设计与实现,主要讲述在三维组态平台之上如何实现应用,进行二次开发,构建基于和技术的煤矿生产三维可视化综合信息系统的具体实现方法和过程;第章为论文的最后一部分,对本文的研究成果作了总结,并指出了研究中有待完善的地方,对后续的研究进行了展望。太原理工大学硕士研究生学位论文第二章煤矿三维建模与可视化实现的综合分析构建煤矿生产可视化信息系统,直观地展示地形地貌与地下巷道,对整个采矿工程进行三维动态控制,首先要解决的问题就是要对矿山和矿区进行三维可视化建模,本章主要是对实现煤矿生产系统的三维建模技术以及可视化技术进行分析和研究。煤矿生产系统的研究对象是整个地质矿山及其生成的各个系统,其建模的空间目标主要可以分成三类:即巷道、地层和矿区工业场景空间物体。由于煤炭生产的特殊性,生产过程中煤炭是通过巷道从工作面运送到地面,煤矿巷道是煤炭生产企业的生命线,所以煤矿巷道建模在本系统中处于核心地位;矿区工业场景空间物体是指煤炭生产所涉及的一切设备、机械和建筑物,其中包括人员:地质煤层是指煤炭所分布的地质体。煤矿生产三维可视化建模依次可分为三大类:煤矿巷道建模、地层建模、矿区工业场景空间物体建模。.建模技术三维空间建模的质量是能否产生场景真实感的首要条件,场景过于简单,会使用户觉得达不到三维可视化的效果,而建立复杂的三维场景又会增加建模的工作成本,影响实效性,降低了三维可视化系统的实用性。因此,三维场景建模技术是可视化实现的关键技术。.建模技术的比较目前,三维场景建模问题的解决方案主要有:图形渲染建模技术、图像建模技术以及结合图形与图像的混合建模技术【。图形渲染建模技术。图形渲染建模技术是目前最完善的一种建模方法,它首先对三维场景进行抽象,建立几何数学模型,然后给定观察点和视角,利用图形软件提供的多种造型和函数库的功能来对多边形进行着色、消隐、光照和投影等一系列处理,实现虚拟场景的绘制。图形渲染建模技术有利于用户与虚拟场景中的对象进行交互,但由于三维场景是建立在计算机硬件计算能力和图形的加速性能的基础上的,如果场景太复杂,则计算量就会增加,会使用户与三维场景无法实时交互。图形渲染的建模方法属于底层开发,所有与三维可视化相关的算法都由用户自己设计,再选用开放式的三维图形编程接口在某种操作系统上通过编程来实现建模。目前,许多软件可提供多种造型和函数库功能来解决这些问题,其中支持三维图形编程的接口有和,而在三维可视化领域中的应用最为广泛。图像的建模技术。图像建模技术的本质上是计算机图形学中的纹理映射技术,它的实现方法是:利用待建三维空间的图像样本,在一定的视觉计算算法和图像处理算法的基础上构造三维场景。图像建模的方法克服了复杂场景建模的困难,容易得到与真太原理工大学硕士研冗生学位论文实环境相近的效果,且计算量小,对硬件的要求也没有图形渲染建模那样高。但图像建模方法算法复杂,精度较低,只适用于基于真实自然场景的三维场景的建模。本文煤矿的地层建模,即选用这种方式。混合建模技术。如果既要避免构建复杂三维场景的计算量问题,又要满足实时性要求,增加场景的逼真性,可以结合图形渲染建模与图像建模的优势,采取混合建模技术。图像建模技术注重三维场景的视觉真实性,可用于复杂并且交互要求少的场景,用图像的变形、拼合等方法来构造一个尽可能满足视觉要求的场景。图形渲染建模技术注重场景交互行为可实现性,用于交互要求比较高的场景对象,混合建模技术正是结合了基于图形渲染建模与基于图像建模的优点于一体【 。为了能够快速的完成场景建模,提高真实性和准确性,本文根据煤矿生产三维可视化建模的对象,选取混合建模的方法。.混合建模技术的实现由于煤炭生产的特殊性,生产过程中煤炭是通过巷道从工作面运送到地面,一切与煤炭相关的生产和管理活动都依赖巷道得以顺利展开,煤矿巷道是煤炭生产企业的生命线,所以煤矿巷道建模在本系统中处于核心地位,而地层又是煤层分布的场所,也是煤矿生产的重中之重。所以对巷道建模和地层建模选取图形渲染建模方式,利用图形编程的接口实现。对矿区场外的自然环境的建模。矿区场外的自然环境是指与煤炭生产相关的地理环境、办公和生活场所。由于此类场景涉及的三维物体种类繁多,数量庞大,如果逐一进行图形渲染建模,则会大大增加建模的工作量和难度。考虑到用户对矿区场外三维场景视觉效果要求比较高,而视觉精度的要求相对较低,因此,我们选用图像建模方法,使用数码照相机对交互要求少并且复杂的场景例如树木、花草、山地拍摄几张图片,再利用计算机图形处理技术进行后续的处理,构建出逼真、优美的自然环境仿真三维模型。矿区工业场景是煤矿场景的个重要组成部分,矿区工业场景三维模型的建立有利于煤矿各级领导部门对煤矿进行整体规划,各种设备设施的管理,对煤矿生产生活具有重要的意义。矿区工业场景主要是由一些复杂空间物体对象组成,不仅包括建筑物、道路、绿地以及煤矿的一些特殊的地物如井架、洗煤楼、储煤仓等还包括与煤炭生产直接相关的仪表设备、机械等三维物体。这些三维场景通常比较复杂,但考虑到此类场景对象与用户的交互往来比较少,三维动态控制的要求也不高,所以选取图形渲染建模的方法。与煤矿巷道建模不同的是,矿区工业场景空间物体建模首先利用绘制基于图形的三维模型,保存为文件格式,然后用一些三维图形格式转换软件将这些三维图形转化为的数据格式,再导入到工程中进行着色、消隐、光照和投影等处理,实现矿区工业场景的绘制。混合建模技术的建模流程如图.所示:太原理工大学硕士研究生学位论文图?混合建模技术的建模流程图九.?.三维可视化系统数据模型研究三维数据模型是三维空问数据组织的方法,体现了现实世界空间实体之间的联系。由于煤矿生产领域的复杂性和特殊性,在三维数据模型的研究中很难定义一个通用的数据模型。针对不同的应用对象,三维数据模型存在很大差异,因此根据不同的研究对象,对三维数据模型的研究十分必要。本节对巷道和煤层地质的建模提出了和混合建模的方案,采用面向对象建模的方法,描述了各几何要素的数据结构,并简述了地层与巷道集成建模的思路。.三维数据模型领域的研究热点问题,国内外三维数据模型是目前三维数字化矿山诸多学者也提出了多种不同的三维数据模型。目前,比较常用的有基于面的模型、基于体的模型和混合数据模型三大类。面模型:基于面的数据模型是通过面元描述空间对象的几何特征的。面模型主要包括:表面模型、线框模型、边界描述模型和面片。不规则三角网模型和格网模型都属于表面模型,主要用来建立地表模型,其中是由不规则的散乱顶点通过规则创建的一种相邻但不重叠的不规则的三角形的集合;边界表太原理工大学硕士研冗生学位论文示模型是利用点、线、面和体四种基本几何元素来描述三维物体的形状和位置。点、线、面和体四种基本几何元素有一定的逻辑构成关系:点具有三维坐标,线是由许多三维点组成,面由一系列线组成,而体又是由一系列面组成;线框模型是使用许多组关键的线来描述实体对象,把三维物体轮廓上相邻的特征点用线段连接到一起形成多边形,再把这些多边形拼接形成多边形格网来仿真实体对象【】;面片结构是用许多形状各异的面片来描述物体的表面,面片结构的应用很广,不仅可以构建数字地表模型,还可以用来建立其他复杂的三维模型的表面。体模型:基于体描述的数据模型是利用体元对三维物体的内部进行剖分,它可以用来描述三维空间对象的表面几何和分析三维对象内部特征。体模型主要有:八叉树模型、结构实体几何模型、四面体格网模型、三棱柱模型等。在八叉树模型中,首先确定一个根节点表示目标区域的立方体,将该区域进行剖分,分为八个大小相同的立方体,按此规则一直分割下去直到每一个立方体中都充满目标或者完全不包含目标区域为止;结构实体几何模型是利用诸如圆柱体、正方体、球等简单的几何体通过布尔运算来构建三维物体;四面体模型是利用紧密排列但互不重叠的不规则四面体格网来描述空间对象;三棱柱模型是用三棱柱来模拟三维空间对象,它借助上下两个相对的三角形面以及三角形三个顶点之间的棱构成的三棱柱来描述空间物体对象。混合模型:混合构模则是使用多种面模型和体模型来实现对同一场景对象进行三维建模。主要的方法有:?混合模型、混合模型混合模型,其目的是结合不同方法的优势,更准确的表达三维空间实体。.地层与巷道三维集成建模的思路本文对地层与巷道三维建模采用了和混合数据模型的集成建模,在此方法之上,首先分别建立地层和巷道的几何模型,然后通过模型之问运算,建立集成模型。在借鉴地质建模理论和应用的基础之上,结合地层巷道的数据来源、分布形态等情况,提出了集成建模的思路。.基于和的三维集成数据结构设计本文采用面向对象模型的设计理念,首先将煤矿地下三维实体抽象为点、线、面和体四种对象类型。将基于和的数据模型的应用进行延伸,应用于煤矿生产目标实体,如巷道和煤层,实现了基于和三维数据模型对煤矿空间实体的集成建模。其建模的基本几何元素包括:结点、边、棱边、面、侧面四边形和体元六种。在面向对象的 编程中其数据结构设计如下:结点的数据结构太原理工大学硕士研究生学位论文:;/点的标识,;/点的空间坐标;/关联的边数半;/相关联的边的标识边的数据结构?:;/边标识;/三角形边的起点;/三角形边的终点野;/角形边的左三角形标识;/三角形边的右三角形标识;棱数据结构?:;/棱边标识;/棱边起点;/棱边终点;/相关联的四边形数术;/相关联的四边形标识;面数据结构:;/面标识, ;/第一点、第二点、第三点的标识太原理工大学硕士研究生学位论文:, ,一一 一一 一一/第一边、第二边、第三边的标识一,;/相邻三个三角形的标识侧面四边形数据结构:;/侧面四边形标识?,?,?,?;/第一、二、三、四点的标识,;/两条三角形边的标识,;/两条棱边的标识;相邻左体元的标识?;/缔目邻右体元的标识;体元数据结构:;?;以上是基于语言实现的结点、边、棱边、面、侧面四边形面和体元等六种基本几何元素的数据结构,通过拓扑关系紧密联系在一起,这种面向对象的数据结构思路清晰,表达准确,有助于场景建模的计算和显示,为后续建模奠定了良好的基础。利用这六种元素之间的拓扑关系,我们就可以有效地描述三维对象之间的空间关系,如点与线的关系、点与面的关系、点与体的关系、线与线的关系、线与面的关系、线与体的关系、面与体的关系以及体与体的关系等。.几何建模及其算法研究数据和模型是实现三维空间物体对象模拟的基础,可以通过它用严密的数据结构描述出巷道的模型。但是,要想对其实现可视化,达到与计算机直接交互的目的,仅仅只太原理工大学硕士研冗生学位论又有数据和模型显然是不够的,还要设计三维建模的具体算法,这是巷道和地层三维可视化实现的核心。.巷道三维建模的设计巷道是煤矿生产中重要的人工实体对象,巷道从外部观察类似一条导线,而从内部看则是空心的体域,它的长度随着中心线的延伸而延伸【】。一般都采用表面模型对巷道进行建模,如线框模型或模型,但是为了实现地层与巷道的无缝连接,本文采用了模型对巷道进行建模。分析巷道的特点就可以发现,巷道的形状一般比较规则,其中心线和断面相关参数的计算是巷道三维建模的前提。在对巷道进行数据的抽象时,把巷道抽象成一条线,用巷道中心线表示。由于巷道的用处不同,其截面的形状、宽度、高度也不一样,巷道的几何形状是由断面形状确定的。巷道断面和巷道中心线是巷道建模的两个重要参数,是巷道三维建模的前提,巷道断面形态控制着巷道的几何形态,巷道中心线控制巷道的空间位置。煤矿巷道分为很多种类,主要包括三种:煤巷、竖井和岩巷,巷道断面的形状主要有圆形、矩形、梯形和拱形等。巷道建模时对断面的选择依照煤矿巷道的类型而剧,一般来说,圆形断面适用于竖井建模,矩形和梯形断面适用于煤巷建模,拱形断面适用于岩巷建模。圆形断面圆形断面的控制中心线点选在圆心处,然后以断面的圆心为中心,每隔一定的圆心角构成三角形,再连接相邻断面的三角形即可构成三棱柱体。圆形断面如图?所示:图?圆形断面.?矩形断面矩形断面的控制线中心点选在其对角线交点处,将断面剖分成四个三角形,再连接相邻断面的三角形即可构成三棱柱体。矩形断面如图.所示:太原理工大学硕士研究生学位论文图.矩形断面. 梯形断面梯形断面控制中心线点选在中位线与上下边平分线的交点,断面剖分成四个三角形,连接相邻断面三角形即可构成三棱柱体。巷道的梯形断面如图所示:斟梯形断面. 拱形断面拱形断面控制中心线点应选在顶面弧段所在圆的圆心,上半部圆弧断面根据圆心角等分而成若干个三角形,下半部断面则剖分成个三角形,连接两个相邻的断面三角形便可以构成三棱柱体。巷道的拱形断面如图.所示:图拱形断面.在建模的过程中,对于直线巷道可以直接连接相邻断面三角形来构成三棱柱体,巷道除了直线段外,还有巷道转弯处的圆弧连接。由于巷道中心线已知,巷道转弯处半径太原理工大学硕士研究生学位论文在其设计时就已经确定,我们口以根据两段相连巷道的直线段获取巷道转丐的参数,这些参数主要有:起始点、转弯弧段圆心和夹角等。以图为例,说明转弯处参数的计算方法。图中和,分别为巷道厶和三:的两段中心线,只、罡为转弯起始点,为两段巷道中心线的交点,相应的参数计算方法如下:先求出和的交点;求点到:的单位法向量只,至的单位法向量只;昱;求巷道中心线相交所确定的平面法向量,鼻/,求切点处垂直于两巷道中心线指向圆心的向量鸟、,西夏瓦.求圆心的坐标,呸,其中为。到圆弧起点的距离,为点到圆弧终点的距离,为弧段半径,通常为一个确定定值。求巷道中心线与弧段的切点,即转弯弧段起始点坐标。、和弧段夹角,吐暑一、 罡月、 。皇.,厶 再图巷道转弯处参数计算 .转弯起始点和圆心确定以后,可对中心线起始点内进行圆弧拟合与等分,圆弧等分点为巷道划分横断面中心点所在位置川。起始点内圆弧等分越细,则巷道过度越平滑,但模型计算量大:反之,则模型效果粗糙,模型计算快。完成巷道中心线设计与参数计算,我们即可进行断面形状设计。根据已知点的坐标计算出巷道断面构成三棱柱三角形太原理工大学硕士研究生学位论文各项点的坐标,然后连接相邻断面的三角形即可完成巷道的建模过程。具体的计算方法如图.所示以拱形断面为例:道中心线巷道左面图.拱形断面巷道建模图 .?,为巷道控制中心线,和,分别为此段巷道的起点和终点。根据巷道中心线扩展为上下两个左帮彳和,以及上下两个右帮和。将拱形断面剖分成三个三角形和一个扇形,分别为、和彳。将拱形断面剖分成、,、和。连接三角形和扇形的对应顶点,即可生成模型。.地质煤层三维建模的设计地层的建模其实是依据地层数据对煤矿生产地层进行剖分,使其成为一系列相邻而又不相互交叉的体元集合,来描述地层的外部形态,并能表示地层内部变化特征。:由此可见,体元的生成是地层的建模的关键,地层体元生成的过程如下【对全部的地层数据结点求并集。假设地质实体的层面数为,任一层面的倒,?,圳的实际数据控制点数为俐,那么参与任一地层自动生成的数据点数为所有地质实体实际控制点数的并集,即联网的数据点数。为:.以玎“。在数据点集合.的基础上,生成。对于地质实体层面的俐一,?,聊而言,只有那些位于地质体边界内及其边界上的。中的数据点参与生成的数据点。通过以上两步,我们讨论了同一地质层面生成的方法,而对于不同的地质层面,需要对模型中的三角形顶点高程值进行插值。由于点集合。中所有的太原理工大学坝士研冗生学位论文点相对其它地质层面的高程值都不可能已知,所以,必须对这些未知高程值进行插值计算。在获得。所有高程值后,即可将上下两个不同的地层之间对应的三角形连接起来,实现煤炭地层体元的剖分。.矿区工业场景空间对象几何建模矿区工业场景是煤矿生产系统重要组成部分之一,本文所设计的煤矿可视化系统主要包括两部分:即地表场景和地下场景。地表场景包括办公楼、道路、绿地等,建筑物不仅包括普通的房屋,而且还包括煤矿的一些特殊的地物如井架、储煤仓等,地下场景主要包括与煤矿生产相关的设备和器具。地表场景建模的地物比较复杂,但对其精度和交互性的要求不是太高,因此本文采用了 对地表空间物体对象进行建模,以文件的格式存入三维模型库。在煤矿三维可视化系统组态时,将所需要的模型文件从文件入口读入,即完成了对矿区工业广场的建模。.可视化技术,开放图形库是公司为其图形工作站开发的独立于窗口操作系统和硬件环境的图形开发环境,它是一个图形硬件的软件接口,说得更具体一点,它是一个三维图形库和模型库【。的最大特点是它的硬件无关性,可以在不同的硬件平台上得到实现。作为图形硬件的软件接口,包含的函数超过个。这些函数,对程序开发人员来说,它是一些指令和函数的集合,允许用户对二维和三维空间对象说明,允许用户对对象进行动态控制操作。使用对场景进行描绘的典型过程如下:首先在帧缓存中定义一个窗口,然后在此窗口中进行图形绘制、图形变换和图形显示等操作。.的功能利用能够构建真三维的彩色场景,不仅能绘制普通三维物体还能完成复杂且交互要求高的动态场景的绘制,的功能具体如下:绘制三维物体以顶点作为基本的图元,然后由点成线、由线拓扑成多边形,又由多边形拓扑成体。用户可以使用点、线以及多边形等图元绘制想要获得的三维物体。观看物体对象当物体的绘制过程完成后,就可以对物体进行视觉变换,建立自己的视角,指定观察方向和观察范围的大小。不仅如此,还可以通过旋转和平移变换观看整个场景的各个侧面,并进行放大、缩小和剪切。指定颜色模式提供了特定的函数和数据结构来指定颜色模式,有和颜色太原理工大学硕士研艽生学位论又索引两种颜色模式。在模式中,颜色是由红、绿和蓝三种颜色值共同决定的,而在颜色索引模式中,颜色值是通过索引表中的索引值来确定的。光照在完成绘图后可.;上灯光,使三维空间物体变成类似现实物体,大大增加了三维场景的逼真程度。它提供了种光照,分别是环境光、辐射光、漫反射光和镜面光,在设置光照的时候同时也可以对光的颜色、光源位置等参数进行设置。增强图像效果提供了一组增强图像效果的函数,通过调用这些函数进行反走样、融合、雾化增强了图像的三维效果。反走样改善了图像中的锯齿;融合可以增强半透明化的效果;雾化则可以对场景进行模糊处理,使场景更逼真。纹理映射利用一系列的彩色多边形构建的三维物体通常在表现物体细节方面效果不佳。为了解决这个问题,为用户提供了应用纹理映射技术把真实的图像映射到三维物体的表面,增加了物体的真实性。制作动画提供了双缓存技术,能够生成平滑的动画。在建立动态的场景时,需要在场景渲染之前在内存中建立帧,利用提供的双缓存技术,先在内存中建立量帧基本场景,当一帧在屏幕上显示时,在内存中同时对即将要显示的帧进行修改当第二帧完成后,就清除掉缓存中的第一帧,显示篼二帧,并依次循环交替,以致产生平滑的动画。交互技术提供了种工作模式,分别是:绘制模式、反馈模式和选择模式。绘制模式是交互技术实现的核一,在此模式之下完成场景绘制,并借助物体的几何参数以及运动属性参数、场景变换参数、纹理渲染参数、常量控制参数等和界面和外部设备构成即时交互的系统;在选择模式下,对物体对象进行常规设置,包括对物体对象命名、指定命名物体、控制命名物体的绘制;反馈模式主要为程序设计提供运行信息,这些信息可以告知用户程序的运行状况。.绘图原理作为一个独立于硬件的图形接口,它不提供描述复杂三维物体的高级函数,因此并不能通过调用函数来直接绘制例如机车、飞机和建筑物等复杂的三维物体。用户必须利用点、直线、多边形等基本几何图元构造所需的三维模型。的基本工作流程如图?所示:太原理:大学硕研究生学位论文 .图的基本工作流程 .? 用户的操作指令从左侧进入,指令分为两种:一种用于绘制指定的几何物体,另一种则用于指定不同阶段怎样处理绘制好的几何物体。许多指令都被预先排列在显示列表中,等待后续处理【】。通过求值器计算输入值的多项式函数来为近似曲线和曲面等几何物体提供有效手段,然后由顶点描述的几何图元进行操作。在此阶段对顶点进行转换、光照,并把图元裁剪到视角的范围内,为下一步的光栅化作准备。光栅化产生一系列的帧缓存地址和图元的二维描述值,其生成的结果称为基片,每个基片适合于在最后改变