近年來，很多礦山企業都對可視化和虛擬現實提出了很多期待和要求，尤其是在安全培訓、事故模擬、地質數據分析和信息管理等方面有迫切的需求。然而，目前在國內大多采用國外平臺軟件進行二次開發實現部分專業的功能，常用的有 Sense8公司的 WorldToolKit\\(WTK\\) 、Multigen － Paradigm 公司的 Vega、Division 公 司 的 dVise、Superscape 的VR T、Alberta 大學的 Minimal R eality Tool Kit \\(MR \\)等，還有 Vtree、OpenGVS、Open Inventor、Virtools、中視典的 VR P － Platform 等。也有完全從底層自主研發的三維可視化軟件，但功能較為單一，操作不夠靈活，功能大都以地質三維建模和可視化等方面為主，虛擬現實功能還很少見。

三維虛擬礦井可視化平臺系統，基于 COM 的虛擬礦井多層架構可視化平臺設計思路，從底層開發一套面向礦山需求的可視化平臺，該平臺采用VS2010 + Direct3D 開發，集數據庫、可視化、虛擬現實、信息管理等于一體，將虛擬現實與工業自動化、礦山日常生產管理結合到一起，不僅能夠實現井上下虛擬仿真，提供巷道內部漫游的沉浸感和互動性，給管理層用戶帶來獲得身臨其境的體驗，而且可以在平臺基礎上進一步開發設備管理、監測監控、安全培訓和人員定位等專業功能，將虛擬現實技術真正應用于實際生產當中。

1、 系統的體系結構設計

1． 1 基于 COM 多層架構的系統體系設計

選用 COM 技術來建立系統的體系結構。整個可視化平臺的結構劃分，可被劃分為多個邏輯層次，每個層次通過提供專門的服務在整個系統中完成特定的工作系統架構。平臺被分為 D3D 層、渲染層、核心層、專業層和應用層 5 個層次。在多層架構軟件體系結構的底層，設計了渲染層，并在此基礎上將可視化、系統界面、輸入輸出等封裝為核心組件。采用多層架構的優點是: 可以對渲染引擎、核心組件和專業功能進行同時開發，不僅提高了開發效率，而且在功能組件層進行自由組合和裝配，開發出面向不同用戶的專業系統，使得最終的產品更加靈活和容易擴展。

1\\) D3D 層。選用 Direct3D 作為三維系統的底層。與 OpenGL 相比，Direct3D 基于 COM 設計，初始化的時候就是在初始化接口。同時 D3D 與 Win-dows 操作系統兼容性好，可繞過圖形顯示接口\\(GDI\\) 直接進行支持該 API 的各種硬件的底層操作，從而大大提高了系統運行效率。

2\\) 渲染層。渲染層即為三維圖形繪制引擎。該引擎主要實現了場景渲染、場景組織和數據組織等內容。場景渲染是引擎中最重要的功能，主要實現了對象\\(含頂點坐標、紋理坐標、法向量和光照材質\\) 的實時繪制，渲染的重點在于實現視錐剔除、遮擋物剔除、景深排序繪制、MipMap 紋理映射和 LOD等關鍵技術。場景組織包含了場景管理 \\(SceneManager\\) 、材質管理器\\(Material Manager\\) 、內存管理\\(Memory Manager\\) 、三維實體\\(Entity\\) 、相機\\(Camer-a\\) 等，高效的基于節點的樹狀數據組織方式是場景組織的關鍵問題。

3\\) 核心層。組件層是在三維渲染引擎的基礎上，實現了各類可視化組件。主要包括可視化、界面、數據管理、數據接口、特效編輯和動畫語音等。

4\\) 功能層。功能層則針對組件層的 COM 進一步封裝。礦山生產專業眾多，因此對可視化的需求也不同，設備管理、監測監控、安全培訓和人員定位等都是虛擬礦井可視化平臺重要的功能組件。

5\\) 應用層。是體系架構中最高一層。在開發框架的基礎上，針對不同的用戶需求，將專業功能進行組裝。采用用戶角色模式，對應用程序進行開發。

針對不同角色，提供不同菜單、按鈕和功能組成。

1． 2 COM 多層架構特點

1\\) 動態擴展的體系結構，可重用性和可擴展性強，方便系統的更新升級。在這個體系結構中，最大的特點為系統能夠根據需求變化進行自擴展技術，自擴展體現為 2 個方面: 一個是縱向擴展; 另一個是橫向擴展?？v向擴展是指當系統在設計初期，由于考慮不周，對系統不斷的修改是不可避免的。在這種系統結構下，系統 5 個層次獨立，下層的擴展不影響上層的正常使用。橫向擴展是指可以根據不同專業需求形成應用功能模塊，拓展不同的專業功能。

2\\) 采用純 COM 技術，實現了與開發語言無關性?？膳c VC、VB 等開發工具結合實現二次開發，也可以直接嵌入網頁，將三維場景在網頁上進行發布。

系統還提供基于框架的二次開發接口。由于礦山行業目前缺乏統一的技術標準，因此要求系統能夠能迅速根據不同用戶需求，“量體裁衣”，快速構建出專業應用系統。

3\\) 創建了龐大的面向對象專業功能組件庫，實現了專業功能的組件化，用戶可依功能需求實現靈活定制各類組件，使得系統適應面更廣。

4\\) 三維渲染引擎借鑒了其他三維開源圖形引擎的設計思想，在對 D3D 封裝的基礎上開發組件，并可以通過插件技術擴展了可視化平臺的相應功能。三維引擎是一個基于工業標準 D3D 的軟件接口，它讓程序員能夠更加快速、便捷地創建高性能的交互式圖形程序。

2、 系統的組件設計

虛擬礦井可視化平臺組件設計如圖 1，將系統組件分為核心組件和功能組件 2 大部分。

2． 1 核心組件設計

根據多層架構可視化平臺的設計思路，將核心組件劃分為如下幾類:

1\\) 可視化組件。該組件提供了場景中模型的可視化操作，包括模型狀態、模型顯示方式、節點捕捉、人機交互、多視圖、燈光顯示、天空顯示和參考網格顯示等。

2\\) 界面組件。該組件提供了系統中的菜單、鼠標、按鈕、列表、對話框、窗體等一系列界面資源，通過預載入紋理數據、圖像數據等，實現了系統紋理資源的動態管理。

3\\) 數據管理組件。組件提供了對場景中三維對象的管理，如立方體、球、四棱椎體、圓錐、圓柱、樹木、地形、柔性體元等新建、復制、刪除、分解、合并、移動、布爾運算功能組件，還包括燈光、相機、旋轉矩陣等。

4\\) 數據導入導出組件。該組件主要管理與3DSMax、Maya 等三維建模軟件的數據接口，同時還支持根據二維平面圖形巷道自動建模功能。

5\\) 特效編輯組件。該組件提供對三維對象的碰撞檢測、紋理渲染、天空貼圖、粒子系統等特效。

6\\) 語音動畫組件。提供了語音開發包組件，動畫組件支持骨骼動畫組件和剛體動畫組件等。

7\\) 角色管理組件。該組件為不同用戶設置不同的密碼和權限管理。

2． 2 功能組件設計

功能組件設計包括如下幾類:

1\\) 虛擬巡視組件。該組件支持交互漫游、指定路線漫游等功能，能夠逼真反映井上地表工業廣場以及井下巷道工作面內部環境。

2\\) 機電設備管理組件。該組件實現了與機電設備管理相關的數據庫接口，提供了數據庫查詢、設備模型編輯、設備開停狀態動畫模擬等組件，能夠完善的描述設備形態、設備狀況以及設備信息等。

3\\) 安全監測監控組件。將工業綜合自動化系統中的安全生產監測和視頻監控集成到虛擬礦井可視化平臺中，實現了與各類監測監控相關的數據接口，如: 一通三防監測監控系統、束管監測系統、工業電視系統等監控子系統。安全監測組件將實現對井下瓦斯、一氧化碳、風速、溫度、風門等現場參數的實時監測和可視化表達，實現井下工作的地點可視化監視、虛擬巡井。

4\\) 人員定位組件。將工業自動化系統中的人員定位系統和虛擬現實結合起來，實現了角色管理、井下人員定位、井下人員軌跡模擬、人員資料查詢、考勤報表統計，能夠完善對下井人員進行實時監控和模擬。

5\\) 全培訓組件。將游戲過關類似，虛擬員工可以在虛擬礦井環境中自由移動，并完成預先交待的任務，一旦完成一項任務后，將被安排新的任務。這種培訓手段使人與環境結合起來，通過人機交互使受訓者產生身臨其境的感覺，產生很好的效果。

6\\) 地質信息組件。支持加載地層、煤層、巖體、工作面等三維地質模型，實現地應力、水文參數、圍巖分類、瓦斯含量、煤質等屬性數據的三維可視化，實現高瓦斯區、斷層、高地應力區域的三維空間分析預測。

3、 結 語

三維虛擬礦井可視化平臺系統，將虛擬現實技術在礦山中的應用，提出了多層次可擴展的系統設計思路和功能，并從底層開發基于 COM 的虛擬礦井多層架構可視化平臺，系統采用開放式結構設計，具有先進性和實用性，系統不僅集成了可視化功能，而且實現了礦山虛擬漫游和交互操作，能夠完整表達井上和井下礦山真實現狀。

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