虚拟现实技术涉及专业【论虚拟现实技术在矿井通风系统中的应用】
时间：2019-01-21 03:41:59 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：针对矿井通风中存在的一些问题，本文运用虚拟现实技术对矿井通风系统的可控与可视化进行研究，实现矿井巷道和通风设施数据的全面数字化，提供了良好的视觉和交互的方式，为矿井的通风安全提供了辅助决策功能。虚拟人能在虚拟巷道中“行走”、“观察”、“控制”设备，在关键的地方作出决策。
关键词：虚拟现实；矿井通风；应用
中图分类号：TD-05 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2010）029(C)-0091-01
引言：通风系统是矿井生产的重要环节，而影响矿井通风系统的因素很多，并具有制约性和随机性，为保证通风系统正常工作，必须科学地设计和管理。虚拟现实（VR）技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体变化与相互作用的三维世界，并通过头盔显示器（HMD）数据手套等辅助传感设备，提供给用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可以直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特点。
一、系统的总体结构
近年来，开发系统软硬件发展很快，基于OpenGL的高层开发包如Openlnventor等极大地方便了系统的开发。考虑到动态建模和虚拟现实的特点，将二者很好地结合起来，要做到界面友好、模型参数修改方便、显示数据自然直接等，软件应该是高度模块化和可扩展的，并且具有良好的开放性。为了达到这一目的，系统采用基于组件的软件开发模式，组件之间仅仅通过接口进行交互，采用客户――服务器模式。接口根据是提供服务还是请求服务分为调出接口和调入接口2类。根据动态设计的特点，该系统被划分为事务控制、虚拟环境建模、风网解算、虚拟环境漫游与交互等几个部分。
二、事务控制组件
事务控制组件是整个系统的控制中枢，是实现驾驭式计算的基础，它记录了每个模块的状态参数和运行阶段，控制着其它各模块的通信，并且可控制各个模块的运行如中止、启动。该组件的核心是一个运行状态自动机，它是一个有限状态自动机，在交互服务传送来的事件的驱动之下，从系统的状态空间的一个结点转移到状态空间的另一个结点，自动机状态转换的过程也是本系统的运行的过程。各模块运行到一定的阶段都要向事务控制组件报告各自的运行状态，当某个组件需要其他组件提供的服务时，事务控制组件负责定位提供服务的组件，并传送请求。
三、虚拟环境建模
虚拟环境建模方法分为基于图像和基于景物几何两大类。前者是以虚拟景观浏览为目的，用专用全景摄影机或者普通照相机拍摄的照片等为素材、利用图像数字化变形技术，在计算机上生成与实际视觉效果相一致的虚拟世界。该方法须采用图像透视变换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁剪等技术，用二维图像描述三维世界。与几何模型场景的真实感图形生成算法相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及几何建模那样高，还可以在微机上实现。为增加场景的真实性，矿井虚拟环境采用图像与景物几何两者相结合的虚拟环境建模方法来完成。
（一）巷道建模
巷道模型应根据煤矿地图、巷道图、巷道照片数字化建模，能记录巷道的设计参数，能精确表达局部巷道的空间形态，以便表现矿井巷道的整个概貌虚拟环境中的巷道模型主要包括巷道信息数据的获取和预处理。在巷道建模过程中，将巷道分解为点、弧段、巷道断面及局部巷道个组成部分。巷道是由一系列的局部巷道组成；局部巷道则由巷道中心线弧段和巷道断面来表达。
（二）设备建模
井下设备采用几何建模，对于外形轮廓接近矩型的建筑物和设备，可以用事先拍摄的该建筑物及设备各个立面的照片作材质贴图，贴在矩形简易建模的外表面。
（三）虚拟人建模
虚拟人采用独立运动单元与活动关节胶接结构，由20个不同曲面和三角形描述的运动单元、11个曲面描述的关节、2个具有复杂自由度的手和一个表情及口型驱动的面部组成。基于计算复杂性和虚拟人的实时性，独立运动单元采用三角形描述。在虚拟环境中主要通过游戏杆控制虚拟人的方向与速度。对于虚拟人的姿态。
四、虚拟环境漫游与交互
对虚拟环境进行漫游实际上就是在场景中设置一个照相机，用户通过键盘或鼠标改变照相机的各种参数，系统绘制在当前照相机参数下所成的图像。漫游过程要用到常用的技术，如视见体裁减、可见性删除和背面多边形删除等等。虚拟通风系统实现了3种漫游方式：自动漫游，查询式漫游，交互式漫游。在漫游过程中进行的碰撞检测，其一是根据巷道的四壁对摄像机高度进行监测，避免在交互式漫游过程中发生钻入煤层的现象。其二是根据建筑物和设备的轮廓进行监测，防止“穿墙”而过的现象。
结束语：虚拟现实技术具有实用性、真实性和灵活性，它在矿井通风领域具有良好的发展前景，可让决策者提前看到决策的仿真结果，肯定设计中的成功之处，改正设计中的缺点，避免设计的不合理所造成巨大的损失。实践证明，能较好地适应矿井通风系统安全可靠性的动态管理，能及时给出定量评价结果，准确发现问题，提出整改措施，使管理决策由经验化迈向了科学化。同时，在很大程度上提高了矿井通风系统的安全可靠性和技术管理水平，取得了很大的社会效益和经济效益。
作者单位：冀中能源股份有限公司邢东矿通风区
参考文献：
[1]赵千里,刘剑.用矿井通风仿真系统确定通风系统优化改造方案.中国安全科学学报,2002.
[2]范辉.虚拟现实在矿井通风中的应用研究.计算机应用,2002.
[3]周东翔,蔡宣平,孙茂印.基于图象的绘制技术.计算机工程与科学,1999.
