巷道三维自动建模技术及可视化研究

摘要

随着数字矿山技术研究的不断深入，构建三维巷道网络模型与巷道可视化场景已成为数字矿山研究的重要内容。本文主要研究了基于Direct3D的巷道三维自动建模技术及可视化内容。首先研究了巷道中线提取的方法，通过程序在CAD矿图中自动提取巷道导线点和高程信息，并对提取出的数据进行处理，进而得到巷道中线；接着研究了巷道之间的网络拓扑关系，根据拓扑关系设计了三维巷道网络数据结构；随后研究了巷道网络的剖分方法，将巷道网络分解成简单巷道和复杂巷道，研究了简单巷道和复杂巷道的建模算法及拼接算法：对分解后的直巷道、弯巷道、相交巷道分别建模，再对不同类型的巷道完成拼接，从而实现整个巷道网络系统的可视化；最后，在3ds max中实现巷道内部场景的优化，使巷道模型更接近真实矿井中的巷道。
　　在巷道建模方法研究中，将整个巷道中线网络剖分成简单巷道和复杂巷道，简单巷道只包括直巷道，复杂巷道包括弯巷道、平巷间相交巷道、平巷与立井相交巷道。对于简单巷道建模，研究了圆形、直壁拱形、梯形三种不同巷道断面的巷道建模方法：通过巷道断面离散化可以求出断面特征点坐标，断面之间用线框建模法完成直巷道的建模。本文对于复杂巷道建模作了较深入的研究：针对平巷之间的相交问题，通过对交叉口处巷道模型进行布尔运算，实现巷道间的连通；针对平巷与立井相交问题，通过分别求出上、下平巷与立井之间的相交线坐标，再根据线框建模法完成建模；针对弯巷道不平滑问题，通过贝塞尔曲线插值算法，完成巷道拐角的平滑处理。
　　在巷道拼接算法研究中，针对简单巷道与复杂巷道之间的拼接问题，通过使用中点插值法避免了巷道之间的错切、重叠问题；针对平巷与立井之间的拼接问题，通过巷道立井与平巷相交线的求解，可以实现拼接；针对梯形断面巷道与拱形断面巷道的拼接问题，通过对两种断面离散成相同数量的特征点，再进行线框建模实现拼接。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 矿井巷道三维建模研究现状

1.2.2 可视化研究现状

1.3 可视化平台的选择

1.4 本文的主要工作

2 Direct3D相关基础理论

2.1 开发环境配置

2.2 几何变换

2.2.1 平移

2.2.2 旋转

2.2.3 缩放

2.3 取景变换

2.4 投影变换

2.4.1 正交投影

2.4.2 透视投影

2.5 视区变换

2.6 本章小结

3 巷道三维自动建模技术研究

3.1 常用巷道断面介绍

3.2 巷道中心线提取

3.3 巷道网络拓扑关系

3.4 统一坐标系

3.5 建模方法

3.5.1 基本思路

3.5.2 断面处理方法

3.5.3 建模步骤

3.6 本章小结

4 巷道三维自动建模与可视化

4.1 简单巷道体的建模

4.1.1 圆形直巷道体建模

4.1.2 拱形直巷道体建模

4.1.3 梯形直巷道体建模

4.2 弯巷道的平滑处理

4.3 交叉口巷道的建模

4.4 巷道拼接算法

4.4.1 简单巷道与复杂巷道拼接算法

4.4.2 拱形巷道与梯形巷道拼接算法

4.4.3 立井与平巷拼接算法

4.5 建模结果

4.6 巷道模型内部场景优化

4.6.1 材质赋予

4.6.2 矿井内部设备模型建立

4.6.3 碰撞设置

4.6.4 灯光设置

4.6.5 场景渲染

4.7 本章小结

5 结束语

5.1 工作总结

5.2 课题展望

参考文献

致谢