三维巷道虚拟可视化

论文摘要

煤矿虚拟现实的问题一直是国内煤矿行业研究的重点和难点。近年来虚拟现实技术在煤矿中应用也越来越广泛,并取得了较好的成果,而且利用虚拟可视化技术创建出逼真的三维巷道以及一些衍生的灾害。通过虚拟化技术可以对矿井下的巷道工作状况、灾害的预防有更进一步的研究。在此背景之下,本文对三维巷道及其衍生灾害的虚拟可视化进行研究和探讨。本文采用Visual 2005和OpenGL相结合,介绍了项目开发工具OpenGL及其配置方法。根据项目需求设计出总体设计框。利用OpenGL的绘图功能和良好的移植性,通过坐标投影转化,纹理映射等计算机图形学的方法达到实现虚拟可视化的效果。其中介绍了煤矿数据的采集方法,对煤矿巷道的数据测量、采集进行初步的探讨。研究出适合我国煤矿巷道数据的获取的方法,并且能够进行误差处理。通过采集的数据建立了煤矿巷道的结构体,并提出了B样条曲线和NURBS曲线以及OpenGL的实现。本文首先介绍了国内外煤矿虚拟现实技术的发展和成果,论述了建立具有自主知识产权的虚拟系统的必要性。然后对三维巷道的可视化进行了分析和定位并且给出了三维巷道的数据结构模型。接着总结和归纳了可视化方法,并且对其中的坐标变换问题、纹理映射问题、阴影问题给出了实现。详细的介绍了煤矿巷道中的透水事故,并对事故中的水粒子进行了虚拟可视化的实现。最后根据建立好的模型,对煤矿巷道进行了初步的虚拟可视化,并对三维巷道的虚拟可视化提出进行更深一步的展望。图18表1参50

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Content
• 1 绪论
• 1.1 概况
• 1.2 煤矿虚拟现实技术的研究现状及成果去向
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 研究成果去向
• 1.3 煤矿虚拟现实技术的存在的问题及解决方法
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.2 解决方法
• 1.4 本论文的研究意义
• 1.5 论文的主体结构
• 1.6 本章总结
• 2 三维巷道虚拟可视化的分析
• 2.1 巷道虚拟可视化的定位
• 2.2 三维巷道虚拟可视化的开发工具
• 2.2.1 OpenGL中的操作
• 2.2.2 OpenGL的工作流程
• 2.2.3 OpenGL的环境配置
• 2.3 巷道虚拟可视化的系统设计
• 2.3.1 系统设计思想
• 2.3.2 系统架构分析
• 2.4 本章小结
• 3 三维巷道的数据模型与算法
• 3.1 煤矿巷道的测量以及数据采集
• 3.1.1 巷道的测量
• 3.1.2 测量数据的处理
• 3.2 三维巷道的模型建立
• 3.2.1 煤矿巷道的图形
• 3.2.2 B样条曲线和曲而
• 3.2.3 NURBS曲线与曲面
• 3.3 三维巷道部分数据结构的设计
• 3.3.1 NURBS曲面的程序设计
• 3.3.2 巷道内部元素数据结构
• 3.4 本章小结
• 4 煤矿巷道虚拟可视化方法
• 4.1 可视化技术的概述
• 4.1.1 可视化技术定义
• 4.1.2 可视化的技术原理
• 4.1.3 可视化处理过程
• 4.2 OpenGL的可视化坐标的研究
• 4.2.1 OpenGL中的坐标变换
• 4.2.2 OpenGL下的坐标投影
• 4.3 OpenGL中可视化的关键技术
• 4.3.1 顶点法向量的计算
• 4.3.2 光照与材质
• 4.3.3 纹理映射的实现
• 4.3.4 阴影部分的实现
• 4.3.5 双缓冲的机制和显示列表的特性
• 4.4 本章小结
• 5 巷道透水粒子的虚拟实现
• 5.1 煤矿巷道透水事故
• 5.1.1 透水事故的原理
• 5.1.2 透水事故的处理及注意
• 5.2 水粒子的虚拟化设计
• 5.2.1 粒子的设计思想
• 5.2.2 粒子绘制的方法简介
• 5.3 水粒子虚拟化的初步实现
• 5.3.1 建立水粒子的结构体
• 5.3.2 绘制粒子的函数
• 5.4 本章总结
• 6 三维巷道的设计与实现
• 6.1 三维巷道的初步实现
• 6.1.1 巷道横截面的实现
• 6.1.2 巷道底部长方体的实现
• 6.1.3 巷道圆弧连接
• 6.2 巷道地形的初步实现
• 6.2.1 地形纹理的创建
• 6.2.2 地形的初步绘制
• 6.3 NURBS方法建立巷道拱形曲面
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果