利用OpenGL對(duì)巖體三維模型進(jìn)行切剖面方法研究

1、2005年2月云南冶金Feb.2005利用OpenGL對(duì)巖體三維模型進(jìn)行切剖面方法研究陳俊智,侯克鵬(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南昆明650093)摘要:通過(guò)對(duì)三維圖形的一般切割技術(shù)的介紹,提出了直接利用OpenGL制過(guò)程。利用OpenGL的高級(jí)繪圖功能,三維模型進(jìn)行剖切,生成一系列剖面圖形,關(guān)鍵詞:巖體;模型;切剖面中圖分類號(hào):TD177:2005)01-0012-04-RockBodyCuttingMethodUsingOpenGLCHENJun-zhi,HOUKe-peng(KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan

2、650093,China)ABSTRACT:Basedonnormalcuttingmethodforthree-dimensionfigures,theproceduresfordrawingthree-dimensionmodeldirectlyusingOpenGltechnologyarepresented,andthecuttingmethodisintroducedindetail.Bythis,aseriesofsectionsofacertainopenpitminehavebeenworkedoutandprovedtobeeffectiveandavailable.KEYW

3、ORDS:rockbody;model;cuttingsection1前言地球上的所有物體都以三維空間形態(tài)存在的,對(duì)于構(gòu)成地球的主要物質(zhì)巖體其存在的形式也是三維形態(tài),因此巖體三維模型的建立是對(duì)巖體進(jìn)行空間研究的基礎(chǔ)。巖體三維可視化是利用計(jì)算計(jì)圖形技術(shù)研究巖體空間賦存狀態(tài)的一種有效途徑,受到工程地質(zhì)技術(shù)人員的密切關(guān)注,是當(dāng)前巖土工程研究的熱點(diǎn),也是快速、及時(shí)地再現(xiàn)地質(zhì)體三維信息及綜合分析的有效途徑。在巖體三維可視化研究中,其關(guān)鍵技術(shù)之一是三維體的剖切與顯示。巖體三維可視化的目的除了為使用者提供準(zhǔn)確而又直觀的巖體實(shí)體模型,還需要描述巖體的內(nèi)部形態(tài)。通過(guò)對(duì)三維巖體切割生成的剖面可以清楚地顯示地質(zhì)模型

4、內(nèi)部的各個(gè)細(xì)節(jié),從而為研究巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造帶來(lái)很大幫助。目前,作剖面的方法是利用構(gòu)成模型的各個(gè)面和邊與剖面求交線,最后構(gòu)成整個(gè)剖面的輪廓線,形成模型的剖面。這種方法需要將所有的面和線進(jìn)行搜索,進(jìn)行判斷比較求出其交線。其計(jì)算量較大,需要時(shí)間較長(zhǎng)。本文直接利用OpenGL高級(jí)技術(shù)進(jìn)行求三維模型的剖面,利用該方法作剖面不需要將所有的面和線進(jìn)行搜索,與剖面比較求其交線,而是利用OpenGL先進(jìn)的模板緩存及反饋等技術(shù)直接得到剖面。特別值得一提的是由于巖體中存在結(jié)構(gòu)面(如節(jié)理、裂隙、斷層等)及不同巖性的巖體,因此在模型中要將巖體的這些特征表示出來(lái)。而只要在模型中能表示出各種面狀或體狀結(jié)構(gòu)以及不同巖性等特征,

5、用OpenGL高級(jí)技術(shù)生成剖面時(shí),巖體的特征數(shù)據(jù)都可以從反饋數(shù)組中提取出收稿日期:2004-08-17;修回日期:2004-10-27作者簡(jiǎn)介:陳俊智(1974-),男,陜西榆林市人,講師,在讀博士,主要從事巖土工程方面研究工作。基金項(xiàng)目:云南省科技創(chuàng)新人才基金項(xiàng)目(2001PY013);昆明理工大學(xué)青年基金(校青2003-2)。12陳俊智等利用OpenGL對(duì)巖體三維模型進(jìn)行切剖面方法研究來(lái),并顯示到屏幕上,不需要專門進(jìn)行計(jì)算。(2)在三維空間上放置對(duì)象,選擇有利的場(chǎng)景2三維圖形的切割技術(shù)巖體的三維模型只是將地質(zhì)特征三維數(shù)據(jù)場(chǎng)投影顯示在圖形屏幕上,但是這并不能滿足研究復(fù)雜地質(zhì)的需要,因?yàn)榈刭|(zhì)工

6、程師往往需要對(duì)地質(zhì)體各個(gè)不同剖面方向及其某切平面或?qū)用娴牡刭|(zhì)特征進(jìn)行綜合研究與多角度認(rèn)識(shí),而三維圖形切割技術(shù)比較方便地滿足了這一需要?？臻g三維圖形剖面切割是指直接在屏幕上對(duì)三維模型進(jìn)行任意方向剖切。用戶可以方便地觀察模擬塊體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造及形態(tài)特征的變化,以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)整體空間的宏觀認(rèn)識(shí)。面,。,三角網(wǎng)中的每一個(gè)三角形就是一個(gè)面,按照一般的算法是比較難實(shí)現(xiàn)求交的。可采用求線段與面的交,三角形面與剖面的交可以轉(zhuǎn)化為求三條邊與剖分面的交,求交算法是一個(gè)很費(fèi)時(shí)的過(guò)程,按一般的思路每個(gè)三角的三邊都與剖切面進(jìn)行計(jì)算,如果勘探區(qū)域很大,那三角形的個(gè)數(shù)特別多,這個(gè)過(guò)程的費(fèi)時(shí)量是可想而知的。剖切算法實(shí)現(xiàn)的流程圖如

7、圖1。觀察點(diǎn);(3)計(jì)算對(duì)象的顏色,這些顏色可能直接定義,或由光照條件及紋理間接給出;(4)光柵化,把對(duì)象的數(shù)學(xué)描述和顏色信息轉(zhuǎn)換到屏幕的像素。圖1剖切算法流程Fig.1Flow-sheetdiagramofcuttingcalculation312用OpenGL生成切割面3利用OpenGL來(lái)切割實(shí)體311OpenGL概述OpenGL作為一種三維工具軟件包在交互式三根據(jù)OpenGL的繪圖過(guò)程及其一些高級(jí)的技術(shù),可以對(duì)顏色緩存、深度緩存、模板緩存和累積緩存進(jìn)行操作。顏色緩存通常是繪圖的緩存,深度緩存存儲(chǔ)每個(gè)像素的深度值,模板緩存是把繪圖局限于屏幕的某些部分,如在一個(gè)噴涂罐頭,可以利用一個(gè)卡紙模板

8、作成相當(dāng)精密的涂色圖像,累積緩存保存RGBA顏色數(shù)據(jù)。模板檢驗(yàn)僅在存在模板緩存時(shí)發(fā)生起作用,當(dāng)不存在模板緩存時(shí),模板檢驗(yàn)總是通過(guò)的。模板利用的檢驗(yàn)是比較參考和模板緩存中象素存儲(chǔ)的值,根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果,修改模板緩存中的值。模板檢驗(yàn)的最典型的應(yīng)用是將屏幕上規(guī)劃形狀的區(qū)域屏蔽掉,以使出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域中的部分不繪出。要實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用,先用0填入模板掩碼,而后在模板緩存中用1繪制所要求的內(nèi)容。通常不能直接在模板緩存中繪圖,但可以通過(guò)在顏色緩存中繪圖和對(duì)zpass函數(shù)選擇一個(gè)適合的值來(lái)達(dá)到相同的結(jié)果。無(wú)論何時(shí)進(jìn)行圖形繪制,都會(huì)同時(shí)在模板緩存中也寫(xiě)入一個(gè)值,此時(shí)作為參考值。為了使模板緩存繪圖免于受到顏色緩存內(nèi)容的

9、影響,設(shè)置顏色掩碼為0。此時(shí),也要求關(guān)閉寫(xiě)深度緩存。因此利用模板檢驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行剖切并覆蓋剖切面過(guò)程如13維圖形建模能力和編程方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。它可以靈活方便地實(shí)現(xiàn)了二維和三維的高級(jí)圖形技術(shù),在性能上表現(xiàn)得異常優(yōu)越。它具有建模、變換、光線處理、色彩處理、動(dòng)畫(huà)以及更先進(jìn)的功能,如紋理映射、物體運(yùn)動(dòng)模糊效果和霧化效果等。OpenGL是一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形庫(kù),用戶可以很方便地開(kāi)發(fā)所需要的有多種特殊視覺(jué)效果的三維圖形。要進(jìn)行基于OpenGL的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),必須掌握OpenGL程序設(shè)計(jì)的方法,包括OpenGL的庫(kù)函數(shù)、OpenGL的語(yǔ)言規(guī)則、OpenGL的系統(tǒng)的狀態(tài)等。OpenGL程序的基本結(jié)構(gòu)有

10、兩部分:初始化OpenGL繪圖的狀態(tài)和描述要繪制的物體。利用OpenGL繪圖在屏幕上顯示圖像的主要步驟是:(1)構(gòu)造幾何要素(點(diǎn)、線、多邊形、圖像、位圖),創(chuàng)建對(duì)象的數(shù)學(xué)描述;2005年2月云南冶金Feb.2005下:假設(shè)繪一個(gè)由若干個(gè)多邊形組成的閉合模型,并有一個(gè)與模型相交的裁剪面將模型發(fā)割,現(xiàn)需要用某種顏色的面覆蓋模型,使見(jiàn)不到模型的內(nèi)部。要這樣做,先清除模板緩存為0,而激活模板和設(shè)置模板比較函數(shù)取為總是接受片段值開(kāi)始繪圖。每次接受片段值時(shí),倒置模板面中的值。在繪出全部對(duì)象后,不需要覆蓋的屏幕區(qū)在模板面中為0,而需要覆蓋的區(qū)域?yàn)榉?。重置模板函數(shù)使只繪模板值為非零的地方,并且通過(guò)整個(gè)屏幕繪

11、一個(gè)覆蓋顏色的大多邊形。由此所得到的覆蓋區(qū)即為所求的剖面。最后還要利用OpenGL的反饋技術(shù)將所生成的剖面數(shù)據(jù)從反饋數(shù)組中提取出來(lái),形成完整的剖面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。切割剖面的流程圖見(jiàn)圖2。模板檢驗(yàn),因此我們可以繪制真正的物體;第三步在反饋模式下繪圖并將剖面數(shù)據(jù)從反饋數(shù)組中提取出來(lái);DrawScene(GLRENDER);/繪制一個(gè)規(guī)則的模型;glFeedbackBuffer(1024,GL3DCOLOR,feed);/設(shè)置反饋數(shù)組feed;glRenderMode(GLFEEDBACK);/在反饋模式下重新繪制,它不會(huì)影響反饋緩存;(GL);/將返回真正(feed);/自定義函數(shù)將緩存的剖面三角形提取

12、出來(lái);第四步繪制剖面三角形。glDisable(GL面;DrawPlan2(111111);/繪制剖面三角形;CLIPPLANE0);/關(guān)閉切割圖2用OpenGL切割剖面流程圖Fig.2Sectioncuttingflow-sheetusingOpenGL繪制剖面完畢。4工程實(shí)例某鐵礦是一個(gè)大型磁鐵礦床,礦體產(chǎn)于輝長(zhǎng)巖體中,西部邊坡主要是輝長(zhǎng)巖,北部邊坡下部為輝長(zhǎng)巖被上部的塊狀花崗巖巖體所覆蓋。磁鐵礦體生成于含礦流層狀輝長(zhǎng)巖相帶中(含礦帶)。由于市場(chǎng)所限,該礦體目前采用小規(guī)模露天開(kāi)采。如圖3為該礦山的開(kāi)采終了三維實(shí)體模型圖。作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維巖體建模系統(tǒng),該系統(tǒng)利用OpenGL的高級(jí)技術(shù)可對(duì)模

13、型進(jìn)行任意方向的剖切。如圖45為在沿X軸方向100、-50m處的剖面圖,如圖69為在沿Y和Z軸方向0、50m處的剖面圖,如圖10為在平行于Y軸而與X、Z軸方向有一定角度的剖面圖。313用OpenGL生成切割面的程序描述生成切割面主要用利用OpenGL的模板檢驗(yàn)及反饋功能。主要繪制過(guò)程如下:第一步初始化;glClear(GLCOLORBUFFERBITorGLDEPTHBUFFERBIT);/清除顏色和深度緩存;第二步只繪制模型的模板植(顏色和深度緩存被禁用);glEnable(GLSTENCILTEST);/打開(kāi)模板緩存;glclipplane(GLCLIPPLANE0,eqn);/設(shè)置切割面

14、參數(shù);glEnable(GLCLIPPLANE0);/打開(kāi)切割面;DrawPlan1(111111);/在模板中繪制圖形,并沒(méi)有在屏幕上繪制圖形;glDIsable(DLSTENCILTEST);/這里禁用145結(jié)論作者利用Delphi610結(jié)合OpenGL開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維巖體建模系統(tǒng),該系統(tǒng)不但可以真實(shí)地顯示出巖體的三維形態(tài),還可以對(duì)其做任意剖面圖,其繪制剖面就是利用OpenGL高級(jí)技術(shù)進(jìn)行的,本文給出了繪制剖面過(guò)程。用該種方法所繪制出的剖面與用人工繪制出的剖面圖完全一致,從而說(shuō)明繪制剖陳俊智等利用OpenGL對(duì)巖體三維模型進(jìn)行切剖面方法研究面的準(zhǔn)確性。最后作者對(duì)某露天礦的三維模型進(jìn)行剖切,生

15、成一系列剖面圖形。由此可見(jiàn),利用OpenGL的高級(jí)繪圖功能,對(duì)巖體三維模型切割剖面的方法是有效和可行的。acertainmineattheendoffirstphaseexcavation(下轉(zhuǎn)第20頁(yè))152005年2月云南冶金Feb.20051)針對(duì)磨碎礦石的力學(xué)特性及磨機(jī)工作條件,第二分冊(cè)M.北京:冶金工業(yè)出版社,1959年9月第一版.2段希祥.降低粗磨機(jī)鋼球尺寸的研究J.礦山機(jī)械,1998,(1):18-21.3段希祥.自然礦塊抗壓強(qiáng)度測(cè)選定研究J.有色金屬(季精確選擇球徑提高磨礦的針對(duì)性,符合當(dāng)代磨礦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)811。研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的精確化裝補(bǔ)球新方法優(yōu)于過(guò)去出現(xiàn)及使用的各種裝補(bǔ)球

16、方法。此方法簡(jiǎn)單而便于應(yīng)用,而且效果十分顯著,是一種很有應(yīng)用前景的裝補(bǔ)球方法。2)精確化裝補(bǔ)球方法在大紅山銅礦選廠系列的成功應(yīng)用,可以大幅度提高磨機(jī)生產(chǎn)率并提高選礦指標(biāo)及節(jié)能降耗。3)精確化裝補(bǔ)球方法的應(yīng)用是在不增加設(shè)施投入的情況下,使一個(gè)設(shè)計(jì)能力為3000t/d的大型生產(chǎn)系統(tǒng)因應(yīng)用此法而增收節(jié)支3千多萬(wàn)元,效益十分可觀。參考文獻(xiàn):1A、F塔加爾特.刊),2000,(3):11-14.4段希祥.球磨機(jī)的鋼球尺寸研究J.有色金屬(選礦部份),1983,(5):52-57.5段希祥.球磨機(jī)鋼球尺寸理論計(jì)算研究J.中國(guó)科學(xué)A輯,1989,(8):857-863.6段希祥,等.球磨機(jī)介質(zhì)工作理論與實(shí)踐M.北京:冶金工業(yè)出版社,1999年8月第一版,72-75.7李啟衡.碎礦與磨礦M.冶金工業(yè)出版社,1980年7月第一版,191.8.J.昆(50),2004,(4):57-61.(上接第15頁(yè))圖9在沿Y軸方向50m處的剖面圖圖8在沿Y軸方向0m處的剖面圖Fig.8Sectionat0mofY-axisdirectionFig.9Sectionat50mofY-axisdirection圖10在平行于Y軸而與X、Z軸方向有一定角度的剖面圖Fig.10SectionattheplacewhereisparalleltoY-axisandcertainangletoX-andY-