三维虚拟矿井可视化平台系统的结构与组件设计

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三维虚拟矿井可视化平台系统的结构与组件设

计

近年来，很多矿山企业都对可视化和虚拟现实提出了很多期待和要求，尤其是在安全培训、事

故模拟、地质数据分析和信息管理等方面有迫切的需求。然而，目前在国内大多采用国外平台

软件进行二次开发实现部分专业的功能，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

学的 Minimal R eality Tool Kit (MR ) 等，还有 Vtree、OpenGVS、Open Inventor、Virtools、中视

典的 VR P －Platform 等。也有完全从底层自主研发的三维可视化软件，但功能较为单一，操

作不够灵活，功能大都以地质三维建模和可视化等方面为主，虚拟现实功能还很少见。

三维虚拟矿井可视化平台系统，基于 COM 的虚拟矿井多层架构可视化平台设计思路，从底层

开发一套面向矿山需求的可视化平台，该平台采用 VS2010 + Direct3D 开发，集数据库、可视

化、虚拟现实、信息管理等于一体，将虚拟现实与工业自动化、矿山日常生产管理结合到一

起，不仅能够实现井上下虚拟仿真，提供巷道内部漫游的沉浸感和互动性，给管理层用户带来

获得身临其境的体验，而且可以在平台基础上进一步开发设备管理、监测监控、安全培训和人

员定位等专业功能，将虚拟现实技术真正应用于实际生产当中。

1 、系统的体系结构设计

1 ．1 基于 COM 多层架构的系统体系设计

选用 COM 技术来建立系统的体系结构。整个可视化平台的结构划分，可被划分为多个逻辑层

次，每个层次通过提供专门的服务在整个系统中完成特定的工作系统架构。平台被分为 D3D

层、渲染层、核心层、专业层和应用层 5 个层次。在多层架构软件体系结构的底层，设计了渲

染层，并在此基础上将可视化、系统界面、输入输出等封装为核心组件。采用多层架构的优点

是: 可以对渲染引擎、核心组件和专业功能进行同时开发，不仅提高了开发效率，而且在功能

组件层进行自由组合和装配，开发出面向不同用户的专业系统，使得最终的产品更加灵活和容

易扩展。

1) D3D 层。选用 Direct3D 作为三维系统的底层。与 OpenGL 相比，Direct3D 基于 COM 设计，

初始化的时候就是在初始化接口。同时 D3D 与Win-dows 操作系统兼容性好，可绕过图形显示

接口(GDI) 直接进行支持该 API 的各种硬件的底层操作，从而大大提高了系统运行效率。

2) 渲染层。渲染层即为三维图形绘制引擎。该引擎主要实现了场景渲染、场景组织和数据组织

等内容。场景渲染是引擎中最重要的功能，主要实现了对象(含顶点坐标、纹理坐标、法向量

和光照材质) 的实时绘制，渲染的重点在于实现视锥剔除、遮挡物剔除、景深排序绘

制、MipMap 纹理映射和LOD 等关键技术。场景组织包含了场景管理 (SceneManager) 、材质

管理器(Material Manager) 、内存管理(Memory Manager) 、三维实体(Entity) 、相机(Camer-a)

等，高效的基于节点的树状数据组织方式是场景组织的关键问题。

3) 核心层。组件层是在三维渲染引擎的基础上，实现了各类可视化组件。主要包括可视化、界

面、数据管理、数据接口、特效编辑和动画语音等。

4) 功能层。功能层则针对组件层的 COM 进一步封装。矿山生产专业众多，因此对可视化的需

求也不同，设备管理、监测监控、安全培训和人员定位等都是虚拟矿井可视化平台重要的功能

组件。

5) 应用层。是体系架构中最高一层。在开发框架的基础上，针对不同的用户需求，将专业功能

进行组装。采用用户角色模式，对应用程序进行开发。

针对不同角色，提供不同菜单、按钮和功能组成。

1 ．2 COM 多层架构特点

1) 动态扩展的体系结构，可重用性和可扩展性强，方便系统的更新升级。在这个体系结构中，

最大的特点为系统能够根据需求变化进行自扩展技术，自扩展体现为 2 个方面: 一个是纵向扩

展; 另一个是横向扩展。纵向扩展是指当系统在设计初期，由于考虑不周，对系统不断的修改

是不可避免的。在这种系统结构下，系统 5 个层次独立，下层的扩展不影响上层的正常使用。

横向扩展是指可以根据不同专业需求形成应用功能模块，拓展不同的专业功能。

2) 采用纯COM 技术，实现了与开发语言无关性。可与 VC、VB 等开发工具结合实现二次开

发，也可以直接嵌入网页，将三维场景在网页上进行发布。

系统还提供基于框架的二次开发接口。由于矿山行业目前缺乏统一的技术标准，因此要求系统

“ ”能够能迅速根据不同用户需求，量体裁衣，快速构建出专业应用系统。

3) 创建了庞大的面向对象专业功能组件库，实现了专业功能的组件化，用户可依功能需求实现

灵活定制各类组件，使得系统适应面更广。

4) 三维渲染引擎借鉴了其他三维开源图形引擎的设计思想，在对 D3D 封装的基础上开发组

件，并可以通过插件技术扩展了可视化平台的相应功能。三维引擎是一个基于工业标准 D3D

的软件接口，它让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能的交互式图形程序。

2 、系统的组件设计

虚拟矿井可视化平台组件设计如图1 ，将系统组件分为核心组件和功能组件 2 大部分。

2 ．1 核心组件设计

根据多层架构可视化平台的设计思路，将核心组件划分为如下几类:

1) 可视化组件。该组件提供了场景中模型的可视化操作，包括模型状态、模型显示方式、节点

捕捉、人机交互、多视图、灯光显示、天空显示和参考网格显示等。

2) 界面组件。该组件提供了系统中的菜单、鼠标、按钮、列表、对话框、窗体等一系列界面资

源，通过预载入纹理数据、图像数据等，实现了系统纹理资源的动态管理。

3) 数据管理组件。组件提供了对场景中三维对象的管理，如立方体、球、四棱椎体、圆锥、圆

柱、树木、地形、柔性体元等新建、复制、删除、分解、合并、移动、布尔运算功能组件，还

包括灯光、相机、旋转矩阵等。

4) 数据导入导出组件。该组件主要管理与 3DSMax、Maya 等三维建模软件的数据接口，同时

还支持根据二维平面图形巷道自动建模功能。

5) 特效编辑组件。该组件提供对三维对象的碰撞检测、纹理渲染、天空贴图、粒子系统等特

效。

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标签： #结构 #设计

摘要：

三维虚拟矿井可视化平台系统的结构与组件设计近年来，很多矿山企业都对可视化和虚拟现实提出了很多期待和要求，尤其是在安全培训、事故模拟、地质数据分析和信息管理等方面有迫切的需求。然而，目前在国内大多采用国外平台软件进行二次开发实现部分专业的功能，常用的有Sense8公司的WorldToolKit(WTK)、Multigen－Paradigm公司的Vega、Division公司的dVise、Superscape的VRT、Alberta大学的MinimalRealityToolKit(MR)等，还有Vtree、OpenGVS、OpenInventor、Virtools、中视典的VRP－Platform...

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