CC BY
62
4. Климатические ресурсы и их прикладное ис- 5. Давид М. Геостатистические методы при
пользование / Под. ред. А. А. Исаева, М. А. Петросьянца. оценке запасов руд. — Л.: Недра. — 1980.
— М.: Изд-во МГУ, 1989. — 159 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Валуев Андрей Михайлович - доцент, кандидат физико-математических наук, кафедра «Организации и управления в горной промышленности», Московский государственный горный университет.
------------------------------------- © Е.И. Петровичев, И. В. Лушников,
А.Н. Катков, 2005
УДК 622.014.2:658.513.011.56:681.3.001.57
Е.И. Петровичев, И.В. Лушников, А.Н. Катков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 3Б ГРАФИКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Семинар № 10
Современные шахты, рудники, карьеры, обогатительные фабрики представляют сложные комплексные предприятия, оснащенные мощной горной техникой. Процесс планирования и управления технологическими процессами, горными предприятиями и объединениями требует от руководителя любого ранга умения быстро и правильно принимать различные решения. При этом функции инженера — руководителя и организатора производства — все более усложняются, что вызвано как ростом потоков информации, так и сложностью горного предприятия, объединяющего природную среду (месторождение), средства и орудия производства (технику) и людей (трудовой коллектив).
В этих условиях решения, принимаемые на основе личного опыта и интуиции, зачастую становятся малоэффективными. Таким образом, для повышения качества планирования и
управления горным производством необходимо широкое внедрение ЭВМ, развитие вычислительных средств, расширение их возможностей.
Очень интенсивно в настоящее время развивается направление компьютерного синтеза изображений. Можно считать, что сформировалась новая отрасль информатики - трехмерная (или 3D) машинная графика. Ее можно определить как науку о математическом моделировании геометрических форм и свойств объектов, а также методов их визуализации и управления ими.
3D Studio Max позволяет решить огромный спектр задач, в частности, визуализацию физических процессов и создание фотореалистических сцен. Кроме того, для 3D Studio Max существует множество встраиваемых модулей, которые позволяют с помощью двух-трех щелчков мыши решать такие сложные задачи, как создание различных спецэффектов (взры-
вы, дым, огонь и т.д.) и имитация физических явлений.
Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью последних. Информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа, для ее восприятия получателю достаточно иметь относительно небольшой объем специальных знаний. Например, в маркшейдерии на открытых разработках, по мере перехода на цифровое моделирование открытых горных работ, также увеличивается интерес к трехмерному представлению маркшейдерской информации, т.к. традиционные маркшейдерские планы понятны только пользователям, которые хорошо знакомы с условными знаками. Для маркшейдеров пространственное представление очень важно, поскольку позволяет выявить ошибки цифрового моделирования, а для технологов позволяет улучшить обоснованность принятия управляющих решений. Многие специализированные горные пакеты, имеют возможность пространственного представления объектов открытых горных разработок. Но при этом имеют два недостатка, во-первых, очень высокую стоимость, а во-вторых, они позволяют представлять только статичные объекты, а для поддержки принятия управляющих решений важно показать на модели и динамические объекты и каким-то образом отразить их состояние. Для автомобиля желательно знать не только траекторию его движения, но и его состояние -груженый или порожний. Экскаватор, при подъезде самосвала в зону погрузки, должен начинать работу, кроме того, цветом объекта может отражаться его работоспособность. Т.е. у динамического объекта на открытых разработках должно появиться свойство анимации и реакция на события.
Трехмерная сцена, создаваемая 3D Studio Max, состоит из множества объектов. Она может быть либо анимированной (динамической), либо статичной (неподвижной).
Процесс создания сцены состоит из четырех этапов:
• моделирование геометрии;
• настройка камер, источников света и материалов;
• анимация объектов;
• финальная визуализация.
Рассмотрим каждый этап чуточку подробнее на примере моделирования процесса бурения, взрыва под землей и откачки метана, образовавшегося после взрыва.
Задумав свою сцену (проектировщики и дизайнеры часто прибегают к наброскам на бумаге), художник начинает моделирование отдельных объектов. Причем рекомендуется создавать объекты в различных файлах, а потом компоновать их в итоговую сложную сцену.
Построить трехмерную поверхность можно, например, с помощью сложного объекта Terrain (Ландшафт) на основе плоских фигур или перевести в растровый формат фотографию поверхности. В нашей модели поверхность была получена из простого примитива Box с помощью модификатора настройки геометрии объекта Edit Mesh (Редактирование каркаса) и модификатора Mesh Smooth (Сглаживание каркаса).
При помощи функции Import выбранные примитивы из библиотеки трехмерных геометрических примитивов переносим в файл модели, масштабируем и размещаем их в нашем виртуальном мире. Последующее применение булевой операции над твердыми телами (вычитание) завершает моделирование эффекта бурения. Аналогично моделируются эффекты взрыва бомбы и выделения газа после взрыва.
Чем удачнее наложены материалы (текстуры) на имеющиеся объекты, тем реальнее будет казаться картинка.
Редактор материалов (Material Editor) предоставляет широкие возможности по настройке внешнего вида поверхности объектов. Для создания рельефа разреза можно воспользоваться модификатором Unwrap UVW, который позволяет точно наложить растровый материал на поверхности модели практически любой сложности.
Совместив объекты в итоговую сцену, можно установить источники света и камеры. Источники света отвечают за яркость, тон, глубину и резкость теней, а камеры — за угол зрения, перспективу и фокус. Для создания эффекта присутствия камеру устанавливают на высоте человеческого роста.
Следующим этапом является настройка анимации. 3D Studio Мах позволяет добиться таких успехов, что итоговый ролик подчас сложно отличить от кадров, полученных обычной камерой. Многие сцены, такие как текущая вода, падающий снег, движущийся автомобиль, только выиграют, если будут изображены в движении. Под анимацией сцены в 3D Studio Мах понимается автоматизированный процесс визуализации последовательности изображений, называемых также кадрами (frames), каждое из которых фиксирует некоторые изменения состояния этой сцены. Эти изменения могут касаться положений объектов или подобъ-ектов, формы объектов, определяемой действием различных модификаторов, свойств материалов объектов (таких как цвет, блеск или прозрачность), состояния внешней среды, представленной дымкой или туманом, и многих других компонентов сцены, допускающих анимацию. Автоматизация процесса анимации состоит в том, что пользователю требуется задать значения анимируемых элементов только в некоторых кадрах, называемых ключевыми (keyframes). Следовательно, при создании анимированной сцены при помощи инструментов 3D Studio Мах можно задавать поведение элементов и взаимодействие их друг с другом, а
также время, начиная с которого элементы будут «оживать».
Финальный этап работы над сценой — наложение спецэффектов и обсчет итоговой картинки. В рассматриваемом примере имитировать взрыв бомбы, разрывающейся на множество кусков, помогает создание системы частиц PArray и пространственные исказители Gravity и Deflector. Благодаря свойству PArray Spawn Particle можно создавать следы движения частиц. Выделение газа после взрыва создается с помощью системы частиц Super Spray, используя опцию Rate.
Процесс расчета каждого кадра зависит от сложности сцены и мощности компьютера. Однако с помощью имитации динамики имеется возможность автоматического создания реалистических движений геометрических объектов за счет имитации их физических свойств и применения законов природы, имеющих отношение к физическому движению. При выполнении расчетов указанной имитации динамики учитываются такие свойства объектов, как масса, вес и гибкость, а также внешние силы, как сила тяжести, трение и столкновения между объектами. Кроме того, эти расчеты можно использовать в сочетании с другими методами анимации по ключевым кадрам. Это существенно упрощает манипуляцию разными траекториями движения объектов, созданных посредством имитации. По существу, при имитации динамики выполнятся расчет положения и вращения объекта с конкретной массой при воздействии на него внешней силы.
В результате у нас поучилась виртуальная модель бурильной установки. Следовательно, мы можем использовать 3D - технологии в горной промышленности для того, чтобы предварительно имитировать технологический процесс.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Петровичев Евгений Иванович - доцент,
Лушников И.В., Катков А.Н. - студенты,
кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.
