CC BY
46
---------------------------------------- © В.М. Шек, А.Г. Литвинов,
Ю.С. Вознесенский, 2009
УДК 681.3:550.8
В.М. Шек, А.Г. Литвинов, Ю.С. Вознесенский
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ СПЛОШНОЙ СРЕДЫ
Предложена классификация моделей сплошных сред в зависимости от тщательности (мощности) описания изменчивости свойств элементов исследуемой системы.
Ключевые слова: моделирование сплошной среды, рельеф поверхности, толщина слоя, геометрическое описание, обобщенные показатели качества.
Общеизвестно, что земная кора является сплошной средой с крайне неравномерной структурой как по архитектуре и составу слагающих её пород, так и по качественным характеристикам последних. Поэтому такая среда является анизотропной. Однако последнее свойство является изменчивым в зависимости от используемого интегрального критерия определения этого свойства.
Моделирование сплошной среды проводится разными способами в зависимости от масштаба углубления в изучение объектов. Предлагается следующая классификация моделей сплошных сред в зависимости от тщательности (мощности) описания изменчивости свойств элементов исследуемой системы (табл. 1). При построении моделей среды в зависимости от целей изучения системы изменяются аппарат моделирования, вид моделей и применяемые компьютерные технологии.
Из вышесказанного следует сделать вывод, что с усложнением целей досконального изучения сплошных сред (систем) увеличивается количество типов выделяемых элементов (объектов) и, соответственно, число элементов каждого типа, изменяется (увеличивается) множество характеристик этих объектов.
Существует множество способов построения моделей сплошных сред [1, 2 и др.]. В подавляющем большинстве - это математические дискретные модели, в которых исследуемая сплошная среда представляется множеством частей (дискрит), располагающихся в пространстве без зазоров (тесно соприкасающихся без проникновения вглубь смежных дискритов).
Таблица 1
Класс моде- ли Уровень изучения системы Элементы Исследуемые свойства Изменчивость модели среды
0 Планета (Земля) Кора, мантия, ядро Рельеф поверхности, толщина слоя анизотропия нулевого уровня
1 Земная кора, месторождение Пласт, рудное тело Геометрическое описание, обобщенные показатели качества анизотропия первого уровня
2 Геологическое строение пласта участка осадочной толщи Пропластки, включения, нарушения Геометрическое описание, обобщенные показатели качества анизотропия второго уровня
3 Геологическое строение пласта ПИ (угля) Макроструктура пласта, про-пластка петрографические характеристики анизотропия третьего уровня
4 Геологическое строение пласта ПИ (угля) Элементарные участки пласта, пропластка качественные характеристики (содержание полезных элементов и примесей, физикомеханические свойства и др.) анизотропия четвертого уровня
5 микромодели среды Микроэлементы системы Структура, взаимодействие и др. анизотропии более высоких уровней иерархии
Каждый дискрит соответствующей модели является элементарным объектом, имеющим персональные пространственные и атрибутивные (количественные и качественные) параметры.
Наилучшим способом дискретная модель может быть построена с помощью системы элементов (дискритов) в виде регулярных шестигранных призм (рис. 1), когда отдельное множество тесно соприкасающихся призм с основаниями, являющимися частями верхней и нижней поверхностей слоя, представляет собой модель этого слоя.
В настоящее время на горных предприятиях любую сплошную среду визуально представляют в виде геологических планов или геологических разрезов. При компьютерном моделировании используются 2,5 или 3D модели отдельных участков (блоков) шахтного поля. К сожалению, все существующие современные системы визуализации горных объектов разработаны для работы с моделями 1 класса и поэтому не позволяют в полной мере детально Рис. 1. Дискрит в виде шестигранной _ ,
призмы отобразить визуальную информа-
цию об элементах (дискритах) шахтного поля (2, 3 и 4 классы моделей), что делает имеющиеся системы визуализации довольно узконаправленными.
Для этих случаев необходимо разработать новую систему визуализации моделей, дополнительно связав её с ГИС-техно-логиями. Последнее подразумевает, что отдельные элементы визуальной модели должны своей формой, цветом и текстурой передавать количественные характеристики тех объектов, которые они отображают. Кроме того, при выделении каждого конкретного элемента с помощью курсора должна выводиться соответствующая таблица со свойствами этого элемента. И наоборот, при аналитическом задании граничных параметров, которым должна соответствовать выбираемая группа объектов дискретной модели сплошной среды, система визуализации (визуали-затор) должна выделить эту группу объектов и выдать на экран монитора (принтер) с использованием соответствующей цветовой гаммы.
Анализ существующих способов представления объемных визуальных моделей и соответствующих программных средств позволил выделить основной набор возможностей, которые должны предлагаться пользователю:
1. в зависимости от класса решаемых задач автоматически выбирать наиболее информативную форму модели (2D, 2,5D, 3D, 4D) и иметь средства для переключения, при необходимости, с одной формы на другую;
2. удобные средства работы с SD-моделями (поворот вокруг произвольной оси, изменение геометрического масштаба элементов, приближение/удаление и др.) для рассмотрения с разных ракурсов при визуальном анализе её свойств;
3. возможность производить разрез модели среды по произвольной плоскости в любом месте и под любым углом;
4. получать информацию о конкретном элементе модели (пласте, дискрите, примитиве и т.п.);
5. удобный интерфейс для сборки/разборки визуальной модели путем включения в неё задаваемых групп элементов, принадлежащих определенному пласту (слою, участку, прослою и т.д.);
6. виртуальное моделирование техногенных и антропогенных объектов;
7. отображение существующих и проектируемых выработок.
Естественно, интерфейс должен быть интуитивно понятен и не
отягощен инструментарием.
Создаваемая система визуализации должна быть многоуровневой объектно-ориентированной, открытой и динамичной. Функциональная структура системы приведена в табл. 2.
Система визуализации, имеющая представленную в таблице 2 функциональную структуру, будет в состоянии строить визуальные модели с любыми уровнями анизотропии объектов.
Следует отметить, что техногенные объекты также, как и сплошную среду, можно моделировать с различными уровнями анизотропии. Самыми простыми, например, для горных выработок будут модели 1 уровня типа pipeline (рис. 2), далее будут модели выработок с фиксацией сечений и векторов направлений их отрезков по маркшейдерским замерам. Далее идут модели с отображением состояния окружающих пород (рис. 3) и элементов крепления; затем - с располагающимися в них машинами, оборудованием и т.п.; для использования в онлайновом диспетчерском управлении - местоположение и состояние персонала.
Кроме того, в зависимости от целей моделирования систему горных выработок можно рассматривать снаружи (рис. 2) или изнутри (рис. 3). Возможен вариант перемещения внутри сплошной среды вне горных выработок с «входом» внутрь встречающихся на пути выработок и «выходам» из них при продолжении движения («хождение сквозь стены»).
Рис. 2. Схема горных выработок
Выбор вида сцен для ТО, ГМ, и ТОЛ производится, как правило, человеком (ЛПР, оператор) исходя из решаемых с помощью визуальных моделей задач и личностного восприятия: гармонизиро-ванно (примерно с одинаковыми уровнями анизотропии для всех трех уровней объектов) либо с персонально задаваемыми уровнями анизотропии для каждого типа объектов моделирования. Например, «простую» схему выработок в модели ГМ с 4 уровнем анизотропии.
Поэтому подсистема общей (генеральной) композиции сцены модели должна уметь совместить локальные сцены ТО, ГМ и ТОЛ, отображающие модели разных уровней анизотропии (иерархии). Далее для одномоментного (сиюминутного) отображения состояния исследуемой системы вводятся (фиксируются) текущие параметры элементов (объектов) все уровней и производится построение текущего кадра визуальной модели (рис. 4).
426
Таблица 2
Функциональная структура системы визуализации
Уровень Функции
Ввод Формирование сцены Формирование кадра Вывод Обратная связь
Управление Ввод задания Управление созданием сцены Управление созданием кадров (сценарий визуализации — раскадровка) Управление выводом кадра Управление местоположением маркера
Отображение техногенных объектов (ТО) Заполнение БД ТО; Сопряжение моделей ТО; Корректирование моделей ТО Выбор вида сцены модели ТО; Выбор объектов ТО; Композиция (рекомпозиция) сцены ТО Композиция общей (генеральной) сцены Ввод параметров системы ТО & § яициз о & Визуализация модели горного предприятия (движок) Определение элемента (группы элементов) ТО
Отображение сплошной среды (горного массива -ГМ) Описание дис-критов; Описание поверхностей; Краевые задачи; Изменение состояния среды Выбор вида сцены модели ГМ; Выбор дискри-тов; Раскрой дис-критов; Композиция (рекомпозиция) сцены ГМ Ввод параметров элементов системы ГМ Определение элемента (группы элементов) ГМ
427
Импорт /экспорт моделей ТО (машины, здания, сооружения, коммуникации и др.) и людей (ТОЛ) И/Э 2D-моделей; И/Э 2^- моделей; И/Э 3D-моделей; Преобразование форматов Выбор вида сцены модели ТОЛ; Преобразование моделей ТОЛ; Композиция (рекомпозиция) сцены ТОЛ Ввод параметров системы ТОЛ Определение элемента (группы элементов) ТОЛ
Сохранение информации Ведение БД ТО; Ведение БД ГМ; Ведение БД ТОЛ; Ведение архивов; Ведение репозитория Чтение сцены из репозитория Запись сцены в репозиторий Чтение информации из БД, БЗ, архивов Запись информации в архив кадров Запись информации в архив кадров Запись информации в БД, БЗ, архивы
Рис. 4. Модель угольного пласта с участком налегающей толщи пород
Для реализации функции вывода кадра на экран можно создать свою специфичную систему вывода изображения или подобрать (модифицировать) таковую из уже существующих систем (движков).
Наиболее рационально использовать существующий эффективный программный комплекс (модуль) визуализации изображений (движок). Это связано с тем, что написание 3D движка требует очень больших затрат труда и времени.
Разработчики, создавая свой новый 3D-движок, сталкиваются с огромным количеством сложностей, начиная от правильности выбора реализуемого метода между OpenGL и DirectX и заканчивая сложностью оптимизации его работы, испытывая зачастую нехватку достаточного количества высококвалифицированных специалистов в этой области.
Результаты проведенного сравнительного анализа существующих средств визуализации позволили принять для создания визуа-лизатора с описанными выше требованиями бесплатный 3D-движок OGRE, который может осуществлять вывод объектов почти с фотографической точностью, что необходимо для моделей 3 -4 уровней анизотропии (рис. 5). На базе последнего было создано огромное количество средств 3D-визуали-зации и даже компьютерных игр, имеющих отличные характеристики.
Рис. 5. Модель участка рельефа местности, созданная с помощью OGRE 429
Программный комплекс: 1) Написан на языке C++; 2) может быть скомпилирован в любой среде (Linux/Unix, Windows, MacOS); 3) работает как с библиотеками DirectX, так и OpenGL; 4) имеет универсальный синтаксис, который не нужно адоптировать под DirectX или OpenGL; 5) является полностью открытым 3D-движком.
При разработке современных визуализаторов разработчики, как правило, не занимаются оптимизацией алгоритмов визуализации изображения объектов на должном уровне. К примеру, просчитываются микромодели всех элементов (дискритов) пластов модели ГМ, хотя большинство из них далее не попадают в кадр. Поэтому зачастую для обеспечения работы таких систем визуализации не хватает ресурсов современных ЭВМ, и тогда разработчики прибегают к использованию кластеров, что делает очень дорогостоящей реализацию этих систем.
После ряда заявлений производителей мощных видеоадаптеров о том, что они нашли способ задействовать мощные видеокарты при расчетах и даже создали инструментарий для этого, многие разработчики были вынуждены признать, что нужно создавать новые методы и даже языки для того, чтобы повысить производительность вновь создаваемых приложений. Стоит заметить также, что обсчет, например, кадров модели обрушения горных пород, производимый на самом современном 4х-ядерном процессоре, занимает в 8, а порой и в 12 раз больше времени, нежели на видеоадаптере последнего поколения. Но, к сожалению, программный инструментарий от Nvidia не совместим с аналогичным от корпорации ATI, что приводит к огромным дополнительным сложностям при создании аппаратно-программных комплексов визуального моделирования.
Относительно недавно было принято решение об использовании универсальной открытой технологии OpenCL. Это совершенно новый шаг в развитии 3D-программирования. Но эта технология еще не вышла из стадии создания экспериментальных систем и не может в настоящее время использоваться для промышленных систем.
Поэтому нами принята технология OGRE для использования при разработке системы визуализации горнопромышленных систем. 1КШ
V.M. Shek, A.G. Litvinov, Y.S. Voznesenskiy
THE VIZUALIZA TION OF THE DISCREET MODELS OF THE CONTINUOUS MEDIUM
The classification of the continuous medium models based on the dependencies of accuracy of the property variability description of the systems elements being investigated is proposed.
Key words: continuous medium modeling, surface irregularity, the thickness of the layer, geometric description, composite indexes of the quality.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Шек В.М. - профессор кафедры АСУ Московского государственного горного университета, доктор технических наук, src@msmu.ru, Литвинов А.Г. - кандидат технических наук, руководитель проектов ООО Геоинфосистем.
Вознесенский Ю.С. - Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
