Εφαρμογές Εικονικής Πραγματικότητας στη Μεταλλευτική Βιομηχανία χρησιμοποιώντας συνήθη λογισμικά πακέτα

Transcript

1 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 Εφαρμογές Εικονικής Πραγματικότητας στη Μεταλλευτική Βιομηχανία χρησιμοποιώντας συνήθη λογισμικά πακέτα ΖΑΧΑΡΙΑΣ ΑΓΙΟΥΤΑΝΤΗΣ Καθηγητής Πολυτεχνείου Κρήτης, Τμήμα Μηχανικών Ορυκτών Πόρων ΜΙΧΑΛΗΣ ΚΑΡΜΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Virginia Tech STEVEN SCHAFRIK Ερευνητής Πανεπιστημίου Virginia Tech ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ψηφιακή αναπαράσταση ή οπτικοποίηση (visualization) κοιτασμάτων ή μεταλλευτικών διαδικασιών, όπως είναι η φόρτωση και η μεταφορά, χρησιμοποιείται σήμερα ολοένα και περισσότερο από τη μεταλλευτική βιομηχανία. Οι παρουσιάσεις αυτές βρίσκουν σήμερα ευρεία εφαρμογή από τη μεταλλευτική βιομηχανία και κυρίως όσον αφορά δημόσιες σχέσεις, εκπαίδευση του προσωπικού, πρόβλεψη παραγωγής, αποκατάσταση εκμεταλλεύσεων κ.λπ. Το άρθρο αυτό εστιάζεται στην παρουσίαση των βημάτων που χρησιμοποιούνται για να γίνει μια τέτοια ψηφιακή αναπαράσταση σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας και δίνεται ένα παράδειγμα από μια περίπτωση αποκατάστασης ενός λατομείου αδρανών στην Β. Αμερική. Καταδεικνύεται ότι η δημιουργία τέτοιων ψηφιακών αναπαραστάσεων μεταλλευτικών περιβαλλόντων δεν εξαρτάται από το λογισμικό πακέτο το οποίο χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό της εκμετάλλευσης. Μετά την ανάπτυξη του κατάλληλου μοντέλου η διαδικασία της ψηφιακής αναπαράστασης επιτρέπει την αναπαραγωγή στατι-

2 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 κών εικόνων από οποιαδήποτε γωνία παρατήρησης, καθώς και κινηματικών εικόνων που δείχνουν την εξέλιξη των δραστηριοτήτων στο χώρο εκμετάλλευσης. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με την πρόοδο των κατανεμημένων υπολογιστικών συστημάτων και το μικρό κόστος των σταθμών εργασίας είναι πολύ σύνηθες οι ομάδες μηχανικών που ασχολούνται με το σχεδιασμό εκμεταλλεύσεων να χρησιμοποιούν εργαλεία ψηφιακής αναπαράστασης της εκμετάλλευσης. Αυτό είναι σήμερα εφικτό χρησιμοποιώντας εμπορικά πακέτα, όπως πακέτα σχεδιασμού εκμεταλλεύσεων, πακέτα προσομοίωσης διαδικασιών, τα οποία επιτρέπουν τη διαχείριση των αντίστοιχων βάσεων δεδομένων στις οποίες κρατούνται τα στοιχεία της εκμετάλλευσης. Υπάρχουν περιπτώσεις όμως όπου μια εφαρμογή ψηφιακής αναπαράστασης πρέπει να αναπτυχθεί για έναν ή περισσότερους τομείς της μεταλλευτικής δραστηριότητας και να περιλάβει στοιχεία τα οποία δεν είναι άμεσα διαθέσιμα στη μεταλλευτική βάση δεδομένων όπως εξοπλισμός, υπόγειες εγκαταστάσεις, επιφανειακές εγκαταστάσεις, όγκους νερού κ.λπ. (Brooks et al., 1999). Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται τα βήματα που χρειάζονται για να ενσωματωθεί η πληροφορία αυτή μαζί με την πληροφορία η οποία εξάγεται από ένα σύστημα διαχείρισης μεταλλευτικών δεδομένων. Τα βασικά βήματα είναι: 1. Να προσδιοριστεί ο τύπος και η μορφή των δεδομένων που απαιτούνται για μια τέτοια εφαρμογή, π.χ. ισοϋψείς επιφανείας. 2. Να συνδυαστούν όλα αυτά τα δεδομένα στο ίδιο σύστημα αναφοράς ώστε να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο σύνολο δεδομένων. 3. Να αποδοθούν τα αντικείμενα που περιλαμβάνονται στο σύνολο αυτό με ρεαλισμό. 4. Να δημιουργηθεί το τελικό πακέτο παρουσίασης. Όλη αυτή η διαδικασία δημιουργεί ουσιαστικά ένα ιδεατό μοντέλο του εξεταζόμενου χώρου, δηλαδή ένα μοντέλο εικονικής πραγματικότητας (virtual reality). ΣΥΛΛΟΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Τα δεδομένα τα οποία χρειάζονται για εφαρμογές ψηφιακής αναπαράστασης ανήκουν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες:

3 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 1. Δεδομένα που σχετίζονται με τη γεωμετρία της μεταλλευτικής δραστηριότητας, όπως τοπογραφικοί χάρτες, στοιχεία προγραμματισμού παραγωγής, θέσεις δρόμων, θέσεις γεωτρήσεων κ.λπ. 2. Στοιχεία που δεν σχετίζονται με τη γεωμετρία του μεταλλείου αλλά με την γεωμετρία βοηθητικών ή άλλων εγκαταστάσεων ή εξοπλισμού, όπως τρισδιάστατες απεικονίσεις κτηρίων, εξοπλισμού, περιβάλλοντος χώρου κ.λπ. 3. Η μορφή και η υφή των μεταλλευτικών και μη μεταλλευτικών δεδομένων (περιπτώσεων 1 και 2 προηγούμενα), όπως το κοίτασμα, τα υπερκείμενα, οι θέσεις αποκατάστασης, το τοπίο κ.λπ. Σχήμα 1: Λεπτομερής και αδρή αναπαράσταση φορτηγού υπογείων (Schafrik et al, 2002) Σήμερα τα περισσότερα δεδομένα τα οποία αποθηκεύονται σε πακέτα τύπου CAD μπορούν να εξαχθούν σε μια ενοποιημένη μορφή δηλαδή σε μορφή DXF. Η μορφή αυτή περιλαμβάνει την πληροφορία έτσι ώστε να μπορεί κανείς να απεικονίσει τον περιβάλλοντα χώρο και τις θέσεις των χαρακτηριστικών της επιφανείας. Όσον αφορά τα μη μεταλλευτικά δεδομένα όπως οι τρισδιάστατες μορφές του εξοπλισμού, αν αυτές δεν υπάρχουν ήδη σε ψηφιακές βιβλιοθήκες, πρέπει να κατασκευαστούν σωστά και υπό κλίμακα έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τέτοιες απεικονίσεις. Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν απαιτείται υπερβολική ακρίβεια στην κατασκευή των μοντέλων αυτών καθώς στα περισσότερα αντικείμενα τα οποία περιλαμβάνονται στις απεικονίσεις η λεπτομέρεια πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να δοθεί σωστά. Στο Σχήμα 1 συγκρίνεται μια λεπτομερής και μια πιο αδρή τρισδιάστατη απεικόνιση ενός μεταλλευτικού οχήματος.

4 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Για να δημιουργήσει κανείς μια ψηφιακή αναπαράσταση της επιφάνειας απαιτείται ένα ψηφιακό μοντέλο αυτής (Digital Terrain Model, DTM). Στην πραγματικότητα ένα DTM είναι μια συλλογή τρισδιάστατων πολυγωνικών επιφανειών, συνήθως τριγώνων, οι οποίες αναπαριστούν την επιφάνεια. Ένα DTM μπορεί να δημιουργηθεί με διάφορους τρόπους. Συνήθως το πακέτο στο οποίο υπάρχει η μεταλλευτική βάση δεδομένων, έχει τη δυνατότητα δημιουργίας DTM επιφανειών, όπως για παράδειγμα της γήινης επιφάνειας ή των επιφανειών εξόρυξης. Στο Σχήμα 2 φαίνεται ένα παράδειγμα ενός αρχείου DTM. Σχήμα 2: Παράδειγμα ενός αρχείου DTM (Schafrik et al, 2002) Η ανάλυση εξαρτάται άμεσα από την περιοχή η οποία ερευνάται. Σημειώνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή η οποία απεικονίζεται και η λεπτομέρεια με την οποία απεικονίζεται, τόσο πιο δύσχρηστο είναι το μοντέλο το οποίο δημιουργείται. Οι περισσότεροι σταθμοί εργασίας θα αρχίσουν να έχουν προβλήματα όταν ο αριθμός των πολυγώνων που περιλαμβάνονται σε ένα DTM πλησιάσει τις (Schafrik et al, 2002). ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΡΕΑΛΙΣΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ Όταν συγκεντρωθούν όλα τα αντικείμενα προς ψηφιακή αναπαράσταση, τότε μπορούν να εισαχθούν στο πακέτο το οποίο θα ασχοληθεί με αυτή καθεαυτή την ψηφιακή αναπαράσταση. Το τελευταίο επιτρέπει τον προσδιορισμό κάθε αντικειμένου στο χώρο σε συντεταγμένες x, y, z, καθώς και την προδιαγραφή των οδεύσεων κίνησης για κάθε κινούμενο μέρος.

5 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 Για παράδειγμα ο χρήστης μπορεί να προσδιορίσει το διάστημα κίνησης ενός φορτηγού που κινείται πάνω σε μια ράμπα. Ένα από τα πιο γνωστά πακέτα είναι το 3D Studio Max της εταιρείας Kinetix (Schafrik et al, 2002). Συνήθως η τοποθέτηση των αντικειμένων στο χώρο γίνεται πριν εφαρμοστούν πάνω σε αυτά τα χρώματα και οι υφές απεικόνισης, ώστε να είναι πιο εύκολος ο χειρισμός των αντικειμένων. Στη συνέχεια, μετά δηλαδή την τοποθέτηση των αντικειμένων στο χώρο και την εφαρμογή των χρωμάτων στις επιφάνειές τους, τοποθετείται μια πηγή φωτισμού, π.χ. ο ήλιος και τα ιδεατά αυτά αντικείμενα και οι ιδιότητές τους φωτίζονται κατάλληλα (rendering). Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει με διάφορες τεχνικές οι οποίες δεν είναι του παρόντος και οι οποίες έχουν διαφορετικά αποτελέσματα, όπως διαχυμένα χρώματα, διαφάνεια ή μη διαφάνεια των αντικειμένων κ.λ.π. Σημειώνεται επίσης, ότι η διαδικασία φωτισμού είναι μια διαδικασία εξαιρετικά χρονοβόρα και συνήθως απαιτείται παραπάνω από ένας σταθμός εργασίας για να φέρει εις πέρας την εργασία αυτή σε λογικούς χρόνους (Pawasauskas, 2001). ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Υπάρχει πληθώρα μεθόδων παρουσίασης των μοντέλων αυτών οι οποίες διαφέρουν όσον αφορά στην πολυπλοκότητά τους, στο κόστος τους και στο πόσο εύκολα μεταφέρονται από θέση σε θέση. Στη συνέχεια δίνονται δύο ενδεικτικά παραδείγματα τέτοιων μέσων παρουσίασης: α. CAVE. Η λέξη CAVE προκύπτει από τα αρχικά των λέξεων Cave Automatic Virtual Environment. Το περιβάλλον δημιουργείται από ένα σύνολο επίπεδων οθονών που σχηματίζουν κύβο (δωμάτιο), στις οποίες προβάλλονται από πίσω συνδιασμένες τρισδιάστατες εικόνες (Σχήματα 3-6). Ο χρήστης στέκεται μέσα στο χώρο αυτό και φοράει ειδικά γυαλιά που του δίνουν την αίσθηση της πλήρους εμβάπτισης (immersion) στον τρισδιάστατο χώρο. Η μεθοδολογία αυτή έχει μια πολύ καλή εφαρμογή σε ιδεατές περιηγήσεις για έναν άνθρωπο. Από την άλλη μεριά όμως είναι πολύ ακριβό, μη μεταφέρσιμο και απαιτεί εξειδικευμένο προσωπικό για τη λειτουργία του (Benokraitis et al., 2003).

6 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 Σχήματα 3-6: Χαρακτηριστικά του συστήματος CAVE (Benokraitis et al, 1998) β. Η απλούστερη ίσως μορφή κινηματικής παρουσίασης τέτοιων ψηφιακών αναπαραστάσεων είναι η χρήση ψηφιακών βίντεο (videos), τα οποία είναι ευρύτερα διαδεδομένα και μπορούν να αναμεταδοθούν και μέσω του internet. Κλασσικά τέτοια παραδείγματα είναι αρχεία τύπου AVI ή άλλων τύπων τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε παρουσιάσεις με το PowerPoint ή με το λογισμικό Director της Macromedia. Επίσης τα ψηφιακά αυτά video μπορούν να διανεμηθούν μέσω CD ή DVD. Το μειονέκτημά τους είναι ότι η δημιουργία καθενός video είναι εξαιρετικά χρονοβόρα και βέβαια ο χρήστης δεν έχει δυνατότητα να επηρεάσει τις γωνίες από τις οποίες βλέπει ένα αντικείμενο. ΨΗΦΙΑΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΥ ΛΑΤΟΜΕΙΟΥ Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται μια συγκεκριμένη εφαρμογή που αφορά ένα λατομείο αδρανών στη Β. Αμερική. Στην περίπτωση αυτή τα δεδομένα του μεταλλείου ήταν διαθέσιμα σε σύστημα AutoCAD. Με βάση κάποιο πρόσθετο λογισμικό (add-on) στο AutoCAD έγινε δυνατή η δημιουργία του DTM του ανάγλυφου της ευρύτερης περιοχής (Σχήμα 7 και 8). Στη συνέχεια το μοντέλο αυτό εισήχθη στο πακέτο 3D Studio Max. Μέσα στο 3D Studio Max δημιουργήθηκαν οι μορφές των επιφανειακών δομών που θα μετείχαν στην ψηφιακή αναπαράσταση εκτός από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του λα-

7 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 τομείου. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έπρεπε να «κατασκευαστούν» μοντέλα κατοικιών, περιβαλλόντων χώρων κατοικιών, δρόμων, κλπ. Σχήμα 7: Αρχική τοπογραφία Σχήμα 8: Επιλογή του DTM (Schafrik et al, 2002) (Schafrik et al, 2002) Το επόμενο βήμα ήταν η δημιουργία και η εφαρμογή των κατάλληλων υφών και χρωμάτων, με τα οποία χρωματίστηκαν τόσο η γήινη επιφάνεια, όσο και οι εσωτερικές και εξωτερικές επιφάνειες των κατοικιών, καθώς και τα δέντρα και όλη η βλάστηση της περιοχής. Το τελικό βήμα ήταν η δημιουργία διαφόρων σεναρίων οπτικής όχλησης μέσα από το σπίτι λόγω της κατασκευής ενός χώρου αποθέσεων στείρων υλικών ο οποίος με την πρόοδο των εργασιών του λατομείου πιθανόν να δημιουργούσε όχληση στους κατοίκους. Τα βήματα φαίνονται αναλυτικά στο Σχήμα 9.

8 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 Σχήμα 9: Διάγραμμα ροής για την ανάπτυξη της εφαρμογής σε εικονική πραγματικότητα Στα Σχήματα 10 και 11 απεικονίζονται τυπικές προβολές μέσα από μία από τις παρακείμενες κατασκευές ώστε να εκτιμηθεί η οπτική όχληση που θα είχε το ανάχωμα. Στα σχήματα φαίνονται τυπικές εικόνες της διαδικασίας της επιφανειακής εκμετάλλευσης από διάφορα σημεία μέσα από το λατομείο. Οι εικόνες αυτές δεν ήταν απαραίτητες για την διαμόρφωση άποψης σχετικά με το ύψος των αποθέσεων, αλλά δείχνουν τις δυνατότητες που έχει η μέθοδος αυτή όσον αφορά στην ρεαλιστική απεικόνιση διαδικασιών και εξοπλισμού μέσα και έξω από την εκμετάλλευση. Σχήμα 10: Άποψη μέσα από το σπίτι (Schafrik et al, 2002) Σχήμα 11: Άποψη των αποθέσεων μετά από λειτουργία 10 ετών (Schafrik et al, 2002)

9 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 Σχήμα 12: Άποψη του σπαστήρα στην πλατεία του λατομείου Σχήμα 13: Άποψη του εκσκαφέα στην πλατεία

10 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 10 Σχήμα 14: Άλλη αποψη του εκσκαφέα. Διακρίνεται η βλάστηση εκτός λατομικής περιοχής και ταινιόδρομος μεταφοράς υλικού Σχήμα 15: Απεικόνιση Λατομείου

11 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 11 Σχήμα 16: Άποψη του ορύγματος πλήρους νερού Σχήμα 17: Άλλη άποψη του ορύγματος

12 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 12 Σχήμα 18: Τρίτη άποψη του ορύγματος ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο άρθρο αυτό παρουσιάστηκε μια διαδικασία η οποία μπορεί να βοηθήσει το μηχανικό στο να δημιουργήσει τα απαραίτητα ιδεατά μοντέλα ή μοντέλα εικονικής πραγματικότητας, ώστε να μπορέσει να παρουσιάσει με ακρίβεια μελλοντικές καταστάσεις που προκύπτουν από τη μεταλλευτική δραστηριότητα, ή ακόμα και να δημιουργήσει σενάρια εκπαίδευσης για το προσωπικό του, ή και σενάρια αποκατάστασης της εκμετάλλευσης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή βασίστηκε κατά μεγάλο μέρος της σε ερευνητική δουλειά που γίνεται στο Κέντρο Άνθρακα και Ενέργειας στο Πανεπιστήμιο Virginia Tech των ΗΠΑ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Benokraitis, A., R. Kriz and D. Hix What is a CAVE?. May 2003 Brooks, G., A. Tucker, D. Schofield, and R. Hollands VR-Based Visualization of Reclaimed Mine Sites. APCOM 99: Computer Applications in the Minerals Industries,

13 ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ-ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 13 Golden, CO. Society of Mining, Metallurgy, and Exploration, 1999, pp Pawasauskas, J. Volume Visualization with Ray Casting, ~matt/courses/cs563/talks/powwie/p1/ray-cast.htm, Oct Schafrik, S., M. Karmis and Z. Agioutantis, A Visualization Application for the Mining Industry Using Standard Tools, Proceedings, 30th International Symposium of Application of Computers and Operations Research in the Mineral Industry (APCOM), Phoenix, Arizona, 25th 27th February 2002.