Εφαρµογές Εικονικής Πραγµατικότητας στην Μεταλλευτική Βιοµηχανία χρησιµοποιώντας συνήθη λογισµικά πακέτα

Transcript

1 Εφαρµογές Εικονικής Πραγµατικότητας στην Μεταλλευτική Βιοµηχανία χρησιµοποιώντας συνήθη λογισµικά πακέτα Ζαχαρίας Αγιουτάντης Τµήµα Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, Πολυτεχνείο Κρήτης Michael Karmis and Steven J. Schafrik Department of Mining and Minerals Engineering Virginia Tech, Blacksburg, VA 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.λ.π. 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 εκµετάλλευσης. Μετά την ανάπτυξη του κατάλληλου µοντέλου η διαδικασία της ψηφιακής αναπαράστασης επιτρέπει την αναπαραγωγή στατικών εικόνων από οποιαδήποτε γωνία παρατήρησης καθώς και κινηµατικών εικόνων που δείχνουν εξέλιξη δραστηριοτήτων στον 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 κρατιόνται τα στοιχεία της εκµετάλλευσης. Υπάρχουν περιπτώσεις όµως όπου µια εφαρµογή ψηφιακής αναπαράστασης πρέπει να αναπτυχθεί για ένα ή περισσότερους τοµείς της µεταλλευτικής δραστηριότητας και να περιλάβει στοιχεία τα οποία δεν είναι άµεσα διαθέσιµα στην µεταλλευτική βάση δεδοµένων όπως εξοπλισµός, υπόγειες εγκαταστάσεις, επιφανειακές εγκαταστάσεις, όγκους νερού κ.λ.π. (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 /1

2 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 Ε ΟΜΕΝΩΝ Τα δεδοµένα τα οποία χρειάζονται για εφαρµογές ψηφιακής αναπαράστασης ανήκουν σε τρεις µεγάλες κατηγορίες: 1. εδοµένα που σχετίζονται µε τη γεωµετρία της µεταλλευτικής δραστηριότητας, όπως τοπογραφικοί χάρτες, στοιχεία προγραµµατισµού παραγωγής, θέσεις δρόµων, θέσεις γεωτρήσεων κ.λ.π. 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.λ.π. 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.λ.π. 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. ΣΥΝ ΥΑΣΜΟΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ Για να δηµιουργήσει κανείς µια ψηφιακή αναπαράσταση της επιφάνειας απαιτείται ένα ψηφιακό µοντέλο της επιφάνειας (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 1. Λεπτοµερής και αδρή αναπαράσταση φορτηγού υπογείων (Schafrik et al, 2002) /2

3 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. 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 τότε 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). ΙΑ ΙΚΑΣΙΕΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Υπάρχει πληθώρα µεθόδων παρουσίασης των µοντέλων αυτών οι οποίες διαφέρουν όσον αφορά την πολυπλοκότητά τους, το κόστος τους και το πόσο εύκολα µεταφέρονται από θέση σε θέση. Στη συνέχεια δίνονται δύο ενδεικτικά παραδείγµατα τέτοιων µέσων παρουσίασης: /3

4 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 συνδυασµένες 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). 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 λατοµείου. Στη συγκεκριµένη περίπτωση έπρεπε να «κατασκευαστούν» µοντέλα κατοικιών, περιβαλλόντων χώρων Σχήµατα 3-6 Χαρακτηριστικά του συστήµατος CAVE (Benokraitis et al, 1998) /4

5 κατοικιών, δρόµων, κλπ. 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. 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. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σχήµα 7 Αρχική τοπογραφία Σχήµα 8 Επιλογή του DTM (Schafrik et al, 2002) (Schafrik et al, 2002) Σχήµα 10: Άποψη µέσα από το σπίτι House (Schafrik et al, 2002) Σχήµα 11 Άποψη των αποθέσεων µετά από λειτουργία 10 ετών (Schafrik et al, 2002) /5

6 Βάση µεταλλευτικών δεδοµένων Βιβλιοθήκη τρισδιάστατων αντικειµένων Εξαγωγή σε DXF Βιβλιοθήκη εικόνων ηµιουργία DTM Εξαγωγή DTM Λογισµικό ψηφιακής αναπαράστασης ηµιουργία Οπτικοποίησης Σχήµα 9: ιάγραµµα ροής για την ανάπτυξη της εφαρµογής σε εικονική πραγµατικότητα 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, Golden, CO. Society of Mining, Metallurgy, and Exploration, 1999, pp Pawasauskas, J. Volume Visualization with Ray Casting, 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 /6