王海生 （慶新油田開發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江 安達(dá)151413）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)集成一種模擬幻境，通過多種傳感設(shè)備使用戶 “投入”到該幻境中并實(shí)現(xiàn)用戶與幻境的自然交互的一種技術(shù)。目前，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于視景仿真、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計(jì)、軍事模擬等領(lǐng)域。北京中視典公司研制開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)（Virtual Reality Platform，VRP），以其功能全面、靈活實(shí)用以及易于與3DS MAX等建模軟件兼容的特點(diǎn)獲得業(yè)界廣泛贊譽(yù)，成為虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)開發(fā)的首選［1］。

衛(wèi)星油田數(shù)字化建設(shè)整合了全油田計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的資源，形成了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)，具備進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。鑒于油田生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)的實(shí)際需要，筆者結(jié)合當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，構(gòu)建了基于VRP的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)著眼于技術(shù)工人崗前培訓(xùn)和崗中技能強(qiáng)化訓(xùn)練，因而在設(shè)計(jì)時(shí)以集配間和抽油機(jī)井生產(chǎn)維護(hù)工藝為藍(lán)本，針對(duì)采油、注水等主要生產(chǎn)單元進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)采油工虛擬仿真培訓(xùn)功能。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)任務(wù)要求，主要完成采油崗相關(guān)虛擬操作流程，為此在進(jìn)行虛擬場(chǎng)景規(guī)劃和布局時(shí)，將系統(tǒng)分為4個(gè)層級(jí)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 3DS MAX建模

2.1 3D建模

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型的優(yōu)化對(duì)VR－DEMO的演示速度影響很大，因?yàn)橹谱髑捌谌绻粚?duì)場(chǎng)景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要重新回到3DS MAX修改模型，這樣會(huì)大大降低工作效率。因此，在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)必須注重虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型的優(yōu)化并遵循游戲場(chǎng)景的建模方式創(chuàng)建簡(jiǎn)模。圖2所示為精細(xì)建模閘板閥模型和優(yōu)化后閘板閥模型網(wǎng)格對(duì)比圖。

2.2 材質(zhì)貼圖與烘焙操作

在設(shè)計(jì)過程中，處理注重模型的優(yōu)化以外，還必須注意材質(zhì)的編輯，因?yàn)椴馁|(zhì)的使用需要跟烘焙操作結(jié)合在一起，即不同類型的材質(zhì)應(yīng)采取不同的烘焙方式。VRP對(duì)3DS MAX模型材質(zhì)的屬性設(shè)置沒有過多要求，通?？梢栽贒iffuse Color（漫反射顏色）貼圖通道添加一張紋理貼圖來表現(xiàn)模型材質(zhì)屬性，其他設(shè)置可以在模型導(dǎo)入到VRP編輯器后再進(jìn)行設(shè)置。對(duì)3D模型賦材質(zhì)后，就可以在場(chǎng)景中布置相機(jī)和各種燈光準(zhǔn)備烘焙操作。這樣能把在非實(shí)時(shí)環(huán)境中渲染完成的燈光材質(zhì)等效果轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)交互的環(huán)境中，因此烘焙紋理的質(zhì)量直接影響最終效果［2］。添加材質(zhì)烘焙后的效果圖如圖3所示。當(dāng)3D場(chǎng)景完成烘焙操作后，就可以利用VRP－for－Max插件，將3D場(chǎng)景中的模型從3DS MAX中導(dǎo)出至VRP－Builder中。

圖2 精細(xì)建模模型和優(yōu)化后模型網(wǎng)格對(duì)比圖

圖3 添加材質(zhì)烘焙后效果圖

3 VRP虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)間軸動(dòng)畫

三維虛擬場(chǎng)景的鼠標(biāo) （或鍵盤）響應(yīng)動(dòng)作可以通過VRP時(shí)間軸動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)，即通過編輯觸發(fā)函數(shù)進(jìn)行時(shí)間軸動(dòng)畫的控制播放，從而形成三維虛擬場(chǎng)景與用戶交互的效果 （見圖4）。

圖4 時(shí)間軸動(dòng)畫效果

3.2 粒子系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅包括剛體對(duì)象，而且包括流體對(duì)象。在VRP中表現(xiàn)流體對(duì)象流動(dòng)形態(tài)的技術(shù)包括以下2種類型：建立剛體對(duì)象貼上流體的動(dòng)態(tài)貼圖；采用粒子系統(tǒng)。在實(shí)際表現(xiàn)效果上，粒子系統(tǒng)可以獲得更加逼真形象的流體流動(dòng)效果。圖5所示為利用粒子系統(tǒng)建立的單流閥取油樣場(chǎng)景。

3.3 天空盒

在三維虛擬場(chǎng)景中，如果沒有合適的背景襯托，會(huì)使三維虛擬場(chǎng)景的仿真效果大打折扣。為此，在VRP中通過天空盒工具來添加整個(gè)場(chǎng)景的環(huán)境和背景 （見圖6）。

圖5 利用粒子系統(tǒng)建立單流閥取油樣場(chǎng)景圖

圖6 天空盒使用效果圖

3.4 二維界面

二維界面是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與用戶交互的窗口，制作精良的二維交互界面可以使用戶更加方便地操控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行。在進(jìn)行系統(tǒng)二維界面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視操作界面的實(shí)用性，盡量簡(jiǎn)化二維交互界面按鈕個(gè)數(shù)，為三維場(chǎng)景留出更多的可視空間，同時(shí)兼顧二維界面的功能性。注配間裝置任務(wù)操作場(chǎng)景二維界面顯示效果圖如圖7所示。

圖7 注配間裝置任務(wù)操作場(chǎng)景二維界面

3.5 VRP與數(shù)據(jù)庫連接

VRP能夠連接數(shù)據(jù)庫并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息查詢、比較、存儲(chǔ)等功能。在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)用戶信息管理和仿真部件描述信息賦值等操作，需要通過VRP連接ORACLE數(shù)據(jù)庫，具體操作包括啟用數(shù)據(jù)庫插件、連接數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)操作［3］。

圖8 VRP編程腳本

3.6 腳本編輯

三維場(chǎng)景的交互動(dòng)作可以通過VRP腳本來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求和場(chǎng)景設(shè)定，將VRP腳本文件分為7組 （歡迎界面腳本、全景巡視腳本、抽油機(jī)任務(wù)腳本、集油間任務(wù)腳本、注配間任務(wù)腳本、閘閥任務(wù)腳本以及減速箱任務(wù)腳本）。VRP編程腳本如圖8所示。

4 結(jié) 語

為了加強(qiáng)油田員工的實(shí)際操作技能，基于VRP設(shè)計(jì)了油田虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，通過該系統(tǒng)培訓(xùn)后，員工能夠更好地掌握操作技能，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)最大程度地減少誤操作現(xiàn)象，因而受到油田員工的歡迎。