基于VRP的油田虛擬現實仿真培訓系統設計

王海生 （慶新油田開發有限責任公司，黑龍江 安達151413）

虛擬現實技術是利用計算機集成一種模擬幻境，通過多種傳感設備使用戶 “投入”到該幻境中并實現用戶與幻境的自然交互的一種技術。目前，該技術已經被廣泛應用于視景仿真、城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、橋梁道路設計、軍事模擬等領域。北京中視典公司研制開發的虛擬現實平臺（Virtual Reality Platform，VRP），以其功能全面、靈活實用以及易于與3DS MAX等建模軟件兼容的特點獲得業界廣泛贊譽，成為虛擬現實仿真系統開發的首選［1］。

衛星油田數字化建設整合了全油田計算機網絡的資源，形成了功能強大的計算機數據信息處理系統，具備進行虛擬現實仿真培訓系統建設和運行的物質基礎。鑒于油田生產技術培訓的實際需要，筆者結合當前虛擬現實仿真技術，構建了基于VRP的虛擬現實仿真培訓系統。

圖1 虛擬現實仿真培訓系統層級結構

1 系統結構設計

由于虛擬現實仿真培訓系統著眼于技術工人崗前培訓和崗中技能強化訓練，因而在設計時以集配間和抽油機井生產維護工藝為藍本，針對采油、注水等主要生產單元進行計算機虛擬現實仿真，實現采油工虛擬仿真培訓功能。根據虛擬現實仿真培訓系統任務要求，主要完成采油崗相關虛擬操作流程，為此在進行虛擬場景規劃和布局時，將系統分為4個層級。虛擬現實仿真培訓系統層級結構如圖1所示。

2 3DS MAX建模

2.1 3D建模

虛擬現實場景模型的優化對VR－DEMO的演示速度影響很大，因為制作前期如果不對場景的模型進行很好的優化，到了制作后期再對模型進行優化時需要重新回到3DS MAX修改模型，這樣會大大降低工作效率。因此，在創建場景時必須注重虛擬現實場景模型的優化并遵循游戲場景的建模方式創建簡模。圖2所示為精細建模閘板閥模型和優化后閘板閥模型網格對比圖。

2.2 材質貼圖與烘焙操作

在設計過程中，處理注重模型的優化以外，還必須注意材質的編輯，因為材質的使用需要跟烘焙操作結合在一起，即不同類型的材質應采取不同的烘焙方式。VRP對3DS MAX模型材質的屬性設置沒有過多要求，通常可以在Diffuse Color（漫反射顏色）貼圖通道添加一張紋理貼圖來表現模型材質屬性，其他設置可以在模型導入到VRP編輯器后再進行設置。對3D模型賦材質后，就可以在場景中布置相機和各種燈光準備烘焙操作。這樣能把在非實時環境中渲染完成的燈光材質等效果轉換到實時交互的環境中，因此烘焙紋理的質量直接影響最終效果［2］。添加材質烘焙后的效果圖如圖3所示。當3D場景完成烘焙操作后，就可以利用VRP－for－Max插件，將3D場景中的模型從3DS MAX中導出至VRP－Builder中。

圖2 精細建模模型和優化后模型網格對比圖

圖3 添加材質烘焙后效果圖

3 VRP虛擬現實場景設計

3.1 時間軸動畫

三維虛擬場景的鼠標 （或鍵盤）響應動作可以通過VRP時間軸動畫來實現，即通過編輯觸發函數進行時間軸動畫的控制播放，從而形成三維虛擬場景與用戶交互的效果 （見圖4）。

圖4 時間軸動畫效果

3.2 粒子系統

虛擬現實仿真培訓系統不僅包括剛體對象，而且包括流體對象。在VRP中表現流體對象流動形態的技術包括以下2種類型：建立剛體對象貼上流體的動態貼圖；采用粒子系統。在實際表現效果上，粒子系統可以獲得更加逼真形象的流體流動效果。圖5所示為利用粒子系統建立的單流閥取油樣場景。

3.3 天空盒

在三維虛擬場景中，如果沒有合適的背景襯托，會使三維虛擬場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場景的環境和背景 （見圖6）。

圖5 利用粒子系統建立單流閥取油樣場景圖

圖6 天空盒使用效果圖

3.4 二維界面

二維界面是虛擬現實仿真培訓系統與用戶交互的窗口，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系統的運行。在進行系統二維界面設計時，應重視操作界面的實用性，盡量簡化二維交互界面按鈕個數，為三維場景留出更多的可視空間，同時兼顧二維界面的功能性。注配間裝置任務操作場景二維界面顯示效果圖如圖7所示。

圖7 注配間裝置任務操作場景二維界面

3.5 VRP與數據庫連接

VRP能夠連接數據庫并實現數據庫信息查詢、比較、存儲等功能。在虛擬現實仿真培訓系統設計中，為實現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數據庫，具體操作包括啟用數據庫插件、連接數據庫和數據庫關聯操作［3］。

圖8 VRP編程腳本

3.6 腳本編輯

三維場景的交互動作可以通過VRP腳本來實現，即根據系統的任務要求和場景設定，將VRP腳本文件分為7組 （歡迎界面腳本、全景巡視腳本、抽油機任務腳本、集油間任務腳本、注配間任務腳本、閘閥任務腳本以及減速箱任務腳本）。VRP編程腳本如圖8所示。

4 結 語

為了加強油田員工的實際操作技能，基于VRP設計了油田虛擬現實仿真培訓系統。實際應用表明，通過該系統培訓后，員工能夠更好地掌握操作技能，在現場作業時最大程度地減少誤操作現象，因而受到油田員工的歡迎。