虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在渤海石油研究院的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

李明 安紅 胡元凌

中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院

一、智項目背景和概述

為了研究地下構(gòu)造和油藏特征，石油勘探開發(fā)工業(yè)每年需要采集不同來源、不同尺度的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，比如采樣率為2毫秒的三維地震數(shù)據(jù)、采用間隔為0.125米的測井?dāng)?shù)據(jù)，地震數(shù)據(jù)的采集范圍從幾百平方公里到上千平方公里，測井的深度從一千米到數(shù)千米、甚至更深。在對數(shù)據(jù)做了必要的地質(zhì)解釋后，覆蓋全油田的20米×20米的油藏三維模型被建立了起來。在有了新的數(shù)據(jù)后，這些模型和解釋方案需要及時更新。在某一個階段，基于這些數(shù)據(jù)和模型的生產(chǎn)決策需要做出，比如在當(dāng)前數(shù)據(jù)條件下的最優(yōu)探井決策。

由于地下地質(zhì)情況的復(fù)雜和不確定，以上提到的每一項數(shù)據(jù)都有自己的優(yōu)勢，也有各自的不足。三維地震盡管提供了高密度的空間覆蓋，卻有縱向分辨率的缺陷；測井?dāng)?shù)據(jù)提供高精度的縱向分辨率，橫向覆蓋范圍卻非常有限；取自井下的巖芯實(shí)體，提供了原汁原味的油藏參數(shù)數(shù)據(jù)，但是成本高昂，在幾千米深的重點(diǎn)探井中也只能取百十來米。

石油勘探開發(fā)是一項風(fēng)險業(yè)務(wù)，為了最大程度地降低風(fēng)險，勘探開發(fā)一體化流程需要把不同來源的數(shù)據(jù)和跨學(xué)科的專業(yè)的分析結(jié)果集中到一起顯示，通過數(shù)據(jù)之間的相互印證，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)險、優(yōu)化流程，并能很好地加強(qiáng)科學(xué)認(rèn)識，為科學(xué)研究、生產(chǎn)管理和科學(xué)決策提供支持。

二、項目總需求和概念模型設(shè)計

石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的企業(yè)是典型的數(shù)據(jù)密集型企業(yè)，前文提到，一塊三維地震的數(shù)據(jù)在橫向上覆蓋范圍達(dá)數(shù)百甚至上千平方公里。在地震數(shù)據(jù)的常規(guī)處理和解釋環(huán)境中，高性能的計算服務(wù)器對野外采集的數(shù)據(jù)做復(fù)雜的抽道、疊加、偏移歸位處理或者對三維油藏模型做并行模擬運(yùn)算，計算的結(jié)果是獲得了海量的三維成果數(shù)據(jù)體。這些數(shù)據(jù)的體量都非常巨大，單個數(shù)據(jù)體的容量在上百GB甚至1TB的級別。常規(guī)的工作站可以把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地震圖像或者油藏模型，以二維的形式來解釋和顯示這些數(shù)據(jù)。地學(xué)數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)是運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將三維地震數(shù)據(jù)、三維油藏模型轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，供地質(zhì)研究、井位設(shè)計和油藏描述的方法和技術(shù)。把不同來源的地質(zhì)數(shù)據(jù)和研究成果可視地顯示在一起，在學(xué)科上屬于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)（Visualization in Scientific Computing,簡稱可視化技術(shù)）在勘探開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

渤海研究院為向科研人員提供一個能夠把不同來源、不同尺度、不同研究結(jié)果的地學(xué)數(shù)據(jù)可視化地集成在一起顯示的場地，設(shè)計和建設(shè)了能同時滿足50～60人容納能力的虛擬現(xiàn)實(shí)中心。虛擬現(xiàn)實(shí)中心將具備為科研人員提供從地震資料三維解釋、地質(zhì)建模、井位設(shè)計到鉆完井、工程設(shè)計全景三維立體顯示環(huán)境，可以把地下復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和油藏模型以三維圖形和圖像的方式清晰地顯示出來，為科學(xué)決策提供了直觀可靠的手段。這個功能在海上叢式探井的設(shè)計中，非常有用。在海上叢式探井的設(shè)計中，在一個間隔幾米的井槽中，要設(shè)計空間軌跡各異的鉆井軌跡，軌跡的防碰設(shè)計是安全生產(chǎn)的強(qiáng)制要求。數(shù)據(jù)可視化的旋轉(zhuǎn)功能可以為科研人員從不同的角度來觀察這些井軌跡提供了非常好的平臺。

按照業(yè)務(wù)需求的層次，虛擬現(xiàn)實(shí)中心需要滿足對數(shù)據(jù)的如下三種不同層次的可視化顯示-對地質(zhì)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的常規(guī)平面投影顯示、對地震數(shù)據(jù)和油藏模型的三維立體渲染顯示、對三維數(shù)據(jù)和模型的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示。圖1是概念模型的效果圖。

圖1 渤海油田研究院虛擬現(xiàn)實(shí)中心概念模型計效果圖

三、系統(tǒng)總體設(shè)計方案和實(shí)現(xiàn)

在上述“需求概念模型”的基礎(chǔ)上，細(xì)化為系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，系統(tǒng)模型由以下三項基本部分組成：

（1）信號源部分，包括來自專業(yè)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和圖像成果。

（2）信號處理和控制系統(tǒng)，對來多路音頻和視頻信號做控制，對來自專業(yè)軟件輸出的數(shù)據(jù)和圖像成果做三維圖渲染處理。

（3）示系統(tǒng)，包括立體投影、大屏幕立體顯示和供用戶觀察的立體眼鏡。

根據(jù)場地條件，本系統(tǒng)采用三通道3折幕設(shè)計方案。使用BOXX超級圖形工作站提供12路DVI數(shù)字視頻信號，BOXX工作站配有3塊英偉達(dá)M6000顯卡來提高圖像的處理能力。視頻信號通過英偉達(dá)Mosaic視頻可擴(kuò)展可視化技術(shù)將12路DVI數(shù)字信號拼接成總分辨率為12K的完整畫面，實(shí)現(xiàn)圖像無縫顯示、投影儀重疊以及支持立體3D顯示。最后利用Frame Lock立體同步技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)三通道12K立體顯示系統(tǒng)。

英偉達(dá)Mosaic視頻可擴(kuò)展可視化技術(shù)，可以將單臺工作站上的應(yīng)用分布于多達(dá)16臺高分辨率顯示器或投影儀之上，同時不犧牲性能或處理能力。利用這一功能，通過EXTRON XTP系統(tǒng)將12路拼接信號回傳給控制臺的三臺NEC高清顯示器的回顯系統(tǒng)。圖2是總體設(shè)計的邏輯總圖。

1.信號源

（1）音頻源和音響。

信號源由音頻源和視頻源構(gòu)成。音頻來自于圖形工作站（計算機(jī)）的多媒體輸出或者是來自觀眾席的語音信號。來自圖形工作站的音頻信號受音頻切換矩陣機(jī)的控制，音頻矩陣受中央控制臺的控制。

來自觀眾席的語音信號由觀眾席麥克風(fēng)的信號（包括來自演講臺的信號）不受音頻切換矩陣的控制，直接進(jìn)入調(diào)音臺，隨后由音響部分輸出。也就是說，觀眾使用麥克風(fēng)可以不受控制地隨時插話、發(fā)言。音頻部分的邏輯圖如2所示。

（2）視頻源。

視頻源部分是本系統(tǒng)的核心部分，對來數(shù)據(jù)源的地學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)地學(xué)專業(yè)軟件處理，經(jīng)具有高性能GPU技術(shù)能力的高性能的圖形工作站做三維圖形處理、信號經(jīng)Extron音視頻矩陣機(jī)的處理，最后由立體投影儀背投到大屏幕顯示。

圖2 總體設(shè)計邏輯設(shè)計圖

專業(yè)軟件，地學(xué)專業(yè)應(yīng)用軟件比如OpenWorks和Petrel等可以輸出三維數(shù)據(jù)或者圖形，如三維地震數(shù)據(jù)體及其解釋成果或者三維油藏模型等復(fù)雜的地學(xué)數(shù)據(jù)體。

圖形工作站：在已有的三維地震數(shù)據(jù)體及其解釋成果或者三維油藏模型的成果數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)使用BOXX工作站來完成對數(shù)據(jù)體做紋理、照明和渲染等三維圖像處理。經(jīng)Boxx圖形工作站圖形渲染作業(yè)處理后的三維圖像，以12路高清視頻信號輸出，最終經(jīng)三臺4K投影機(jī)投影給觀眾。

同時，當(dāng)對三維數(shù)據(jù)體或者三維油藏的整體或者局部旋轉(zhuǎn)時，需要對模型做幾何透視變換后并實(shí)時地合成圖像展示給觀眾，把這些抽象的數(shù)據(jù)以逼真的空間立體方式可視化地展示出來，供科研人員從不同的角度來觀察數(shù)據(jù)，增強(qiáng)對數(shù)據(jù)的理解。

M6000顯卡：顯然，這個過程需要強(qiáng)大的圖像運(yùn)算。由于常規(guī)后臺服務(wù)器強(qiáng)于計算而弱于滿足密集的圖形和圖像的處理運(yùn)算。因此，要完成體量巨大、復(fù)雜程度高的地學(xué)三維數(shù)據(jù)的三維實(shí)時立體顯示，需要高性能的圖形處理器（Graphics Processing Unit，縮寫：GPU）。GPU是專門為圖像運(yùn)算如渲染和幾何變換而設(shè)計的，最快速的GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過了普通CPU。

本系統(tǒng)中依靠NvidiaM6000顯卡對地學(xué)圖形數(shù)據(jù)做三維處理和顯示。 M6000顯卡是Maxwell架構(gòu)的GPU，內(nèi)存增加到了24GB，有12GDDRS、3072個GPU內(nèi)核、192塊紋理單元和96條渲染輸出，具備強(qiáng)大的圖像計算能力。

音視頻切換系統(tǒng)：EXTRON XTP系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字和模擬格式信號切換和分配。具備長距離的傳輸能力，可通過CATx屏蔽電纜將高分辨率視頻、音頻、RS-232和以太網(wǎng)信號傳輸至100m (330')，每個系統(tǒng)都符合HDCP標(biāo)準(zhǔn)，并通過Extron SpeedSwitch技術(shù)提供了超快、高可靠性的數(shù)字切換。

2.顯示系統(tǒng)：立體投影和大屏幕

顯示系統(tǒng)由立體投影和大屏幕構(gòu)成。

屏幕：本系統(tǒng)的用戶要求的場地容量是可以同時滿足50人的空間容納能力。要解決多人共同使用可視化的環(huán)境最簡單的辦法就是擴(kuò)大屏幕的顯示范圍，本系統(tǒng)采用了總長度為18米寬、3米高的三折雙層玻璃，屏幕為投影面的投影顯示設(shè)備。

大屏幕上圖像是通過三臺投影機(jī)以背投的方式投影形成，每塊屏幕是全4K的分辨率。所謂4K超高清分辨率是指橫向有4千個像素點(diǎn)，是目前分辨率最高的顯示技術(shù)。作為對比，大多數(shù)的數(shù)字電影是2K分辨率（2048×1080），電影放映的是0.8K（1024×768）的。

4K高清投影機(jī)： 當(dāng)圖形工作站把圖形做了三維渲染和照明處理后，在不降低圖形質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高投影機(jī)的刷新頻率以便可以“實(shí)時生成”三維圖像是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。科視Mirage 4K25投影機(jī)的刷新率可達(dá)到120Hz（視頻處理能力達(dá)到12億像素每秒），本系統(tǒng)采用這種投影儀作為提供4K分辨率的投影機(jī)。

該4K高分辨率保證了投影系統(tǒng)具備高清晰度圖像的顯示能力。圖像的無縫融合技術(shù)和邊緣平滑的幾何修正技術(shù)保證觀看者獲得良好的視覺效果。內(nèi)置的邊緣融合和幾何校正技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理拼縫0mm；光學(xué)拼縫0.8mm，小于系統(tǒng)的像素點(diǎn)大小1.38mm/pixel；每塊屏幕的前后左右的最多2mm的微調(diào)機(jī)構(gòu)；保證了幾何0.1mm的像素調(diào)整度。支持顏色一致性和亮度一致性，投影的亮度一致性的分區(qū)調(diào)整保證了三屏幕亮度≥90%一致性，投影的y顏色一致性調(diào)整保證了三屏幕顏色≥90%一致性。

此外氙氣照明帶來均衡的自然色彩，流明（lumens）亮度高達(dá)25000，保持顏色一致性和亮度一致，并保證持續(xù)而穩(wěn)定的運(yùn)行，是技術(shù)先進(jìn)的立體圖形處理系統(tǒng)。

3.主控臺、中控系統(tǒng)和觀眾區(qū)

大屏幕自然地把場地分成了設(shè)備間和觀眾席兩部分。圖形工作站和三臺投影機(jī)位于設(shè)備間。大屏幕和主控臺位于觀眾區(qū)。主控臺可以通過一個觸摸屏（固定位置）或者一個Ipad設(shè)備在移動狀態(tài)下對對信號進(jìn)行控制和做切換。

主控臺的控制面板使用一臺界面友好的彩色觸摸屏作為主控臺的控制器。這個觸摸屏實(shí)際上是上文提到的信號交換矩陣Extron的一部分。本系統(tǒng)有三臺BOXX圖形工作站，分別支持Windows和Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，觸摸屏可以選擇和控制數(shù)據(jù)源和投影設(shè)備。通過觸摸屏可以輕松在不同的工作站之間選擇視頻源，也可以控制和選擇視頻信號是在大屏幕還是在回顯顯示器顯示，或者二者同時顯示。

四、系統(tǒng)集成和結(jié)論

歷經(jīng)一年多的設(shè)計和場地建設(shè)已經(jīng)系統(tǒng)集成，三維可視化虛擬現(xiàn)實(shí)中心的現(xiàn)在已經(jīng)投產(chǎn)應(yīng)用了。如圖3所示。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)中心的應(yīng)用場景

三維可視化虛擬現(xiàn)實(shí)中心的的建設(shè)，對重大勘探開發(fā)項目研究具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠快捷地使用多學(xué)科資料、提取多種地學(xué)信息、實(shí)時進(jìn)行交互解釋，實(shí)現(xiàn)真正意義上的團(tuán)對合作，提高工作效率、縮短研究周期、降低勘探風(fēng)險，保證了油田各項研究工作的高效進(jìn)行。

[1]計算機(jī)圖形學(xué)及其實(shí)踐教程，黃靜，機(jī)械工業(yè)出版社，

[2] http://www.slb.com/resources/case_studies/software/cs_gdf_suez_petrel_well_design.aspx

[3] http://www.nvidia.cn/object/nvidia-mosaic-technology-cn.html

[4] http://www.extron.com/product/prodtype82.aspx?t=dtp

[5] http://www.boxx.com/solutions/architecture-engineering/virtual-reality

[6] 復(fù)雜空間認(rèn)知研究中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，湯眾，實(shí)驗室研究與探索 2007-09-15

[7] SOLIDWORKS三維可視化信息多元化應(yīng)用模式，錢廣偉，智能制造，機(jī)械工業(yè)信息研究院;，2017年第04期

[8] 基于SOLIDWORKS Visualize的車輛渲染，施志昂，智能制造，機(jī)械工業(yè)信息研究院;，2017年第06期