基于VRP的油田虚拟现实仿真培训系统设计

王海生 （庆新油田开发有限责任公司，黑龙江 安达151413）

虚拟现实技术是利用计算机集成一种模拟幻境，通过多种传感设备使用户 “投入”到该幻境中并实现用户与幻境的自然交互的一种技术。目前，该技术已经被广泛应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等领域。北京中视典公司研制开发的虚拟现实平台（Virtual Reality Platform，VRP），以其功能全面、灵活实用以及易于与3DS MAX等建模软件兼容的特点获得业界广泛赞誉，成为虚拟现实仿真系统开发的首选［1］。

卫星油田数字化建设整合了全油田计算机网络的资源，形成了功能强大的计算机数据信息处理系统，具备进行虚拟现实仿真培训系统建设和运行的物质基础。鉴于油田生产技术培训的实际需要，笔者结合当前虚拟现实仿真技术，构建了基于VRP的虚拟现实仿真培训系统。

图1 虚拟现实仿真培训系统层级结构

1 系统结构设计

由于虚拟现实仿真培训系统着眼于技术工人岗前培训和岗中技能强化训练，因而在设计时以集配间和抽油机井生产维护工艺为蓝本，针对采油、注水等主要生产单元进行计算机虚拟现实仿真，实现采油工虚拟仿真培训功能。根据虚拟现实仿真培训系统任务要求，主要完成采油岗相关虚拟操作流程，为此在进行虚拟场景规划和布局时，将系统分为4个层级。虚拟现实仿真培训系统层级结构如图1所示。

2 3DS MAX建模

2.1 3D建模

虚拟现实场景模型的优化对VR－DEMO的演示速度影响很大，因为制作前期如果不对场景的模型进行很好的优化，到了制作后期再对模型进行优化时需要重新回到3DS MAX修改模型，这样会大大降低工作效率。因此，在创建场景时必须注重虚拟现实场景模型的优化并遵循游戏场景的建模方式创建简模。图2所示为精细建模闸板阀模型和优化后闸板阀模型网格对比图。

2.2 材质贴图与烘焙操作

在设计过程中，处理注重模型的优化以外，还必须注意材质的编辑，因为材质的使用需要跟烘焙操作结合在一起，即不同类型的材质应采取不同的烘焙方式。VRP对3DS MAX模型材质的属性设置没有过多要求，通常可以在Diffuse Color（漫反射颜色）贴图通道添加一张纹理贴图来表现模型材质属性，其他设置可以在模型导入到VRP编辑器后再进行设置。对3D模型赋材质后，就可以在场景中布置相机和各种灯光准备烘焙操作。这样能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中，因此烘焙纹理的质量直接影响最终效果［2］。添加材质烘焙后的效果图如图3所示。当3D场景完成烘焙操作后，就可以利用VRP－for－Max插件，将3D场景中的模型从3DS MAX中导出至VRP－Builder中。

图2 精细建模模型和优化后模型网格对比图

图3 添加材质烘焙后效果图

3 VRP虚拟现实场景设计

3.1 时间轴动画

三维虚拟场景的鼠标 （或键盘）响应动作可以通过VRP时间轴动画来实现，即通过编辑触发函数进行时间轴动画的控制播放，从而形成三维虚拟场景与用户交互的效果 （见图4）。

图4 时间轴动画效果

3.2 粒子系统

虚拟现实仿真培训系统不仅包括刚体对象，而且包括流体对象。在VRP中表现流体对象流动形态的技术包括以下2种类型：建立刚体对象贴上流体的动态贴图；采用粒子系统。在实际表现效果上，粒子系统可以获得更加逼真形象的流体流动效果。图5所示为利用粒子系统建立的单流阀取油样场景。

3.3 天空盒

在三维虚拟场景中，如果没有合适的背景衬托，会使三维虚拟场景的仿真效果大打折扣。为此，在VRP中通过天空盒工具来添加整个场景的环境和背景 （见图6）。

图5 利用粒子系统建立单流阀取油样场景图

图6 天空盒使用效果图

3.4 二维界面

二维界面是虚拟现实仿真培训系统与用户交互的窗口，制作精良的二维交互界面可以使用户更加方便地操控仿真培训系统的运行。在进行系统二维界面设计时，应重视操作界面的实用性，尽量简化二维交互界面按钮个数，为三维场景留出更多的可视空间，同时兼顾二维界面的功能性。注配间装置任务操作场景二维界面显示效果图如图7所示。

图7 注配间装置任务操作场景二维界面

3.5 VRP与数据库连接

VRP能够连接数据库并实现数据库信息查询、比较、存储等功能。在虚拟现实仿真培训系统设计中，为实现用户信息管理和仿真部件描述信息赋值等操作，需要通过VRP连接ORACLE数据库，具体操作包括启用数据库插件、连接数据库和数据库关联操作［3］。

图8 VRP编程脚本

3.6 脚本编辑

三维场景的交互动作可以通过VRP脚本来实现，即根据系统的任务要求和场景设定，将VRP脚本文件分为7组 （欢迎界面脚本、全景巡视脚本、抽油机任务脚本、集油间任务脚本、注配间任务脚本、闸阀任务脚本以及减速箱任务脚本）。VRP编程脚本如图8所示。

4 结 语

为了加强油田员工的实际操作技能，基于VRP设计了油田虚拟现实仿真培训系统。实际应用表明，通过该系统培训后，员工能够更好地掌握操作技能，在现场作业时最大程度地减少误操作现象，因而受到油田员工的欢迎。