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1、精选优质文档-倾情为你奉上 虚拟现实技术在石油工业中的应用 一、虚拟现实的概述与特征1虚拟现实的概述虚拟现实，也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。与传统的模拟技术相比，其主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取
2、虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。沉浸/临场感和实时交互性是虚拟现实的实质性特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程）是虚拟现实的最终目的。自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会效益，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。 虚拟现实(Virtual Reality，简称;又译作灵境、幻真)是近年来出现的，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间
3、内的事物。VR是一项综合集成技术，涉及、等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、人工智能、传感技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境
4、，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。2虚拟现实的实质VR（Virtual Reality，虚拟现实）是一堆点和线所组成的，虽然是一堆线和点所组成的，如果有声音的配合，这才叫虚拟现实。在网络上，虚拟现实的声音可做到环绕的效果，让声音来表达物体的方位，所以虚拟现实在网络方面的应用相当广泛,例如,教育方面,可以物体的运动，星球的运行和飞机的模拟飞行；建筑方面，可以让买方知道房子建好
5、时的实际的样子，不会买了房子之后才拼命后悔；而在娱乐方面更是有更好的效果，特别是现在的游戏。VR主要有三方面的含义：第一，虚拟现实是借助于计算机生成逼真的实体，“实体”是对于人的感觉(视、听、触、嗅)而言的；第二，用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、眼动、手势等其他人体的动作；第三，虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。近年来，VR已逐渐从实验室的研究项目走向实际应用。目前在军事、航天、建筑设计、旅游、医疗和文化娱乐及教育方面得到不少应用。在国内，有关VR的项目已经列入计划，VR的研究和应用正在全面展开。3虚拟现实的基本特征虚拟现实的主要特征是
6、：多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）。这些使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流 。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对时空环境的现实构想（即启发思维，获取信息的过程 ）是虚拟现实的最终目的。二、虚拟现实应用系统综合运用计算机可视化技术，在计算机中营造一个具有实时性 、沉浸性和交互
7、性的虚拟环境，通过实时的、立体的三维图形显示 、声音模拟、人与虚拟环境的自然实时交互，使用户产生身临其境的真实感觉，并在 此虚拟环境下更加快速、准确地解决问题。PCsDVD etcGraphics SupercomputerSwitchingFabricDisplays System1虚拟现实应用系统的特点1）虚拟现实系统实时性的要求实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位和视线方向实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听觉和触觉/ 视觉响应。虚拟现实系统的实时性要求计算机系统具有极好的计算能力和图形处理能力。2）虚拟现实系统沉浸性的要求沉浸性是指用
8、户所感觉的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的。虚拟现实系统的沉浸性要求计算机系统具有沉浸式可视化的能力即能有效驱动多个立体显示的投影仪，同时要求显示系统支持三维立体显示、可视系统可以观察虚拟环境。3）虚拟现实系统交互性的要求交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵虚拟场景中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状况。虚拟现实系统的交互性要求计算机系统除了具有很好的实时性和沉浸性外，还必须提供有效的输入输出设备如键盘、鼠标、操纵杆、追踪器、头盔、数字手套等来操纵虚拟场景中的物体。输入输出设备的配置与应用软件有关。三、虚拟现实系统中的可视化技术1可视化就是把数据转换成图形，
9、主要包括建模和渲染两个过程：1）建模：是把数据映射成物体的几何图元；2）渲染：是把几何图形描绘成图形或图像。渲染是绘制真实感图形的主要技术。真实感图形是通过物体表面的颜色和明暗色调来表现的，它和物体表面的材质及表面视线方向辐射的光能有关，所以计算复杂、计算量很大。2多通道虚拟现实应用系统的构成1）实现可视化的计算机子系统2）实现可视化的软件子系统3）立体投影显示子系统4）信号切换及处理子系统5）交互子系统6）中央控制子系统7）音响子系统四、虚拟现实系统在石油工业中的应用的必要性石油勘探是石油工业链条上的第一环。近年来，日益减少的石油资源使规模相对较小、非构造和隐蔽的油气藏成了勘探的主要对象，这
10、使得勘探的难度越来越大，有价值的勘探目标的尺度变得越来越小，也越来越难以识别。就像在地里翻白薯一样，大白薯在前一两轮就被挖光了，剩下小的就不好挖了。因而，对勘探开发提出了更高的要求。如果仍采用过去传统的手段，勘探开发的风险和成本都不能满足要求。 石油勘探涉及地质学、地球物理、地球化学等多学科。目前，国内的勘探开发，主要是各个专业的专家在各自的系统上工作、研究。通常勘探工作的流程是先进行野外地震资料采集，再由计算机进行地震资料处理，然后由解释人员将地下构造形态描述出来，最后由地质人员结合其它辅助资料进一步描述地下结构，构造成图。 很显然，这种方式无法实现高效率、多学科综合的协同工作，容易导致“盲
11、人摸象”的后果。打个比方，这种各自为政的方法，就像医生通过医学光片给病人诊断病情。如果只由一位医生拿一张静态的片子根据自己的理解去诊断，误诊的可能性会很大。但如果由多位专家联合会诊的话，可以大大减少误诊的发生。 在石油勘探领域，如果采用过去的工作方式，由某个人凭借个人经验来分析静态图形，由于分析不够充分就有可能导致失误，比如勘探目标漏失或者打出“空井”。而一旦打出“空井”，其损失有可能是数千万甚至是上亿元人民币。因而，科学的勘探开发决策要求对每一个因素都进行深入的考虑，要求科学、全面、综合，不能是“一言堂”，要集思广益，协同工作和决策。 当前，国际竞争要求勘探开发决策的反应要快。时间就是金钱，
12、效率是关键。如果仍采用过去的手段，将大大制约我国石油工业的发展。因此，国内勘探开发工业需要一套能够同时把多个学科研究结果展示出来，并能让“专家团队”综合分析并快速决策的系统“多学科协同研究-决策虚拟现实系统”。五、虚拟现实系统在石油工业中的应用的功能1为决策者、地质学家、地球物理学家、测井专家、 油藏工程师、钻井专家和经济评估专家提供一个可协同工作的环境，并针对同一地下工作区域进行共同分析、研究和评估，以确定该工作区域是否有油气藏、是否具有开发价值以及如何开发；2 在辅助工具的帮助下， 使专家们可以进入到虚拟的地下工作区块，身临其境感受到地下油气藏所在环境以及沿着虚拟钻头感受开采过程；3 能精
13、确分析地层特性及油气藏储量、准确预测钻井位置、缩短处理分析工期，从而减少勘探开发风险，大大提高投资回报率。六、虚拟现实系统在石油工业中的具体应用1地震资料解释利用虚拟现实技术进行地震资料解释与模拟，是在油气勘探领域中开发利用虚拟现实技术最令人振奋的一种设想。在这项应用中，将利用解释员佩带的头盔显示器，提供由延时地震数据实时产生的一组三维投影图，赋予解释员身临其境的效果，解释员利用数据手套和定位器，及其触觉控制功能，凭视觉和感受探测区域的地层结构，控制和分析界面与局部空间及流体动力学特征与其它影响地震特性的特征。虚拟现实技术在这里发挥的作用是，当专家们掌握了必要的资料，想发挥创造力去再现地质现象
14、并加以分析与解释时，赋予他们到达想去的地方的能力、毫不费力地穿越各种界面的能力和详细观察与体会地质现象的能力。这些能力将会使数据分析的精度大大提高，并增大确认探区可钻性的把握。虚拟现实技术的这种作用已引起从事地球物理和计算机图像模拟工作的研究机构和公司高度重视。目前，有关这种虚拟现实地学成像系统的样机已在开发之中，在分布在世界各地的重要地球物理实验室里，地学和计算机图像正在加紧研究有关的虚拟现实程序。此外，Landmark和Sun等公司也正在努力研究虚拟现实地震资料解释技术，希望借此提高他们的地震资料水平。2应用虚拟现实系统展示油藏模拟数据最近，地学图像系统有限公司开发了一种浸入式虚拟现实系统
15、，用来研究虚拟现实技术在展示油藏模拟数据方面的能力及应用前景。这套虚拟现实系统使用带RealityGngine2图像生成器的Onyx工作站、linCRT屏幕(分辨率为00X200)头盔显示器、电磁跟踪传感器和三维鼠标等硬件设备，软件包括一种以特制编辑屏为基础的显示系统-REVIEW ，它与虚拟设计环境的DVS 和dVISE连接。dVS是虚拟现实应用软件的正甓运行环境，为三维目标的透视和头盔与指示器位置跟踪提供服务。dVISE是覆盖在dVS上的一种虚拟现实编辑工具，易于非程序设计人员使用，可向用户提供一个三维用户接口工具库和一个数据输人接口。这种特制的屏幕显示系统将产生三维图像目标的数据集进人虚
16、拟现实系统显示。这种虚拟现实系统向用户提供的三维模型控制功能包括旋转、俯视扫视和图像放大等，以及涉及系统屏幕恢复功能的询问、解剖或局部调制模型，以便比较新的三维数据集。整个系统的软件配置如图所示：网格形态、井位与时间的标量 特性与时间有关的流动特性 在主工作机上运行三维多边形、直线等控制着三维透视、跟踪等功能圈1 浸入式虚拟现实油藏模撤显示系统的软件配置利用虚拟现实技术展示油藏模拟数据的效果，在很大程度上取决于显示数据的类型，因此在设计虚拟现实系统时，必须考虑数据结构和数据使用的这两项内容。在考虑数据结构时必须考虑结构的层次与标准数据集的规模油藏模拟输出数据属于三维和随时间变化的数据，其中包括
17、三维模型(网格座标)；与时间无关的标量参数与时间有关的标量参数、三维矢量流动数据和质点位置数据井名称与位置；井与油田的综合数据等几部分内容 在考虑数据使用问题时，应注意虚拟现实技术的使用目的。由于本系统意在展示模拟数据，而不是交互式建立或修改模型，所以重点突出观察能力方面，故而设立了以下功能：（1）旋转、俯视和图像放大模型（2）在规定时间内整体观察模型上一种标量参数（3）观察模型的子集（4）观察模型的横剖面或切片（5）通过动画显示一种参数分布上的变化（6）观察井位完井情况（7）局部探查模型的单元以便询问参数值（8）指定井以便显示二维综合数据（9）局部探查井周围环境以便显示局部流动方向和质点轨迹
18、3协同的数据分析4钻井轨迹设计及油井规划虚拟现实决策系统和随钻数据实时传输系统的结合，有力保证了开发井，尤其是水平井的成功钻进，在国内尚属首家。应用中值得一提的是实时钻探。这是实时随钻工作的场景，各类野外钻探的现场数据通过卫星实时传输到虚拟现实中心，随钻的各类专业人员一起，进行井位的跟踪、控制、优化，实时反馈信息到现场,适时调整井位,最大限度的提高了动用储量,保证了高质高效的完成钻探。5可视化决策中心七、虚拟现实系统在石油工业中的应用实例2005开始中海油在渤海地区启动虚拟现实中心的项目，2006年9月建成投入使用。虚拟现实中心拥有两套可以独立使用的虚拟现实系统，一套是可供多人使用的主系统，也
19、就是现场演示的这套系统，另一套是可供少数人员使用的辅助系统。这两套系统可同时为我们提供一个多学科、可视化的协同工作环境和全方位的工作流程。集成了目前石油勘探开发研究的关键技术，是综合分析和决策的中心。在世界领先水平的硬件和软件的基础上，中海油以虚拟现实中心为核心，建成了这套勘探开发一体化的应用系统和决策中心，又以虚拟现实中心为平台，整合勘探开发的各种数据资源、软件资源、设备资源，人力资源。科研人员可以在该系统上完成从勘探到开发、油田生产的大部分研究工作。中海油的虚拟现实中心具有世界一流的软硬件技术，多项技术在国内外处于领先水平，其中，1）三维立体显示屏单屏幕面积世界第一；2）第一次在石油行业应
20、用增强亮度的INFITEC和黑屏技术；3）采用国内石油行业第一个背投被动立体显示系统；4）综合应用流程与功能在世界上处于领先。1虚拟现实系统技术架构主要包括以下几部分：1） 图形计算机系统：采用SGI onxy350三维图象系统，能够在图像的大小、精度和流畅度三个主要方面满足应用的要求；2） 多通道投影系统：使用BARCO公司的GALAXY投影机，运用6台投影机，采用三通道投影呈像技术，通过绑定几个并行投影显示通道，获得预定的大幅面画面尺寸，显示的图像达到连贯和不失真的效果。无缝的图像融合技术和平滑的边缘与几何修正技术将保证观看者获得良好的视觉效果；3） 辅助系统：辅助系统与主系统配套使用，是
21、三维可视中心的一部分，适用于勘探、开发不同专业之间在一个小的虚拟现实化环境下完成项目工作；4） 音视频切换、无线交互和辅助显示系统：为用户使用和控制虚拟现实中心提供便利条件，便于用户融入虚拟现实中心环境中，提供方便的人机交互方式；5） 刀片式高性能集群计算机：采用为虚拟现实中心提供强大和高性能的后台数据处理能力；2中海油应用虚拟现实系统的成果 中海油的虚拟现实系统建立至今，已在渤海的勘探、开发的各个领域中得到了广泛与高效的应用。如在三维地震资料处理的质量控制、审查，海量数据的虚拟现实解释，勘探阶段的井位整体部署，开发阶段的井位设计、随钻、井位调整以及地质建模、油田数字模拟等。提高了勘探开发研究
22、的工作效率和研究水平，保证了天津分公司的科研生产上了一个新的台阶。八、结束语尽管限于当前软、硬件技术水平，虚拟现实系统目前还只能达到部分真实感的程度，但其前景诱人，已成为当今世界关注的热点科技之一。虚拟现实在石油行业的应用虽属于起步阶段，但此方面的研究成果已显示出虚拟现实在石油行业中应用的广阔前景。随着虚拟现实技术在石油行业应用研究的进一步深入,其必将成为石油勘探、开发优化设计、生产管理、危险性评价等方面的重要手段。虚拟现实技术在石油工业中更能体现出其应用特色,特别是在地震勘探、油藏模拟、海洋石油工程和特种作业培训等方面能得到广泛的应用. 虚拟现实技术的引入,使几代石油人幻想的“游地宫”成为可
23、操作的现实.地震资料解释是一种繁琐、复杂工作,它要求解释人员不但要有丰富的地质、地球物理、岩石物理、油藏模型等各方面的知识,还要有丰富的想象力. 在地震资料解释过程中引入虚拟现实技术,解释人员不再面对那些枯燥的单维数据,而是戴上头盔和数据手套,面对着一个个地下构造或圈闭的三维透视图像,用数据手套操纵虚拟对象,选择不同的方向和路线进入到构造或圈闭内部做深入的“游览”;如果发现地层序列、不整合关系、断层组合、岩性参数、流体分布等不合理,可随时修改,重新组合和拼接,以求得与地下油藏更接近的情景.在油藏模拟输出数据的后处理上,建立三维地质模型,使模拟运算的结果更加直观、逼真,用户“沉浸”到数据空间中去
24、,更直接地与数据交互,可更快更全面地分析、理解及运用数据.在人工作业困难和危险的深水海底,可以利用虚拟现实技术,设计一种远程遥控作业车,操作者头戴头盔式立体眼镜,配备数据手套,操纵着作业车抵达通常人工无法进入的恶劣工况下的深水海洋底去作业,操作者在虚拟环境中所感受到的,正象在水下亲身经历的一样,不受常规深水海底工作条件的限制.对于具有危险性和容易使人受到伤害的作业岗位,为使操作人员在上岗前的培训中真实感受到周围环境的实际变化,可采用虚拟现实技术,建立高度逼真的模拟环境,这样的培训可收到更为理想的效果.如对于油井平台的消防培训,利用虚拟现实技术,可以“制作”出火灾、爆炸的平台现场,伴随有光、热、
25、火、噪音,使人感到身临现场.石油勘探是石油工业链条上的第一环。近年来，日益减少的石油资源使规模相对较小、非构造和隐蔽的油气藏成了勘探的主要对象，这使得勘探的难度越来越大，有价值的勘探目标的尺度变得越来越小，也越来越难以识别。 就像在地里翻白薯一样，大白薯在前一两轮就被挖光了，剩下小的就不好挖了。因而，对勘探开发提出了更高的要求。如果仍采用过去传统的手段，勘探开发的风险和成本都不能满足要求。 石油勘探涉及地质学、地球物理、地球化学等多学科。目前，国内的勘探开发，主要是各个专业的专家在各自的系统上工作、研究。 通常的工作流程是先进行野外地震资料采集，再由计算机进行地震资料处理，然后由解释人员将地下
26、构造形态描述出来，最后由地质人员结合其它辅助资料进一步描述地下结构，构造成图。 很显然，这种方式无法实现高效率、多学科综合的协同工作，容易导致“盲人摸象”的后果。 打个比方，这种各自为政的方法，就像医生通过医学光片给病人诊断病情。如果只由一位医生拿一张静态的片子根据自己的理解去诊断，误诊的可能性会很大。但如果由多位专家联合会诊的话，可以大大减少误诊的发生。 在石油勘探领域，如果采用过去的工作方式，由某个人凭借个人经验来分析静态图形，由于分析不够充分就有可能导致失误，比如勘探目标漏失或者打出“空井”。而一旦打出“空井”，其损失有可能是数千万甚至是上亿元人民币。 因而，科学的勘探开发决策要求对每一个因素都进行深入的考虑，要求科学、全面、综合，不能是“一言堂”，要集思广益，协同工作和决策。 当前，国际竞争要求勘探开发决策的反应要快。时间就是金钱，效率是关键。如果仍采用过去的手段，将大大制约我国石油工业的发展。 因此，国内勘探开发工业需要一套能够同时把多个学科研究结果展示出来，并能让“专家团队”综合分析并快速决策的系统“多学科协同研究-决策虚拟现实系统”。专心-专注-专业