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1、基于虚拟现实技术的油田维护仿真系统的研究与实现摘 要本文首先介绍了油田维护仿真系统实现的环境，即利用虚拟现实技术，概括总结了什么是虚拟现实和目前国内外的研究现状。其次着重阐述了场景模型的构建，如三维模型实时生成和优化，细节层次描述，模型对象实例化，纹理映射和光照、材质的运用等。通过对油田维护仿真系统的体系结构的了解，利用三维建模平台3ds Max对虚拟人、驴头、曲柄、支架、管线等进行建模、烘焙；利用虚拟现实工具Virtools组建虚拟场景，完成主要场景和人物的搭建，模拟出类似真实的虚拟环境。从3ds Max中输出场景和虚拟人的模型，导入Virtools中进行了交互模块设计，实现了抽油机转动、人
2、物按照指定路线走动等功能，部分步骤配以小窗口视频播放、背景音乐和操作解说，生动地展现了油田维护的操作场景。关键词：虚拟现实；抽油机；维护仿真；光杆密封圈AbstractThis thesis first introduced the environment of oil maintenance simulation system. It summarized what does virtual reality is and introduced the development level at home and abroad by using virtual reality technolog
3、y. Secondly it mainly explained the construction of the scene model. Such as real-time 3d model generation and optimization, the level of detail description, model object instantiation, texture mapping and the use of light, material, etc.Through the deeply understanding about the construction of the
4、 oil maintenance simulation system, using 3d modeling platform to create the model and then bake them, like virtual human, lv tou, crank, stents, pipelines and so on.; Using virtual reality tool Virtools to simulate the environment which is similar to the real one by forming the virtual scene and ac
5、complishing the set up of the main scene and the character. Design the interaction module in Virtools for the models which were exported from 3ds Max like the scene and the virtual human. And realized many functions as follows: such as the rotation of the pumping unit, character moving according to
6、the designed route and so on. Some steps maintain the small window video, background music and the explanation about the operation, which vividly shows the operation scene of oil maintenance. Key words: virtual reality; pumping unit; Maintenance simulation; The polished rod sealing ring 目 录第1章 概 述11
7、.1 虚拟现实概述11.2虚拟现实技术的应用前景2第2章 油田维护仿真系统总体分析与设计32.1 油田维护仿真系统开发的背景及意义32.2油田维护仿真系统需求分析42.3油田维护仿真系统的总体设计5第3章 开发工具的选择与介绍63.1 建模软件的选择63.2 开发平台的选择83.3辅助工具PHOTOSHOP简介11第4章 油田维护仿真系统的详细设计与实现124.1 三维模型的构建124.2 脚本在VIRTOOLS里的实现174.3 油田维护仿真系统的详细设计204.4 油田维护仿真系统的功能实现22第5章 系统测试275.1系统测试简介275.2测试内容和结果27结 论30参考文献31致 谢3
8、2I第1章 概 述1.1 虚拟现实概述虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是近十多年来发展起来的高新技术，被称为二十一世纪对人类有巨大影响的十大高新技术之一。目前，已被广泛的应用到军事、航天、建筑、医疗、娱乐等领域，在国外，在煤炭领域也得到一定程度的应用，但在国内它在煤炭领域的应用却刚刚起步。虚拟现实技术是以计算机图形学、图像处理和模式识别、智能接口技术、人工智能、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理和高性能计算为基础的非常复杂的技术系统，如果没有有效的应用开发工具，这项技术的应用是难以想象的。油田维护仿真系统是利用VR软硬件设备，根据现场调研模拟出包括抽油
9、机场所和人工实体在内的三维空间，使用户在其中可以自然地与各种虚拟实体进行交互。本文将虚拟现实技术与相对传统的油田行业相结合，对油田维护仿真系统的三维数据模型和相关技术进行了研究，基本开发出油田维护仿真系统的原型系统，为我国油田行业信息化建设进行了尝试1。虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术，是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机系统技术。虚拟现实技术有以下4 种主要特征：1）多感知性，它是指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等
10、。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能；2）存在感（Presence），又称沉浸感（Immersive），它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，即计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的模拟环境应该具有一切人所具有的感知功能，达到使用户难以分辨真假的程度；3）交互性（Interaction），是指参与者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，他可以用手去直接抓取模拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中被抓住的物体也立刻随着手的移动而移动
11、；4）自主性（Imaginative），是指虚拟环境中物体依据各自的模型和规则按操作者的要求进行自主运动的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒，或从桌面落到地面等。1.2 虚拟现实技术的应用前景纵观虚拟现实技术这30多年来的发展历程，VR技术的未来研究还是遵循“低成本、高性能”这一主线，从软件、硬件上分别展开，有以下几个主要发展方向：（1）动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。（2）实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已较成熟，而关键是如何
12、“实时生成”。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术2。（3）新型交互设备的研制。虚拟现实能让参与者用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用，使之身临其境，借助的输入输出设备主要有：头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此，新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。（4）智能化的语音虚拟现实建模。VR建模是一个比较繁复的过程，它的建立需要开发人员花费大量的时间和精力。任
13、何模型都包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等基本特征说明。这些信息若用计算机语言来编写说明有时会显得不很方便甚至无法表达清楚，而且工作量也非常大。而人类的语言可以容易地描述任何简单或复杂的事物，因此，利用语音识别技术将人类对模型的属性、方法和一般特点的描述转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航和评价，即将基本模型用对象表示出来，并符合逻辑地将各种基本模型静态或动态地连接起来，最后形成系统模型，在各种模型形成后进行评价并给出结果，最后由人直接通过语言来进行编辑和确认。（5）大型网络分布式虚拟现实（Distribut
14、ed Virtual reality，DVR）的应用。网络分布式VR将分布于多个地点的VR系统或仿真器通过局域网或广域网联结起来，采用协调一致的结构、标准、协议和数据库形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境，参与者可自由地进行交互作用。目前，分布式虚拟交互仿真已成为国际上的研究热点，是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE 开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。相继推出了DIS、HLA等相关标准。网络分布式VR在航天中极具应用价值，例如，国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统，这
15、样不仅减少了研制费设备费用，而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。第2章 油田维护仿真系统总体分析与设计2.1 油田维护仿真系统开发的背景及意义近年来随着计算机技术、高性能个人计算机、人机交互技术与设备以及计算机网络与通信等科学领域的突破与高速发展，虚拟现实技术也得到了突飞猛进的发展。虚拟现实以其沉浸性、交互性、构想性的特点以及“低成本，高性能”的研究原则，已经由最初的航空航天领域扩展到了军事、科研、医学、教育文化、娱乐、产品制造、展览等各个不同的领域3。虚拟实训教学是虚拟现实技术应用研究成果在各个教学领域的重大体现。虚拟实训是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化虚拟实验教
16、学辅助系统，是现有各种教学实训过程的数字化和虚拟化。油田维护仿真系统的实现，包括了对抽油机启机、停机以及更换光杆密封圈操作环境的设计及仿真过程的技术开发，油田维护仿真系统为油田教学提供了全新的教学环境，新员工通过类似于真实实训环境的虚拟操作，就能够完成完整的操作流程。油田维护仿真系统的构建，既可以弥补现有大部分油田公司教学条件的不足，又可以降低油田公司在培训新员工方面的支出费用，同时避免某些错误操作所带来的各种危险，而且还可以贯彻“项目教学、讲练结合”的教学理念，是未来油田公司新员工教学的发展方向。油田维护仿真系统能使书面理论形象化，抽象物体实体化，工艺流程系统化，培训系统数字化。该课题的主要
17、意义在于：（1）仿真性学员可针油田维护流程，利用软件和硬件的仿真技术，可以清晰、完整地看到油田维护的整个过程。（2）场景性系统针对油田维护操作，通过虚拟仿真技术，可以逼真地表现更换光杆密封圈的现场实景，同时将现场工作人员在实际工作中的操作方法及注意事项一一还原出来，使学员在不到现场的情况下，既能感受到真实的现场操作环境，又能了解真实环境下的整个操作流程。系统以提高学员的感性认识能力为旨，力争让学员在将来的实际工作环境下能得心应手的开展各种生产活动。（3）实用性全面系统化的理论知识学习、专业化的技能模拟考核、真实化的模拟仿真培训、流程化的课件素材制作和个性化的自我培训管理相互配合，将理论知识学习
18、、操作技能训练和模拟仿真培训三者完美融合，使学员不但能巩固并加深对油田维护理论知识的理解，而且能熟悉工作环境，更能培养学员实际动手能力和现场操作技能。（4）不同于传统的油田企业培训基地的概念，凡是应用该仿真培训的任何血缘能在任何时间，并具有完全自由读地通过该系统进行有关操作来学习油田维护流程的技能。对于训练后还没有掌握的操作过程或技术片段，学员可以自己多次重复。这样，受训的学员始终处于技能培训过程中的主导地位，真正掌握技能培训的主动权，大大增加了技能培训的学习和训练效果，减少了生产技能培训时间。（5）采用该模拟仿真系统的方式对学员进行仿真训练，学员可以在一个逼真的环境中熟悉并操作各种复杂的生产
19、设备，即时操作失误，也不会威胁到个人的人身安全；同时，学员可以随意进入各个生产环节进行深入理解，往往会学到许多在现实中无法接触的东西；这对于安全应急处理演习、现场工艺操作技能的提高、减少操作危险等方面都具有特别重要的意义。2.2油田维护仿真系统需求分析（1）系统需求构建油田维护仿真系统整个三维虚拟场景，模型造型逼真，结构准确，复杂度适中。对抽油机的组成：驴头、光杆、盘根压帽、配电箱等进行三维建模，实现抽油机的虚拟仿真，其过程进行互动演示，演示内容完整、准确，表现形式生动、合理。（2）开发工具及开发环境开发工具：Virtools、3D Max、Photoshop等。运行环境：Windows98、
20、Windows2000或WindowsXP以上。（3）系统预定目标构建了抽油机的三维虚拟场景和部件模型，模型造型逼真，结构准确，复杂度适中。油田维护仿真系统功能全面，界面友好，可操作性强。实现油田维护（更换光杆密封圈）的正确操作过程进行互动演示，演示内容完整、准确，表现形式生动、合理。系统实现了油田维护的模拟功能，生产者和学习者能够对整个组装过程有个整体的认识，并能对防喷器各部件有深入的认识，系统交互功能强大，控制灵活。2.3油田维护仿真系统的总体设计油田维护仿真系统实现可分为两个部分：三维建模和场景驱动。三维模型由3ds Max完成，程序设计部分在Virtools中实现，其总体设计框架如图2
21、-1所示。图2-1 仿真系统总体设计框架经过对油田维护更换光杆密封圈的工作流程的需求分析，确定该培训系统包括演示模块、训练模块和考核模块三部分。系统的功能模块图如图2-2所示。图2-2 系统功能模块图第3章 开发工具的选择与介绍3.1 建模软件的选择建模师虚拟仿真系统的基础，模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度，因此选择适合的建模软件至关重要。本系统采用3ds Max进行建模。3ds Max是由美国AutoDesk公司推出的基于个人电脑的三维动画设计和制作软件。利用3ds Max可以制作出漂亮的造型和精美的材质，还可以对整个对象或部分对象进行颜色、明暗等编辑4。因此，用3ds Max建立
22、的模型有很强的仿真立体效果。3.1.1 选择3ds Max（1）3ds Max3ds Max是Autodesk公司的子公司Kinetix推出的一种顶级的三维动画造型软件，它可以提供完美的3D建模、动画、特效和高效的渲染功能。它广泛用于游戏、广告、建筑等领域，是目前PC上最流行的三维动画造型软件5。（2）MayaMaya也是美国Autodesk公司出品的一款优秀的三维动画软件，Maya集成了Alias Wavefront最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。ZBrush（3）ZBrush是一个数字雕
23、刻和绘画软件，它以强大的功能和直观的工作流程彻底改变了整个三维行业。在一个简洁的界面中，ZBrush为当代数字艺术家提供了世界上最先进的工具。ZBrush能够雕刻高达10亿多边形的模型，所以说限制只取决于的艺术家自身的想象力6。由于防喷器虚拟组装系统中模型简单，既不需要Maya中细腻的模具，也不需要ZBrush中对人物特殊的刻画，再考虑系统运行的速度，选择了3ds Max。3.1.2 三维建模工具3ds Max3ds Max是一个融专业功能、视觉表现、理论知识于一体的综合性三维造型软件，由最初的小型3D Studio（DOS版的三维软件）发展到如今的主流三维软件。它涉及的领域主要有动画设计、三
24、维造型设计、影视片头、标题广告、工业设计、建筑设计和多媒体制作等。由于它的操作主要是在PC机上完成，并具有同任何其他大型三维制作软件相抗衡的能力，因此倍受业内人士的喜爱和推崇。与此同时，3ds Max强大的多方兼容性也使得它的制作与表现方式更加多样化，为更多的用户提供了学习与创作的机会。 随着3ds Max的不断发展，三维制作也被推向了无人能及的顶峰。它所发展的方向与无与伦比的强大功能完全可以为我们提供更加广阔的想象空间12。它不仅仅为我们提供了一种表现方式，更是将三维的概念深入到了我们生活的方方面面。（1）3ds Max功能模块3ds Max有以下6个功能模块：建模（Modeling obj
25、ect）3ds Max的重要特点是有一个集成的建模环境，可以在同一个工作空间完成二维图纸、三维建模及制作动画的全部工作，建模、编辑和动画工具都可以在命令面板和工具栏上找到。材质设计（Material design）3ds Max在一个浮动的窗口中提供了高级材质编辑器，可通过定义表面特征层次来创建真实的材质，表面特征可以是静态材质，在需要特殊效果时也可以产生动画材质。灯光和相机（Lighting and Camera）动画（Animate）渲染（Rendering）渲染可以简单的理解为，要可视化一个三维物体（3D Object)或者一个三维场景（3D Scene)到屏幕，就是将对其的描述转化为一
26、副二维图像（2D Image)，生成的二维图像能够很好的反应这个三维物体或三维场景，这个过程即为渲染。如图3-1所示。图3-1 渲染过程贴图烘焙一种把MAX光照信息渲染成贴图的方式，而后把这个烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术，这样的话光照信息变成了贴图，不需要CPU再去费时的计算了，只要算普通的贴图就可以了，所以速度极快7。（2）3ds Max的特性3ds Max系统拥有许多优良的特性，具体包括：用户界面提供了强大的灵活性和工作能力；多操作系统支持，系统在Windows 9x 、Windows XP上都可以运行；造型命令和编辑修改命令，功能相当强大；多线程渲染（Rendering）；气象万千
27、的材质编辑器（Material Editor）；方便控制和编辑动画顺序的对话框（Track View）；支持核心构件插入技术（Core Component Plug-In）；功能强大的编辑调整器堆栈；HEIDI阴影显示技术，可以在实时阴影环境中工作；有很多的第三方插件可供利用。3.2 开发平台的选择一个成功的VR系统是极其复杂的，不可能设想一个新的VR应用系统的开发是从底层的基本代码开始的，因此，VR系统的开发必须借助于软件开发工具，常用的有Virtools、Unity 3D、Quest 3D、Turntool等8。3.2.1 选择Virtools开发一个完整的防喷器虚拟组装系统，首先要解决的
28、就是开发系统的选择，开发系统选择的合适与否，直接影响着系统运行的稳定性及便捷性。由于本系统主要应用于井控培训领域，因此该系统应该适用于Web，并且具有易用性和可移植性，简单介绍几款虚拟现实软件如下：（1）VirtoolsVirtools 接近于微型游戏引擎，互动性强大，目前被认为是功能最强大的元老级虚拟现实制作软件。学习资料也比较多，开发Web 3D游戏的首选浏览插10M左右的庞大体积是个瓶颈，但是随着国内带宽的增加，这方面的影像已经越来越显得微不足道了，他的应用将有着无限的前景。（2）Quest3DQuest3D是一个容易且有效的实时3D建构工具。比起其它的可视化的建构工具，如网页、动画、图
29、形编辑工具来说，Quest3D能在实时编辑环境中与对象互动。Quest3D提供您一个建构实时3D的标准方案，画质也比较优异，有一定入门难度，浏览插件2M左右，算是中级化，也可以适应亚洲。（3）Unity3DDEMO的高质量致使许多人热捧，画质确实够强，互动性近期也有几个游戏式的作品，也可以说明Unity是有很强的互动性的，运行于Mac系统上，所以目前用的人比较少。有强大的地形绘制器，这个是比较引以为荣的，浏览插件大概3M左右，资料比较少。（4）Turntool此虚拟现实制作软件，在展示方面比较擅长，画质国内的和Web Max差不多，资料还是比较少，以插件的方式嵌入3ds Max里，导出比较简易
30、，也是为数不多的轻量级Web 3D软件。初级读物困难程度有，浏览插件在800K左右，也适合亚太地区的带宽承受范围。由于购置了正版Virtools，再结合其本身优质的性能，学习资料书籍论坛相对较多，应用相对广泛，所以选用Virtools作为本系统的开发工具。3.2.2 Virtools 简介Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件。Virtools提供的解决方案颠覆3D开发制作流程，一般地，开发人员只需拖曳所需要的行为模块即可建构出丰富的互动作品，可同时满足无程序背景的设计人员以及高阶程序设计师的需要，大大缩短项目开发时程、减少风险并降低生产成本目前，在油田仿真
31、、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等诸多领域得到广泛应用9。作为新一代“Give Life to 3D”开发平台，Virtools5.0以完全的可视化模式建构互动体验，开放式的架构支持多种3D文件格式的读取，使实时3D技术的应用变得更加多元化和广泛。它开放的构架及其灵活，允许开发者使用模块化的脚本，方便有效地进行对象的交互设计和管理。普通的开发者可以采用鼠标拖放脚本的方式，通过人机交互的可视化用户界面，同样可以制作目前市场上顶级游戏中高品质图形效果和互动内容的作品。3.2.3 Virtools 组件Virtools5.0开放的构架及其灵活，允许开发者使用模块化
32、的脚本，方便有效地进行对象的交互设计和管理。在Virtools中有很完善的组成，主要包括五个元素，如图3-2中所示。作为高端的开发者，利用SDK和Virtools专用脚本语言VSL，通过相应的API接口，可以创建自定义的交互行为脚本和应用程序。通过可视化界面，无需使用第三方技术的情况下，用户可以进行高级互动模块的熟练使用。Virtools SDK应用程序：提供3D实时的互动行为交互行为引擎：整合与制作的环境平台网路播放器渲染引擎：可执行应用程序制作出来的内容软件开发工具包：内含各个行为模块的源代码Virtools Application Virtools Behavioral EngineVi
33、rtools Web PlayerVirtools RenderEngine图3-2 Virtools五元素3.2.4 Virtools界面介绍及操作进入Virtools界面显示如图 3-3 所示。图3-3 Virtools界面Virtools的编辑界面以很多的Tab所组成，每一个编辑器、设定界面等都放在 Tab中。（1）3DLayout：预设位置在左上角，整合、修改对象，执行也在这编辑器中显示。（2）BBs（Building Blocks)：又称为行为模块，右上角位置，Virtools最有特色也是赋予对象生命力，可根据系统应用需求，设计并创建出各种各样的对象行为，不仅编写视觉化，测试和侦错也
34、非常方便10。（3）Virtools Resources：称之为资源文件，预设位置在右上角BBs旁，这部分为Virtools 所使用的资源文件，素材库中可存放各种类型的数控，但是素材必须要放置在相应的数据文件夹中才能正确发生效果。（4）Level Manager：预设位置在屏幕画面下发，在其中显示的数据为编辑整合后的资源，比如三维模型、材质贴图、声音、角色、灯光和摄像机等等。（5）Schematic：在屏幕画面下方，这部分为行为模块的编辑界面。界面中的每一个Tab都可以依照开发者的喜爱，拖放到合适位置。双击Tab两次可以将内容放大，再次双击可恢复至原来的大小。（6）3D Layout工具列基本
35、操作：包括形变工具、对象建立工具、场景浏览工具。3.3辅助工具Photoshop简介Adobe Photoshop，简称“PS”，是由Adobe Systems开发和发行的图像处理软件。Photoshop主要处理以像素所构成的数字图像。使用其众多的编修与绘图工具，可以有效地进行图片编辑工作。PS有很多功能，在图像、图形、文字、视频、出版等各方面都有涉及。从功能上看，该软件可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特功能特色效制作部分等。图像编辑是图像处理的基础，可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等；也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。图像合成则是将几幅图像通过图层操
36、作、工具应用合成完整的、传达明确意义的图像，这是美术设计的必经之路；该软件提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合。校色调色可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色偏的调整和校正，也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。特效制作在该软件中主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。包括图像的特效创意和特效字的制作，如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可藉由该软件特效完成11。第4章 油田维护仿真系统的详细设计与实现油田维护仿真系统是采用当前最先进的虚拟现实技术开发，本系统的重点研究在于，首先利用3ds Max软件建立虚拟场景，使用户进入系统中有种身临其境之
37、感，设计时注意材质灯光的运用，这样有利于保持用户的注意力并增强其对培训的兴趣；并在3ds Max中完成虚拟人模型和动作的制作，然后从3ds Max中输出场景模型和虚拟人的动作，导出时把建立在3ds Max中的模型和动画以NMO格式输出；最后将模型导入Virtools中进行交互模块设计。4.1 三维模型的构建抽油机包括游梁式抽油机、塔架式数控抽油机、异形游梁式抽油机等，本系统以游梁式抽油机为例详细的讲解了油田维护的具体操作。所需要建立的模型包括：悬绳器、驴头、连杆、支架、平衡块、曲柄、曲柄销子、轴承、减速箱、减速箱皮带轮、电动机、刹车装置、底座等。由于Virtools软件本身并不具备三维实体模型
38、的建模能力，而三维建模软件系统都有一定的相通性，可以接受某些文件格式的输入，所以在进行虚拟场景构建时，可以借助其他三维建模软件12。常用的方法有两种：一是借助3ds Max直接建模，完成建模之后通过插件转换成*.nmo格式的文件，再倒入Virtools当中进行制作；二是利用CAD软件间接建模，这种方式建立的模型精确度非常高，但这种方式需要进行格式转换导入3ds Max，由于本系统侧重于对操作流程的介绍，而对模型的精确度未做过高的要求，因此本系统采用第一种方式进行建模。4.1.1制作抽油机模型一个虚拟的场景中包含有许多模型，每一个模型的逼真度以及对系统资源的使用都对最终合成的总场景的视觉效果和运
39、行速度起着至关重要的作用。因此，可以说三维模型的构建是整个工作中的重中之重13。所以，在建模之前一定要系统的规划一下工作的流程以及内容。建模流程如图4-1所示。图4-1 建模流程图为了尽可能准确地表现抽油机的结构、减少系统运行中的误差、更真实的反应抽油机各部件的情况，需要进行现场调研进行数据获取，这对于建模工作来说是至关重要的一步。由于本系统着重体现油田维护的操作流程，因此不需要过于严苛的要求抽油机各部件的尺寸的精准度。因此，本系统建模采取到现场拍摄抽油机照片，然后根据照片创立三维模型的方式进行建模。抽油机整体照片与模型对比图如图4-2与图4-3所示： 图4-2 抽油机照片 图4-3 抽油机模
40、型整个抽油机分为若干个部分，而每个部分的建模步骤都非常繁琐，然而大部分模型建模步骤都相似，因此就不在这里赘述了，本文仅选取几个具有代表性的模型进行建模说明：（1）抽油机驴头建模：首先单击对象类型面板中的Box按钮，在透视图中按住鼠标左键，上下拖拽出一个长方体，释放鼠标即完成了一个长方体的创建。在修改面板中可以修改参数调整大小。再选中长方体，右单击选择Convert To/Convert to Editable Poly命令，即将长方体转换成伟可编辑多边形，这样就可以对长方体进行点、线、面的修改。可编辑多边形是一种可编辑对象，可以对模型的深层结构进行编辑，通过推、拉、删除、创建平面和定点等操作使
41、模型变成我们所需要的形状。同时可以在对面编辑的时候通过Extrude、Insert、Bevel、Outline、AutoSmooth等命令进行深层次的细致优化。由于驴头上有许多凹陷下去的地方。此处如果通过点选面挤出的方式来实现太过于繁杂，因此采用了布尔命令的方式来实现。布尔运算即Boolean，Boolean对象时根据几何体的空间位置结合两个三维对象形成的对象。每个参与结合的对象被成为运算对象。通常参与运算的两个布尔对象应该有相交的部分14。该命令中包含的参数有：Pick Operand B（拾取运算对象B）：单击该按钮，在场景中选择另一个物体完成布尔合成。其下的4个选项用来控制运算对象B的属
42、性，他们要在拾取运算对象B之前确定。Subtraction（A-B）（A-B部分）：在A物体中减去B物体重合的部分。Copy（复制）：将原始对象复制一个座位运算对象B，而不改变原始对象。当原始对象还要做其他之用时选用该方式。Instance（关联）：将原始对象的关联复制品座位运算对象B，以后对两者中之一进行修改时都会同时影响另一个。Union（并集）：用来将两个造型合并，相交的部分将被删除，运算完成后两个物体将成为一个物体。Reference（参考）：将原始对象的参考复制品作为运算对象B，以后改变原始对象，也会同时改变布尔物体中的运算对象B，但改变运算对象B，不会改变原始对象。根据现场图片分析
43、（如图4-4所示），我们采用Subtraction（A-B）来建模。使用布尔命令前后的驴头模型对比图如图4-4和4-5所示： 图4-4使用布尔命令前效果图 图4-5 使用布尔命令后效果图（2）抽油机管线建模：创建圆柱体将其转换为可编辑多边形，选中顶面右键单击Extrude挤压，单击使其变为黄色激活状态，单击角度捕捉按钮右键单击弹出Grid and Snap Settings对话框，将参数Angle调整为18度并确定。此时拖拽旋转则每动一次旋转15度，设定Extrusion Height的值为5，重复六次该操作即呈现出管线旋转90度的效果15。如图4-6所示。图4-6 管线建模效果图4.1.2
44、模型的优化Virtools运行时，其自带的渲染器以每秒30帧的速度实时渲染场景，主要依靠CPU对三维模型进行运算，模型的面数越多，CPU利用率就越高。因此，包括Virtools在内的许多虚拟现实开发软件对模型的面数都提出了严格的要求（Converse 3D 3.0明确要求单体模型的面数不超过5万）。在Virtools中，无论单体模型面数过多还是区域范围内模型面数过多都十分消耗CPU。因此，对模型进行优化可以大大提高软件的效率。一般在不影响效果的情况下对模型的精简都有不成文的规定16。（1）消除冗余多边形构建实体模型时经常存在冗余现象，去除模型中不可见的多边形可以减少系统中多边形数量，在一定程度
45、上也可以提高系统的实时性。因为在场景浏览时它们时刻处于不可见位置，去除它们并不影响实体的视觉效果，但是却可以很大程度上降低整个场景的复杂度，提高显示速度。这里的冗余多边形主要是指在实体外部观察模型时不可见的部分。例如，将圆柱体设置为6段，为体现圆滑效果的最小分段；删除相互遮挡的模型中不可见的面；将模型转换为多边形并删除模型中的三角面；相同模型尽量使用实例，便于前期修改及后期操作，也节省了大量的资源。在精简模型的过程中，要保证模型的布线合理不出现错误。在防喷器虚拟组装仿真系统中，模型工具相对简单，模型场景规模也比较小，根据用户对场景对逼真度的要求，在此选择环状段数为10-20之间。（2）使用纹理
46、贴图代替多边形建模有效使用贴图不仅是一种增添场景真实感的有效方法，也是提高实时性的好方法。对于具有较多细节的物体来说，如果过分强调细节，会使工作量和模型复杂度骤然增加，而且可能导致整个系统实时运行速度的下降。在对应的多边形表面贴上图片，不但不会降低场景的逼真程度，而且还可以极大地减少模型的多边形数目和场景的复杂程度，提高图像绘制输出的显示速度17。（3）烘焙贴图烘焙技术也叫Render To Textures，简单地说就是把一种max光照信息渲染成贴图的方式，而后把这个烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技术。这样的话光照信息变成了贴图，不需要CPU再去费时的计算了，只要算普通的贴图就可以了，所以速
47、度极快18。以下是烘焙的具体步骤：第一步：加贴图。第二步：选中场景里的所有物体，按数字键9，勾选Light Tracer。第三步：加Skylight（天光)，同时将Multiplier数值设置为0.8。第四步：加Target Direct（太阳光），并调整适当的角度及范围，同时设置Intensity 里面的Multiplier的数值设置为0.8。第五步：按数字键0，设置Objects to Bake 里面的Mapping Coordinates，选择Use Automatic UVmap，点击UVmap Only。第六步：点击Edit，进行展UV。第七步：再将Objects to Bake里面的Mapping Coordinates选项改选成Use Existing Channel。第八步：点击Output里面的Add按钮，这时可以看到烘焙的很多种方式，有高光、有固有色等等，我们选择Lighting Map。第九步：设置Target Map Slot（目标贴图位置），选择Diffuse Color（漫反射），同时要设置烘焙贴图的分辨率，这和max的渲染输出一样。第十步：设置Output Path，Output Path是用来设置存放烘焙出来贴图的路径的，必须在这儿进行设置第十一步：按下Render。这样就会得到一张模型的阴影关系图，同时场景里的模型也会显得更加的真