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1、油田生产虚拟仿真培训系统的设计与实现摘 要我国开发油田逐步进入中后期后，开采难度逐渐加大，这对于油田采油工序等后期生产过程的精细化程度提出了更高的要求，随之油田采油工序仿真模拟的研究便被提上了日程。本文结合大庆油田实际情况，以油田生产中调整防冲距为例设计了虚拟仿真培训系统。本文实现了对采油系统中调整防冲距过程的模拟与演练。根据其实际操作过程，首先制作了抽油机以及虚拟人的模型，并对模型进行了渲染，同时利用灯光、动画等特效分别对抽油机的驴头、连杆、曲柄机构、减速箱、悬绳器、动力设备和辅助装置等模型进行了优化，虚拟出一个逼真的三维虚拟环境。然后借助Virtools虚拟现实开发平台，进行了虚拟仿真流程
2、设计。设计了调整防冲距（调大、调小）的演示、训练和考核三个模块。用已建构出的虚拟人模型代替实际操作人员在培训系统中的演示模块对调整防冲距的流程进行分步操作培训，在训练和考核模块使人在虚拟环境中能够利用鼠标与计算机完成交互，从而达到操控目的，完成训练考核。关键词：Virtools ；虚拟现实；调大防冲距；调小防冲距AbstractDifficult exploitation oilfield development in China has gradually entered the later period, after the increase, gradually for the refi
3、nement of late oilfield production processes such as production process is put forward higher requirements, so the study of oil field production process simulation has been put on the agenda. In this paper, in combination with the practical situation of daqing oil field, in order to adjust the impin
4、gement distance in oil field production, for example, virtual simulation training system is designed.This paper uses 3ds max and virtools technology, to realize the adjustment of production system from impingement process simulation and practice. According to its actual operation process, first of a
5、ll make the pumping unit and the model of the virtual human and render the model, at the same time respectively using lighting, animation, special effects, such as furnace head, connecting rod, crank mechanism of oil pumping unit, reducer, beam hanger, power equipment and auxiliary devices, such as
6、model are optimized, a realistic virtual 3d virtual environment. Then using virtools virtual reality development platform, virtual simulation process design was carried out. Design the impingement distance is adjusted (large, small) demonstration, training and examination of the three modules. Have
7、constructed the virtual person model instead of the actual operation personnel training system in the demo module to adjust the impingement distance process operation training step by step, in the training and examination of module makes people be able to use the mouse and computer in virtual enviro
8、nment to complete the interaction, so as to achieve control, complete the training evaluation.Key words：Virtools; Virtual reality; Big impingement distance; Small impingement distance创新点摘要本文的创新点是研究有杆抽油系统的数学建模及转动问题。针对此问题，本文首先从有杆抽油系统四连杆结构的几何关系和运动特点出发，建立了游梁的摆动方程，进而求得了悬点E运动的数学模型（式（19），并根据这些数据对模型进行了求解。其次
9、，根据抽油机转动原理，在Virtools平台，由UI+VSL+SDK模式设计了抽油机的转动。目 录第1章 绪 论11.1 虚拟现实技术研究背景11.2 虚拟现实技术研究现状11.3 虚拟现实技术的特点及应用3第2章 虚拟仿真培训系统开发工具简介52.1 三维建模平台 3DS MAX52.2 虚拟环境开发平台 VIRTOOLS7第3章 虚拟仿真培训系统可行性研究及需求分析113.1 系统开发软硬件环境113.2 系统可行性研究113.3 系统需求分析12第4章 虚拟仿真培训系统总体设计144.1 需求描述144.2 系统总体设计144.3 系统功能设计154.4 系统操作流程154.5 系统脚本
10、设计16第5章 虚拟仿真培训系统详细设计与实现195.1 系统界面设计195.2 系统的模型设计205.3 系统的实现过程245.4 系统功能介绍285.5 抽油机转动的实现335.6 系统软件测试41结 论43参考文献44致 谢45II第1章 绪 论1.1 虚拟现实技术研究背景“虚拟现实”（Virtual Reality，VR）是人们想象力的发展，是一种以沉浸性、交互性及构想性为主要特征的计算机系统，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式创建和体验虚拟世界，用户可以融入这个三维虚拟世界并且与场景中的对象进行交互，使用户感到作为主角存在于虚拟环境之中；虚拟现实的实现需要硬件和软件两方面的支持，硬件方
11、面主要包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成系统等等；软件的种类则很多，其中法国达索公司的 Virtools开发平台是目前较为流行的一种，Virtools以完全的可视化模式建构互动体验，其开放架构支持多种3D文件格式的读取，使实时3D技术的应用变得更加多元化，更加广泛1。安全是保障人类生存和生活质量的重要方面。随着人类社会的进步和生活水平的提高，人们对自身安全的要求越来越高。然而社会活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对社会环境的真实了解安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患； 科研人员需要向人们真实反映其安全研究的成果；而普通人则需要有一定的安全
12、知识和防范意识。这些都需要人们能处于真实的环境中，如安全管理人员能根据发生灾害而对其现场的真实环境进行正确的决策。上述情况都离不开人类生存的现实社会2。但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实环境中的危险，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。当前，国内外普遍采用的虚拟现实技术便能满足这种要求。 本论文的研究正是采用PC机上最流行的三维建模、渲染、动画制作软件3DS Max配合全球著名的多功能三维开发工具Virtools来建立的一套员工虚拟仿真培训系统3。1.2
13、 虚拟现实技术研究现状 1.2.1 国外研究现状最早真正意义上的虚拟现实系统是为了满足军事仿真培训的需求而开发的，而且迄今为止开发虚拟环境和应用虚拟环境最多的也是军事领域4 。美国军方实施SIMNET计划近20年来，随着计算机技术、网络技术等构造虚拟环境所需关 键技术的高速发展，以及军事仿真培训需求的不断提高，用于军事仿真培训的虚拟环境也发生了巨大变化。虚拟现实带来了人机界面、人机交互的新概念和新方法，使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。将虚拟现实技术应用于军事仿真训练，引起了军事训练观念和方式的变革，推动了军事仿真训练的发展，从而为解决上述问题提供了新途径，带来了新希望5。
14、 虚拟现实技术和虚拟环境还可以应用于除军事仿真培训以外的许多军事和民用领域，产生巨大的经济效益和社会效益，它对于一个国家科学和技术发展的重大意义可以从不同领域目标中得到体现。虚拟现实可以为科学研究和技术创新提供理论证明和科学实验以外的新的科学发现工具和手段，也可以帮助再现和理解大规模数据库和大规模科学计算所获得的海量数据，有利于加快知识和科技创新的速度；虚拟现实在各种高难度和危险环境下的作业培训，如载人航天、核设施维护等以及大规模多兵种军事训练方面的应用，有利于大幅度提高军事培训水平，增强国家安全实力；大型复杂产品的虚拟原型机技术是降低产品开发成本、缩短产品研制周期、提高产品质量的新方法，有利
15、于提高企业的国际竞争能力：虚拟现实可以更好地模拟气候和灾害过程，帮助理解气候及环境变化，有利于环保和灾害预报；虚拟现实可以提供远距离、可视化、交互式教学手段，有利于建立未来先进的远程教育，虚拟现实可以建立远程医疗和模拟手术培训，有利于提高人民的生活质量和健康水平等6。 VR 技术在许多工程领域已得到广泛应用并取得了令人注目的成就，但在安全工程方面的应用仍属于起步阶段。诺丁汉大学采油、环境与采矿工程学院所属的人工智能及其矿业应用研究室（简称AIMS）是较早从事人工智能、计算机绘图、虚拟现实等在矿业中应用的研究。其研究涉及采矿工程、环境评价等方面。AIMS的研究人员已经开发出一系列虚拟现实模型，如
16、露天矿单斗卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等可分别用于相应环境下工作人员的培训。 1.2.2 国内研究现状 和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目7。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，己积极投入到了这一领域的研究工作。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬
17、件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾VR系统。这是国内目前安全领域所建立的最早的VR系统。建筑火灾的VR系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性；二是火灾模拟的真实性。使用者通过外围设备系统经由主计算机系统使用外围设备。例如：计算机鼠标、数据手套等操作设备，通过三维模型
18、运动控制接口程序控制建筑物及火灾的运动。建筑物模型及火灾模型本身由专用三维处理程序建立，具有真实三维立体感。经过控制运动的两个模型，通过外围设备与模型接口程序，将结果显示输出到外围设备，例如：计算机显示器、立体眼睛等。操作者可以根据这一循环的结果，决定下一个循环的操作过程。从而经过不停地循环，达到真实模拟和实时控制的操作环境。用户可以使用鼠标，控制人员在建筑物中漫游。 1.3 虚拟现实技术的特点及应用VR培训是基于VR现实技术的培训，是实际培训过程在计算机上的映射。VR培训系统是指利用VR现实技术生成的一类适于进行安全教育培训的虚拟环境，它可以是某一现实安全环境的真实再现，也可以是虚拟构想的安
19、全世界。受训人员以安全虚拟环境为依托，沉浸于其中，进行学习和培训。与普通安全培训相比，员工虚拟仿真培训系统有如下优点： 1仿真性 在虚拟现实技术支持下，员工虚拟仿真培训系统与真正的培训设施功能相同，操作方法也一样，同时虚拟培训环境无论是现实的环境或是想象的环境，都是虚拟的但又是逼真的。2开放性 员工虚拟仿真培训系统可以为所有受训者在任何时间、地点提供各种培训的场所。3超时空性 员工虚拟仿真培训系统具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提供给学员进行安全培训。 4可操作性 受训者可
20、通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对安全虚拟环境的物体进行操作，就像在现实安全环境里一样。 5对应性 学员的培训内容与虚拟环境是密切对应的，虚拟现实技术能按每个学员的基础和能力，对应性地开展个别化的教育培训。虚拟现实技术是虚拟安全培训系统实现的关键技术。虚拟现实技术拥有三大特性，即为沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）三大特性，这决定了基于虚拟现实技术的展示形式一定比单纯的图片加文字信息的展示方式更加形象生动，且具有更明显的交互感。 鉴于目前国内对虚拟安全培训系统的论述和研究主要停留在基础理论和实现技术层面，而对虚拟安全培训系统的
21、视觉表现方法鲜有论述。因此本论文还将针对虚拟安全培训系统的动态视觉效果来做研究，抛砖引玉，为虚拟安全培训系统的设计提供一定的参考。 本论文的意义并非仅限于虚拟仿真培训系统。本论文通过对安全场景的虚拟现实，可以对其他安全培训、安全展示以及安全仿真试验提供一定的参考。第2章 虚拟仿真培训系统开发工具简介虚拟现实系统是将各种先进的硬件和软件技术集合在一起的极其复杂的系统，又必须具有灵活性、可移植性与实时交互的特性，因此提供一种使用方便、功能强大的系统开发支撑软件尤为重要。当今虚拟现实的开发工具有很多，其中比较出色的3DS Max、Virtools Dev、Quest3D、VR-Platform、Wo
22、rld Toolkit、3D-VRII等。在本系统中我们采用3DS Max和Virtools Dev作为开发工具。2.1 三维建模平台 3DS Max2.1.1 3DS Max 9.0简介3DS Max是Autodesk 出品的一款著名3D动画软件，是著名软件3D Studio 的升级版本。3DS Max是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，广泛应用于游戏开发、角色动画、电影电视视觉效果和设计行业等领域。 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，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
23、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。3DS Max 9.0有许多新开发的功能，包括业界首创游戏开发行业的工作流加速器法线贴图（Normal Mapping）和多边形编辑修改器（Edit Poly Modifier）。多边形编辑器（Edit Poly Modifier）使动画制作更为方便和快速。类似法线贴图这种开创先河的功能发扬了Discreet在不同的市场
24、广泛收集创新性技术的传统，一种原本为某个市场领域（如游戏）开发的功能可能对其它的市场领域（如电影或设计视觉化）产生重大的影响。 2.1.2 3DS Max应用技术13DS Max中的对象在3DS Max中创建的任何物件都是对象，场景中的几何体、摄像机和灯光是对象，编辑修改器是对象，甚至连动画控制器、位图和材质定义等也属于对象的范畴。用户可以在次对象层级管理网格、样条曲线、编辑修改器等许多对象。2场景中的层级在3DS Max中，几乎所有事物都由层级结构来组织。层级结构使得被组织的事物更易于理解，它的作用就像写报告时按思路组织素材的提纲一样。Track View显示了整个场景的层级结构。最上面一层
25、是World。可以通过改变Track View中的World轨迹来对场景中所有的事物做全局性的改变。World下面的那一层有五个类别，用于组织场景中所有的对象。这五种类别是：Sound、Environment、Material Editor、Scene Material、Objects。3材质与贴图为使对象有真实的观感，还必须给它定义材质，应用材质并进行贴图。尽管材质的表面具有可延展性，但它仍以一定的逻辑格式布局，以便更加方便地进行各种可能的定义和细化。材质分为两种：标准材质（Standard Materials）和贴图材质（Mapped Materials）。4动画的制作动画与影视的区别在于
26、产生图像的过程不同。影视用摄像机拍摄图像，然后播放；而动画要求人工绘制每一幅图像，然后再高速播放。在3DS Max内部，动画是实时发生的。不一定要等到渲染时才决定哪一动作持续多长时间，它可以随时更改并观看效果。2.1.3 3DS Max建模方法3DS Max的几何建模方法主要有多边形建模、非均匀有理B样条曲线建模（NURBS），细分曲面技术建模（SubdivisionSurface）。通常建立一个模型可以分别通过几种方法得到，但有优劣、繁简之分。1多边形建模。多边形建模技术是最早采用的一种建模技术，它的思想很简单，就是用小平面来模拟曲面，从而制作出各种形状的三维物体，小平面可以是三角形、矩形或
27、其他多边形但实际中多是三角形或矩形。使用多边形建模可以通过直接创建基本的几何体，再根据要求采用修改器调整物体形状或通过使用放样、曲面片造型、组合物体来制作虚拟现实作品。2NURBS建模。NURBS是非均匀有理B样条曲线的缩写，它纯粹是计算机图形学的一个数学概念。NURBS建模技术是最近几年来三维动画最主要的建模方法之一，特别适合于创建光滑的、复杂的模型，而且在应用的广泛性和模型的细节逼真性方面具有其它技术无可比拟的优势。但由于NURBS建模必须使用曲面片作为其基本的建模单元，所以它也有以下局限性：UNRBS技术很难构造“带有分枝的”物体。3细分曲面技术。细分曲面技术解决了NURBS技术在建立曲
28、面时面临的困难，它使用任意多面体作为控制网格，然后自动根据控制网格来生成平滑的曲面。细分曲面技术的网格可以是任意形状，因而可以很容易地构造出各种拓扑结构，并始终保持整个曲面的光滑性，同时还能维持增加了细节的物体的光滑性。有了以上3DS Max几种建模方法的认识，就可以在为虚拟现实系统制作相应模型。如图2-1所示为 3DS Max平台的操作界面。图2-1 3DS Max平台的操作界面2.2 虚拟环境开发平台 Virtools 2.2.1 Virtools 简介Virtools软件作为新一代开发平台，其三维引擎已经成为微软Xbox的认可系统，其特点是方便易用、操作极其灵活，使用者只需要利用鼠标拖放
29、Virtools 自带的行为模块（简称BB）到对象的行为脚本（Script）中设计交互便可建构出丰富的互动应用程序，并支持脚本语言VSL和SDK，使开发的流程缩短、开发的难度降低；3DS Max强大的建模功能可以得到Virtools自带的3D模型文件转换插件的支持，使得实时三维交互产品的技术实现变得便捷、高效；Virtools自带的网页播放器3D Life Player可以播放Virtools输出的Html文件，因而使得Virtools的运行环境降低，同时还支持基于B/S（Browser/Server）模式的虚拟试验系统的开发设计；全新概念的PCS（Product Context Scenar
30、io）制作流程，提供各阶层的使用者从产品的初期设计、虚拟环境的仿真、再到3D互动操作的完整体验，大幅度降低了产品的研发时间与开发成本，能制作出很多不同领域的三维产品：如建筑仿真、军事模拟、多媒体教学、数字娱乐、游戏开发等，应用领域非常广泛。 2.2.2 Virtools 执行流程包含以下步骤8：1动态计算（Calculating Animations） Key morph animation在一开始时会先进行计算，即当用户使用Character Controller时其他所有的behaviors将在它之后才会开始处理。例如，一个有走路动态资料的主角Character，将会先计算这个主角Char
31、acter在该Frame中所应该移动的动作后，才会开始处理主角Character的移动位置。 2处理行为模块（Processing the Behaviors） 所有可能执行的行为会在这个阶段进行处理，但我们无法知道哪一个行为将会优先执行，如果必须强迫某一个脚本在其他的脚本之前进行执行，那么我们可以在Level View中设定该脚本的优先等级。 3信息传输处理（Handling the Message Passing） 所有的信息在这个阶段才可以做传送与接收的动作，所以在上一个阶段，也就是行为处理模块阶段并不会处理信息资料。例如：在第N个帧使用行为模块 Send Message时，模块Wait
32、 Message将在第N+1个帧接收到这个信息，所以，信息的传送不可能在同一个帧完成。 4声音处理（Sound） 场景中的所有声音将在这个阶段进行调用和处理。 5场景着色（Rendering Scene） 通过着色器（Shader）运算技术，可以迅速编写并立即完成内容的更新，不需要重新读取整个档案，只需更改着色器参数即可，其强大的编辑功能让开发者将着色器效果很快速地植入实际的游戏场景之中，并且可立刻提升画面效果，使空间环境及对象贴图材质的呈现更加具真实性、说服力，让使用者更容易掌握整体绘图流程（Render Pipeline）、视觉效果、后制特效（Post-processing）技术。2.2.
33、3 Virtools 模组介绍 Virtools除了自身的3D/VR开发平台Virtools Dev以外，还有五个可选模块，分别是：物理属性模块（Virtoo1s Physics Pack for Dev）、沉浸式平台（Virtoo1s VR Pack for Dev）、人工智能模块（Virtoo1s AI Pack for Dev）、Xbox 开发模块（Virtoo1s Xbox Kit for Dev）和网络服务器模块（Virtoo1s Server）。 物理属性模块（Virtoo1s Physics Pack for Dev）。Virtoo1s Physics Pack for Dev
34、是完全整合在Virtools Dev中的一个插件，提供了对于由物理定律控制的现实世界的真实模拟。整合了Havok公司顶尖的物理属性引擎，使得Virtools的使用者在制作3D互动场景的过程中更加便利。提供使用者多种物理属性的运用，Virtools Physics Pack中的行为模块（BB）可实现诸如重力、质量、摩擦力、弹力、物体间的物理限制、浮力、力场与车辆的动态物理属性等功能，例如你可以指定车辆的质量、车轮的摩擦系数，可以识别弹簧、铰接的连接限制等。这些都是通过物理引擎来实现的，而不需要你具备复杂的数学和物理知识。这些功能大大缩短使用者制作的时间，减少了美术设计师繁复冗长的物体动态制作过程
35、与程序设计师撰写算法的过程。 沉浸式平台（Virtoo1s VR Pack for Dev）。为丛集式PC提供完整的虚拟实境解决方案，使用者可以直接透过虚拟实境的环境去体验真实的世界。Virtools VR Pack是一个附属于Virtools Dev的数据片，其目的在于方便研发人员为使用工业标准化的虚拟实境外围设备以及丛集式PC为基础配备的企业而开发的沉浸式虚拟实境的完全体验9。 人工智能模块（Virtoo1s AI Pack for Dev）。为游戏角色注入生命新元素。AI 为人工智能科技提供了最佳的解决途径，为游戏及虚拟人物创造个性，加强了原先内部建在行为模块中的人物个性属性设定。AI
36、Pack技术在研发的过程中通过 Virtools Dev沪直觉式图形开发界面直接体验人工智能的魅力。Al Pack内含两种行为模块。首先赋予角色人物经由眼睛与耳朵对于环境的观察建立独特的性格，也就是视觉与听觉的特性，然后再发展出更高阶的第二阶段的动作反应，如跟踪，逃走，躲藏 行为模块在建立过程中为了加速流程通常会伴随着几项工具，主要是为了计算主角人物对环境作出反应时所需要的计算机数据。 Xbox开发模块（Virtoo1s Xbox Kit for Dev）。该模块是Virtoo1s的外挂模块。Xbox Kit的接口能在Virtoo1s与Xbox之间作档案数据的沟通与转换，使得运用Virtool
37、s Dev所制作的游戏，能透过Xbox Kit简便的数据转换达到流畅的立即呈现。Xbox Kit全新行为模块的编写方式与Virtools Dev原有的使用方式完全一样，使用者能通过“直觉式图形开发接口”拖曳所需的Xbox Kit专属行为模块，建构出丰富多元的3D数位内容。Xbox Kit还支持所有标准的Dev功能，也可和所有外挂模块搭配使用。运用Virtools直觉式图形开发接口不但能轻松编辑游戏的互动性，而且可以使用可视化方式检视、编辑、侦测对象与行为模块间的关联性。Virtools Xbox Kit独特的编辑处理功能，提供最佳的数据转换及流畅的游戏呈现，能在Virtools游戏开发平台与b
38、ox平台之间建立数据沟通与转换的标准模式，用来测试游戏的可玩性与耐玩性，并进行游戏企画或程序设计架构的修改，降低实际制作的风险与成本。 网络服务器模块（Virtoo1s Server）。Virtools Serve利用高效率的网络联机引擎协助使用者开发因特网或局域网络的3D多人联机数字内容，可以轻松地完成与数据库整合、多人联机及数据串流等功能。Virtools Serve提供两种多人联机服务器，包括独立网络服务器与点对点局域网络服务器。使用者不用解决任何网络联机本身的任何问题，只要通过其提供简单易用的行为模块（building blocks）就可完成所有所需的功能。Virtools Serve
39、r 亦可将所需的互动原件（包括自行设计的互动模块、媒体数据及数据库等在尚未开始正式执行档案前，通过标准外挂模块（Virtools Web Player）的方式事先下载至使用者的计算机，大幅增加在线播放的弹性与客制化的功能，使得Virtools的VMO/CMO档案中所需的对象可以分别依据需要再下载，并可以通过ODBC接口与数据库连结10。 2.2.4 Virtools 特点及应用 Virtools制作具有沉浸感的虚拟环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉，是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、
40、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等等。此外采用Virtools开发项目还具有减小开发难度、降低开发周期、真实性好、交互性强等特点，因此，项目开发采用Virtools技术，下图2-2 所示为Virtools平台的操作界面。图2-2 Virtools平台的操作界面第3章 虚拟仿真培训系统可行性研究及需求分析 3.1 系统开发软硬件环境3.1.1 硬件环境处理器： Intel（R） Core（TM） i3-2130 CPU 3.40GHz内存： 4GB显卡： NVIDIA GeForce GTX 6503.1.2 软件环境操作系统： Windows 7建模工具： 3
41、DS Max 9.0开发平台： Virtools 5.0辅助工具： Photoshop CS33.2 系统可行性研究可行性分析的目的就是用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题能否解决。要达到这个目的就必须分析几种可能的解决方法的利弊，从而判断原定的系统目标和规模是否实现，系统完成后所能带来的价值是否大于开发这个系统的投资价值。因此，可行性研究实质上是要进行一次大大的压缩，从而简化了系统分析和设计的过程。首先，需要进一步分析和澄清问题定义。在问题定义阶段初步定义的规模和目标，如果是正确的就进一步加以肯定，如果是错误的就应该加以改正，如果对目标系统有任何约束和限制，也就必须把他们清楚地列举出来。在
42、澄清了问题定义之后，分析员应该导出系统的逻辑模型。然后从系统逻辑模型出发，探索若干个可供选择的主要方法。对每种方法都应该仔细研究它的可行性，一般来说，至少应该达到下面的三个可行性：3.2.1 技术可行性分析技术上可行性分析主要分析技术条件是否能顺利完成开发工作，软、硬件能否满足开发者的需要等。1软件方面 本系统需要的各种软件环境都已具备，3DS Max 9.0和Virtools 5.0的灵活性、安全性和易用性为本系统提供了良好的条件。因此，系统的软件开发平台已成熟可行。2硬件方面 科技飞速发展的今天，硬件更新的速度越来越快，容量越来越大，可靠性越来越高，价格越来越低，因此目前的硬件平台完全能满
43、足此系统的需要。3.2.2 经济可行性分析经济可行性是对项目的经济效益进行评价，开发所需硬件软件设施大多数PC机系统能够承担。估算新系统的开发所需资金投入和今后的运行、维护费用，并将投入与获得进行比较。系统的效益可以从经济利益和社会效益两方面考虑。例如，系统投入运行后的收益如何，为用户带来了多少实际交易中的便利等等。本系统的开发在经济上是完全可行的。开发此软件是属于个人独立设计的，可以节省许多费用，同时也可提高个人的实际动手能力。3.2.3 操作可行性即系统的操作方式在这个用户群内能否行的通。综上所述，此系统的开发目标已明确，在技术、经济和运行等方面都可行，并且投入少、作用大、见效快。3.3
44、系统需求分析本论文的主要研究内容如下： 1三维图形建模方法及虚拟现实系统开发工具的研究 根据抽油机的特点，深入地研究分割重组法和曲面合成法的两种三维图形建模方法，并对三维图形进行效果处理。并基于抽油机采油的过程，深入的研究人机交互的方法及效果。 2抽油机三维实体图形模型设计 为了在安全虚拟现实系统中逼真地显示抽油机生产设备的三维实体图形，项目采用3DS Max进行三维图形的模型设计，详细的研究了几何建模、运动建模、物理建模、对象行为建模以及模型分割等设计方法。 3人机交互及视点漫游功能的实现技术 友好实用的虚拟环境系统离不开人机交互系统，人机交互系统的作用是将得到的用户输入实时地反馈到虚拟环境
45、系统中，而虚拟环境则可以根据这些输入来计算和生成新的视景以使生成的系统更加逼真，更加符合自然规律。项目将着重研究利用Virtools实现系统中利用鼠标及键盘操纵虚拟物体的实现方法以及场景的合理显示问题。4虚拟培训系统的实现 在理论研究的基础上，进行完整的系统分析，利用3D MAX进行三维模型的构建，利用Virtools进行场景的调度，实现一个虚拟培训系统。本论文由于时间精力等因素的考虑，将实现采油工培训中调整防冲距（调大防冲距，调小防冲距）部分。第4章 虚拟仿真培训系统总体设计4.1 需求描述 抽油机在野外进行，环境艰苦，而且是多工种协作施工；石油、天然气、等又是易燃易爆的有毒物质，在生产过程
46、中事故隐患较多，危险性较大。因此，严格执行各项规章制度和抽油机技术操作规程变得尤为重要，本系统就是为培训员工熟悉抽油机操作而设计的，利用该虚拟仿真系统先对员工进行培训，员工熟悉了环境后进行现场的操作就可以降低危险系数，同时也节约了培训成本。 本系统是利用虚拟现实技术，结合现实中采油生产的特点，将采油工的操作流程、安全知识及各种设备的安全操作规程等技术培训知识进行计算机模拟，营造了由用户通过自身与虚拟环境的交互来得到知识、技能的氛围。主要是提供一套虚拟的、可以进行交互的安全操作仿真训练平台，让参与培训的人员以虚拟环境为依托，进行安全操作的学习和培训，提高抽油机安全生产的实践水平。4.2 系统总体
47、设计 本系统采用当前最先进的虚拟现实技术所开发，旨在开发出一套计算机环境下的采油员工操作过程的完全模拟。通过对该系统的使用，可以使员工掌握正确的操作规程、熟悉操作内容。为了使系统更具完整性，每个流程都设计了演示、考核、训练三个模块。如图4-1所示。员工虚拟仿真培训系统统系统调 大 防 冲 距系统调 小 防 冲 距系统仿真演示系统仿真考核系统仿真训练系统背景音乐流程解说文字提示自动播放背景音乐员工操作背景音乐文字提示员工操作图 4-1 系统总体模块图4.3 系统功能设计 在进行系统功能设计时，首先了解了采油工安全操作注意事项，然后仔细观察工人的操作细节及相关工作原理。本系统中所介绍的虚拟仿真系统在进行需求分析后，利用3DS Max建完三维虚拟场景和虚拟人的模型后将其动作进行编排制作，最后利用Virtools平台实现场景合成及系统的仿真操作，其结构框图如图4-2所示。员工虚拟仿真培训系统场景构建动作动画制作场景合成创建模型添加材质贴图色彩光照处理优化处理创建关键帧动作动画渲染场景模型导入角色动作导入表优化处理图4-2 系统功能设计结构框图4.4 系统操作流程在开发本系统前进行了较深入的系统开发前调研，在大庆的油田进行了实地考察并收集资料记录在案，从而确定了本系统的设计目标。进一步结合