注水泵房启动柱塞泵前检查演练系统的设计与实现毕业设计

注水泵房启动柱塞泵前检查演练系统的设计与实现摘 要随着科技的飞速发展，虚拟与现实技术的逐步成熟，信息化油田建设已经成为大势所趋。本文结合油田注水泵房的知识，将三维仿真技术应用到大庆油田公司的仿真培训中。运用 3DS MAX 三维建模与渲染技术，使用 Virtools 进行动画脚本的制作，最后将系统以 Web 形式输出，给用户展现更加真实的场景。本系统主要通过 3DS MAX 软件进行注水泵，仪表，管线，阀门等 具体模型的制作，仪表，注水泵，小窗口的贴图工作。展现了人物前进、后退、左右平移、检查仪表、开关阀门等控制功能。运用 Photoshop 软件对注水泵，仪表，小窗口模型材质进行优化。利用 Virtools 软件对系统流程进行脚本的编辑与场景的整合，最终达到理想的培训目的。 关键词：3DS MAX ；Virtools；虚拟现实；注水泵房； AbstractWith the rapid development of science and technology, virtual and reality technology mature gradually, the informationization construction has become the trend of The Times. Based on the knowledge of the oil field water injection pump room, the 3 d simulation technology is applied to simulation training in daqing oil field company. Using 3 ds MAX 3 d modeling and rendering technology, using Virtools animation script, at last the system output in the form of Web, give users a more realistic scenario. This system mainly through the 3 ds MAX software injection pumps, instrumentation, piping, valves and other concrete model of production, instrumentation, injection pumps, small window mapping work. Show the character forward, backward, left and right translation, inspection instrument, switch valve and control function. Use Photoshop software for injection pumps, instrumentation, small window model material optimization. Using Virtools software on the system integration process script editor and scene, eventually achieve the ideal training. Key words:3ds max;virtools;virtual reality; water injection pump room;I目 录第 1 章 绪 论 .11.1 系统开发的背景和意义 .11.2 国内外研究现状和发展趋势 .21.3 研究内容 .3第 2 章 注水泵房系统开发工具简介 .42.1 3DS Max 简介 .42.2 Virtools 简介 .5第 3 章 系统的总体设计 .63.1 注水泵房系统功能模块图 .63.2 注水泵房构建模块的设计 .73.3 注水泵房虚拟流程模块的设计 .8第 4 章 注水泵房系统的详细设计与实现 .94.1 注水泵房及相关设备的三维建模 .94.2 注水泵房模型的优化 .134.3 人物行走的设计与实现 .194.4 交互部分的设计与实现 .214.5 系统测试及分析 .25结 论 .27参考文献 .28致 谢 .291第 1 章 绪 论1.1 系统开发的背景和意义虚拟现实技术是一种高度逼真的模拟人在自然环境中的视、听、动等行为的人机界面技术，简单的说是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域 1。是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术的更高层次的集成和渗透。它能给用户以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律。提供了极大的便利。由于它的诱人前景，一经问世就立即受到人们的高度重视。这次设计首次将三维仿真技术应用到大庆油田公司的仿真培训中，给用户展现更加真实的场景 2。要创造美好的虚拟环境，首先要创建完美的虚拟场景，三维模型的构建是启动柱水泵前检查能够实现的基础，也是虚拟视景生成技术的一项重要研究内容。设计中三维模型的创建主要是通过 3DS MAX 来实现。近几年，国内外针对虚拟现实技术在远程设备监控和故障诊断方面的应用开展了许多研究。尽管研究众多，但将虚拟现实技术与智能培训演练系统相结合仍有很多制约，应用仍不是十分广泛，有必要进一步研究及拓展 3。传统培训模式的局限性制约了人们所期望的培训质量和培训效率，满足不了现代社会的需求。由于虚拟系统更能够为智能培训演练带来全新的变化，能更好的为油田工业生产提供服务，因此本课题的研究有十分重要的意义。本文利用先进的计算机技术开发一个面向油田工人的远程虚拟培训系统。与油田企业传统的培训方式相比，本文研究开发的培训系统使得油田工人接受培训学习不受时间和空间的限制，并且具有学习形式丰富多样、学习内容形象直观、无危险、方便等优点，不仅能在很大程度上提高对工人的培训效果，还有助于协调好生产与培训的时间分配问题，大大减少进行培训的组织管理工作及资金投入，具有很高的经济效益。21.2 国内外研究现状和发展趋势美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪 40 年代。最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。日本的虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有举足轻重的地位，它在建立大规模 VR 知识库和虚拟现实的游戏方面作出了很大的成就 4。在东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来，以便代替手来处理 CAD 中的三维形体模型；东京大学广濑研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性。我国虚拟现实技术研究起步比较晚，与国外虚拟现实技术还有一定的差距。但是现在已经引起了国家有关部门和科学家们的高度重视，并且根据我国国情制定了开展虚拟现实技术的研究计划，国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实列入了研究项目，国内许多重点院校，也都已积极投入到了这一领域的研究工作 5。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，其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等，并在以下方面取得进展：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部分硬件，并提出有关算法及实现方法。清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫” ，采用了 QuickTime 技术，实现大全景 VR 制；浙江大学 CADCG 国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等6。在虚拟现实环境中，用户应该能够以一种自然的方式与虚拟环境实时交互，包括感知环境并且干预环境，从而使用户有置身于真实环境中的真实感和沉浸感。基于虚拟现实技术的油田演练系统起步较晚，随着虚拟现实技术不断完善，虚拟现实技术被认为未来对石油工业产生重要影响的关键信息技术之一，近些年来，虚拟现实技术己经成为信息领域研究及开发应用的热点方向，在石油工业中同样能体现出虚拟现实技术的重要作用，尤其是在油藏模拟、海洋石油工程、特种作业培训以及数字油田等方面能够得到非常广泛的应用 7。中石油、中石化、中海油等国家大型石油公司逐渐认识到虚拟现实技术在石油行业有深远的发展意义，于是各大石油公司都建立起来自己的虚拟现实研究中心。31.3 研究内容虚拟现实技术的发展为注水泵房启动柱塞泵前检查演练系统注入了新的活力。利用虚拟现实的特性，使用者与虚拟环境中的各种对象相互作业，就如同在真实世界中一样 8。本人工作首先根据文档提取出来的信息去现场调研，包括拍摄大型压裂井场及相关工具设备的照片、对整个操作规程的操作过程录像等，利用3DS MAX 软件建立启动柱塞泵前检查的虚拟场景，使用户进入系统中有种身临其境之感，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；然后从 3DS MAX 中输出场景模型，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实现并发布。本文所研究的注水泵房启动柱塞泵前检查演练系统实现了利用虚拟现实技术对油田作业的安全操作进行仿真演练，有效地解决了油田重要设备及操作训练中的成本、安全和效果等问题 9。基于虚拟现实技术的交互性、沉浸性特性，利用该系统对员工进行培训，使用户可以在计算机上利用所构建的三维虚拟模型与系统进行交互操作。三维模型的创建主要是通过 3DS MAX 来实现，3DS MAX 建模的主要技术和方法，以及建模过程中经常出现的问题及解决方法，将该技术成功应用于虚拟场景的创建中，并利用 Virtools 软件对系统流程进行脚本的编辑与场景的整合，不仅可以训练员工熟悉油田作业的设备和环境，而且使油田作业安全知识的培训更加生动逼真，还可以使员工熟悉并掌握油田作业安全操作的正确原理和流程。4第 2 章 系统开发工具简介2.1 3DS Max 简介3D Studio Max，常简称为 3DS MAX 或 Max，是 Autodesk 公司开发的基于PC 系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio系列软件，最新版本是 2011。在 Windows NT 出现以前，工业级的 CG 制作被SGI 图形工作站所垄断。3D Studio Max + Windows NT 组合的出现一下子降低了CG 制作的门槛，首选开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如 X 战警 III 等 10。3DS MAX 是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，完全满足制作高质量动画、最新游戏、设计效果等领域的需要。它提供了强大的基于 Windows 平台的实时三维建模、渲染和动画设计等功能，被广泛应用于广告、影视、工业设计、多媒体制作及工程可视化领域。基于 3DS MAX 的图像处理技术极大地简化了图像处理的复杂过程，在三维动画制作方面发挥着巨大的作用。在应用范围方面，拥有强大功能的 3DS MAX 被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX 的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对 3DS MAX 的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把 3DS MAX 的功能发挥到了极至。3DS MAX 功能强大，开发界面友好，不但可以实现优质图像画面的快速运算、高速输出，还具有强大的特技效果、实时可视反馈等强大的功能，完全满足制作优质动画、各种游戏、设计效果等各领域的应用需要。3DS MAX 是世界上领先的实时三维数据库生成系统，它可以自由地将模型对象生成动画效果，通常用来进行战场仿真、娱乐仿真、城市仿真和计算可视化仿真，这种先进的技术由包括自动化的大型地形和三维人文景观产生器、道路产生器等强有力的集成选项来支撑，同时其中的实时可视反馈功能也为使用者提供视觉上的享受及修改上的便利 11。52.2 Virtools简介Virtools是一个创作应用程序，它可以将传统的三维模型，动画，图片和音乐等多媒体元素有机的结合起来并赋于它们生命，你可以使用它快速方便的创建包含丰富的三维交互内容的应用项目。Virtools 是3D 虚拟和互动技术的集成。 Virtools是法国达索公司出品的一款虚拟现实开发平台，它提供了可视化的流程控制脚本编辑界面，通过其提供的行为引擎，可方便的开发交互式三维仿真系统。Virtools由以下部分构成：创作应用程序、行为引擎、渲染引擎、 SDK12。（1）创作应用程序。为用户提供系统开发的编辑平台，用户可方便的进行资源整合与修改、可视化流程编辑、程序发布等操作。（2）渲染引擎。是Virtools的渲染功能模块，提供了分别支持 DirectX和OpenGL2.0的HLSL和CGFX渲染器；提供多种着色模式和光照模式；用户可以编写自己的渲染器。（3）行为引擎。在Virtools中一切可操作的对象都是一个行为物体，行为引擎提供了对这些行为物体的状态、动作等过程的行为控制。通过Virtools 提供的脚本编辑器和行为模块Building Blocks （BB），用户可方便的对行为物体创建所有的行为脚本。（4）SDK。提供二次开发的工具，通过SDK可以编写新的行为BB，修改和扩展现有的行为BB 和渲染器。虽然Virtools没有建模功能，但支持众多的三维文件格式，如：3DS MAX、Maya等。支持众多的VR 设备，利用VR Library可以制作沉浸式虚拟现实系统。同时Virtools还提供了较强的物理、人工智能模块 13。虽然Virtools没有建模功能，但支持众多的三维文件格式，如： 3DS MAX、 Maya等。支持众多的 VR设备，利用VR Library可以制作沉浸式虚拟现实系统。同时Virtools还提供了较强的物理、人工智能模块。渲染加速方面， Virtools提供了独特的PlacePortal 模式能够对渲染输出进行有效地优化。东北石油大学本科生毕业设计（论文）6第 3 章 系统的总体设计3.1 注水泵房系统功能模块图由于本系统是大型压裂三维交互演练系统，主要是负责加强学习者对操作过程及风险的熟悉和认知能力，以达到对新入职人员的培训和提高在职人员的安全意识。从功能模块图 3-1 可以清楚的认识到一些特点，首先应用鼠标识别技术，使学习者更加直观的认识操作物体；其次操作提示引导学习者按着正确的步骤操作，并且对于操作前的一些注意事项和操作中存在的风险在操作过程中适合的位置提示出来，更能加强学习效果；再者虚拟人物的添加，让整