文献综述报告(硕士)赵波.doc

哈尔滨工程大学研究生文献综述报告成绩单学号S312070016姓名赵波指导教师祝海涛专业机械制造及其自动化研究方向虚拟制造技术拟定论文题目基于Virtools的石油机械交互式仿真训练系统文献阅读成绩文献综述成绩总成绩导师评语：导师签名：祝海涛 2013年 11月 19日1研究的目的、意义随着全球化市场竞争的加剧，企业设备成本和人员成本在企业支出中的比例越来越大，企业一直寻找减少成本的方法。由于计算机软硬件的飞速发展，计算机图形处理技术获得了迅速的发展并形成新的学科，因此使用单一的数字原型代替众多的实体原型成为企业减少成本的首选。其中数字原型指利用计算机图形处理技术设计能取代实体原型的虚拟化模型，利用先进的虚拟仿真技术，使用数字原型完全取代实体原型来进行研发工作是十分便利的。钻井工程行业中也有这样的趋势，众所周知，在石油行业内，钻井工程在石油勘探、开发过程中占据非常重要的位置。钻井工程施工是否顺利，直接影响油气田的勘探、开发效率。随着开采难度的加大和自然环境的因素，石油开采过程中各种作业工艺越来越复杂，因此如何使钻井工人快速而且正确的掌握安全操作成为当今油田作业培训的首要任务，而传统的钻井培训方法无非是教师讲解、观看图片动画、钻井模拟现场演练和真实现场操作1，这几种方式存在明显的弊端：1.培训效果不明显。由于采用教师单方面的讲解，学员很难真正体会钻井工程中的操作感受，培训不能达到预期的目标；2.培训成本高。建立钻井模拟现场的成本比较高，演练的场地和时间受到很多限制；3.安全无法保障。如果采用真实钻井现场，学员很难有较高的安全意识，如果发生安全事故，后果不堪设想。现阶段，以网络培训为代表的培训技术在钻井工人培训中比重加大，但是培训系统大多为文字、动画和简单的漫游演示系统，无法实现实时交互式操作功能。而现有的钻井仿真系统一般是基于动画形式或者采用OpenGL、flash等软件编写的，这种仿真系统只是在计算机上通过键盘、鼠标的操作，来达到交互性的目的，交互性能不是很强，而且画面沉浸感不高，与真实环境差别很大，学员并不能通过这种方法快速的掌握钻井工艺。2国内外研究现状及虚拟现实关键技术2.1国外研究现状分析将虚拟现实技术应用到钻井仿真系统的研究比虚拟现实在其他领域研究起步的晚的多，近几年在石油勘探开发领域，勘探开发的主要对象油气藏越来越复杂，面对复杂的油气藏系统，科学的开发决策成为重中之重，基于虚拟现实技术的特点，将其引入石油勘探开发领域十分有必要。目前虚拟现实技术已经在国外应用于实际生产中，主要包括2地震资料解释、储层模型建立、钻井轨迹设计、海上平台设计以及多学科工作组的协同等工作，有效地提高了工作效率和成果的准确性。虚拟现实技术的应用能够让用户浏览、解释和管理地质、地球物理、岩石物性、钻井轨迹和油藏工程等不同类型的数据，对复杂油层地质产生三维直观印象。对复杂油藏的构成、存在的问题提出有效的解决方案，缩短了决策时间，使决策更加准确。1997年，世界上第一个油气工业专用的虚拟现实中心在美国休斯顿建成，这套系统应用在实时钻井勘探分析、钻井设计、钻井轨迹跟踪，提高了钻井勘探的准确性和钻井速度，进而产生了巨大的经济效益。近两年，随着虚拟现实技术的不断发展，石油行业认识到虚拟现实技术投入到石油开采行业，有很可观的现实意义，国际上著名石油公司相继推出各自产品：1.Texaco公司在美国休斯敦建成世界上第一个油气工业专用的虚拟现实中心；2.美国加州ROV公司开发的TROV的可遥控远程作业车，可通过VR系统生产一个实时的“海底作业环境”，在海洋钻井中应用广泛；3. Paradigm公司的VoxelGeo，它是一套真三维地震解释系统；4.加拿大Gemcom Software International公司开发的Gemcom软件，可以通过钻孔、多边形数据，利用图像编辑和生成工具，显示钻孔孔位分布，并且提供交互性功能，允许用户勾画地质模型。2.2国内研究现状分析在我国，基于虚拟现实技术的钻井仿真系统起步较晚，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，中石油、中石化、中海油等几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。1.2003年中国石化石油勘探开发研究院建成投产了中国石油工业第一个大型虚拟现实中心“PetroOne”系统。已经初见成效的解决了塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层预测这一世界性难题。该系统安装至今已陆续完成了多块三维地震资料的综合评价和井位论证工作。在鄂尔多斯盆地低孔低渗藏开发准备井研究项目中，该系统充分发挥了虚拟现实系统实时、交互、高效的优点，取得了显著的应用效果；2.2006年9月，中海油首个虚拟现实中心在中海油天津分公司建立，虚拟现实中心在协调工作和生产指挥方面发展有效作用；3.2007年中海油再建3个虚拟现实中心，为勘探开发综合决策提供崭新环境；4. 中石油东方地球物理公司大港研究院建立虚拟现实系统。 虽然这几家大型石油公司逐步建立起自己的虚拟现实中心，但是由于虚拟现实系统的建设成本较高，导致虚拟现实技术的应用还不普及，国内石油勘探开发领域至今尚未全面应用该项技术。2.3虚拟现实的关键技术 虚拟现实技术一种多技术的融合，它将真实世界的多维信息映射到计算机空间，虚拟现实技术包括了计算机图像技术、广角立体显示技术、目标识别、跟踪技术、传感器技术、交互技术、语音视频输入输出技术等，本节着重介绍一下模型构建技术、交互技术、传感器技术和语音识别技术：1.模型构建技术：虚拟现实系统场景真实性好坏，沉浸感是否强烈，都依赖于模型构建是否逼真，基本模型的构建是生成虚拟世界的基础，目前建模方式多种多样，可以采用OpenGL、DirectX等图形库进行建模，也可以使用高级建模软件如Maya、3D MAX、AutoCAD进行建模。2.交互技术：评价虚拟现实系统的优良一个重要方面就是交互性能3-9，如果用户和虚拟环境交互性强，则更能形象的模拟真实的环境。在用户和计算机的简单交互中，主要应用鼠标、键盘工具，如果对系统性能要求较高，还可以使用数据头盔、数据手套等高级的设备跟虚拟环境进行交换。使用数据头盔、数据手套可以跟踪来改变图像的视角，将用户的视觉系统和运动感知系统联系起来，使感觉更加逼真。另外，用户还可以通过头部的运动去观察环境，仿佛在真实环境一样，犹如身临其境的感觉。3.传感器技术：在真实世界里，如果用户想抓取一个杯子是一件很容易的事情，可在虚拟世界中却是一个相当复杂的事情，需要用到传感器技术才能办到。在真实世界里，经常会感受到压力、重力，以及物体的反作用力，而在虚拟现实系统中，我们要用到触觉传感器才能感觉得到，用户利用传感器技术直接操作虚拟物体，会感受到虚拟物体的反作用力，从而有身临其境的感觉。4.语音识别技术：在虚拟现实系统中，除了可以采用传感器技术达到交互性目的，还可以使用语音识别技术。但是让计算机识别人的语言是相当困难的，使用自然语言进行计算机语音识别目前主要有两个问题：效率问题和正确性问题。效率问题：由于自然语言的复杂性，如连续语音中词与词之间没有明显的停顿，同一词、同一字的发音受前后词、字的影响，不仅不同人说同一词会有所不同，就是同一人发音也会受心理、生理和环境的影响而有所不同。计算机需要进行大量的计算，才能够正确分析自然语言；正确性问题：由于计算机的人工智能不是很高，正确性问题成为影响虚拟现实系统真实性的一个问题。3基于Virtools的钻井井场虚拟环境建模技术研究3.1Virtools开发环境Virtools10-14是由全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发，Virtools虚拟现实平台属于高端的虚拟现实软件，近年来已经被广泛的应用到游戏、工业仿真、漫游、医学等领域。Virtools基本上是一种图形化的编程语言，它已经把很多函数集合成一个行为模块，每个行为模块有特定的功能，比如说平移、旋转，这些行为模块类似于面向对象程序设计中的类，行为模块把函数都封装在这些类的内部，对外不可见，犹如C+、java中的private私有函数，只留有几个公共参数供使用者进行设置，因此可以把行为模块看做类或函数的二次开发，同时之所以说基本上是因为它也是可以使用类似C语言的VSL(Virtools脚本语言)进行高级编程，也可以使用SDK对行为模块进行开发。在某些场合，使用SDK进行模块的开发比使用Virtools自身带的行为模块更方便，是否使用SDK，完全在于功能的需求。Virtools有完善的组成结构：应用程序(Application)、行为引擎(Behavioral Engine)、渲染引擎(Render Engine)、网络播放器(WebPlayer)、Virtools脚本语言(VirtoolsScriptLanguage)和软件开发工具包(Software Development Kit)。3.2三维井场虚拟环境建模技术路线 三维井场虚拟环境建模过程主要有四个步骤,分别为:模型的创建与优化、模型的导入、模型的控制、系统的发布15-18。1.模型的创建与优化。模型的创建采用建模软件创建的方式，目前建模软 件有3DMAX、MAYA、SolidWorks等等，根据系统的要求，本文采用3DMAX建模软件。在模型导入之前需要对模型进行优化处理，优化之后的模型占据内存空间更小，系统运行速度才能更快； 2.模型的导入。3DMAX格式的文件无法被Virtools虚拟环境读取，只有通过采用其他方式将3DMAX文件格式转换成NMO格式才能被Virtools虚拟环境 平台识别，所以本文采用Max2Virtools插件将模型文件类型转换成Virtools能正确读取的格式； 3.模型的控制。整个环境建模最重要的步骤是模型的控制,系统所有功能 全在控制设计中完成。与传统的虚拟环境不同19-30，虚拟现实技术能够实现交互性控 制，比如通过鼠标、键盘控制三维场景中物体的平移、旋转、缩放，还可以通过数据手套、数据头盔等输入设备动态交互性控制三维场景中的物体； 4.模型的发布。模型控制设计完成之后，为了使系统能够正常被用户使用，必须发布系统，使系统成为独立的软件，在任何一台电脑都能正常使用。Virt ools模型发布很很多方法，最普遍的方式是使用打包工具，生成可执行程序 ， 还可以安装Virtools Web Player来打开NMO格式文件31-40。 3.3三维立体投影及边缘融合三维立体投影包括两种立体投影方式：主动式立体和被动式立体。主动式立体采用单台投影机。要求计算机连续不断地生成左眼、右眼的图像，同时投影机也不断地交替投影出左眼、右眼的图像。而观察者需要戴一副由红外发射器控制的LCD液晶光阀眼镜，以保持与投影机的同步。当投影机显示左眼的图像时，红外发射器发出同步信号，眼镜的右眼光阀关闭，这样左眼只能看到投影机投射出的左眼的图像，反之亦然。由于单台投影机要同时投射左眼、右眼的图像，单眼图像的显示频率只有显示器图像刷新率的一半。显示器件的图像刷新不足，则很容易产生闪烁感。研究表明50Hz是人眼可以明显察觉闪烁感得临界值，因此显示器件的刷新频率必须高于100Hz，以保证观察者在观看时不能出现闪烁。 主动立体投影由于采用了单接口120Hz输入，因此工作在非3D内容模式时自动就变成2D显示，不会出现被动立体在2D显示时还需设置或软件弥补的问题。 主动立体技术对环境依赖较低，在相同条件下的实现效果更加优秀，同时主动立体技术不需要被动偏振技术所必须的金属非极化幕布系统，环境依赖性低的优势是显而易见的。主动立体的特点：1.使用普通屏幕，即使是白墙也可以2.色彩还原真实3.对投影机的刷新率要求高（120Hz）4.主动立体眼镜重量大，造价相比较高5.红外发射器要覆盖所有观众区域被动式立体需要两台投影机。一台投影机显示左眼的图像，另一台投影机显示右眼的图像，使这略有差别的两幅图像重叠在屏幕上。而每台投影机不需要具有很高的垂直刷新率，普通投影机即可（60Hz）。这时如果用眼睛直接观看,看到的画面是模糊不清的,要看到立体效果，就要在每台投影机镜头前装一块偏振片,它的作用相当于起偏器。从两台投影机射出的光,通过偏振片后,就成了偏振光。两台投影机前的偏振片的偏振化方向互相垂直,因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。这两束偏振光投射到屏幕上再反射到观众处,偏振光方向不改变。观众用上述的偏振眼镜观看, 偏光镜通过将发散光线分成45度和135度位面来完成左右眼信息的区分，每只眼睛只看到相应的偏振光图象,即左眼只能看到左机映出的画面,右眼只能看到右机映出的画面,这样就会像直接观看那样产生立体感觉。但是大多数被动投影需要借助更多台的投影机（一般为投影通道数的两倍，也有部分技术可以减少如RealD技术，利用偏振结合专利的z-screen但是其代价高昂，应用也有不少限制），更多通道的融合机，同时这种实现方案对投影屏幕有特殊要求，需要高增益、抗偏振的屏幕。被动3D系统也有独特的优势，由于运用两个投影的迭加，光强比较容易做好，同时眼镜的成本优势大，如果观众人数达到上百人的场合，被动投影的优势就体现出来。同时被动投影的眼镜可以做到很轻薄，有利于观众佩戴，回收使用成本也比较低。被动立体的特点：1.使用高增益的金属幕对融合不利2.色彩还原不如主动立体3.对投影机要求低，任何投影机都可以胜任4.立体眼镜造价低5.无红外发射器边缘融合技术就是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙更加明亮，超大，高分辨率的整幅画面，画面的效果就象是一台投影机投射的画面。当二台或多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影象灯泡重叠，边缘融合的最主要功能就是把二台投影机重叠部分的灯光亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。3.4Virtools网络监控技术研究随着网络技术的发展，网络教学的应用越来越广泛。由于是远程电脑操作，使得授课者对授课对象的实时监控和指导变得相对困难，基于此，在利用Virtools软件对三维模型进行驱动的基础上，在VC环境下进行编程，使授课对象可以通过网络将自己对虚拟文件的实时操作过程发送到授课终端，从而实现了网络监控。Virtools是由一系列预先已设定好的组件构成组件数据库。其中，每种组件都具有一个相应的Setup面板供用户做进一步的设定动作。Virtools 里的每个组件都可以被指定独立的行为交互模块与属性。所涉及的网络监控是指由一台监控机通过网络观察另外一台或两台操作机实时操作情况的情况。操作机可以将本地操作环境和操作动作实时地传送到监控机，监控机可以根据操作机数量的多少为每个操作机分配相应的窗口，使监控机可以看到操作机的操作情况，从而实现网络监控，4总结针对上述问题，提出了一种将虚拟现实技术应用到钻井仿真中的方法。虚拟现实技术有着良好的交互性、沉浸性、利用虚拟现实技术的这些优势，构建一套三维井场虚拟环境，能够让学员快速掌握钻井井场的所有操作41-50。通过本项目的设计与开发，可以将虚拟培训技术有机地结合进来，为用户提供一个逼真的三维虚拟空间，使得用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的操作使用方法。5 参考文献1刘贤梅，郝爱民.油田安全作业虚拟仿真训练系统研究J .系统仿真学报2006,18(11): 3082- 3087 2尤宏军.虚拟现实技术及其在石油勘探开发中的应用J .实验与技术, 2007,23(9):785-787 3高伟.钻井井场虚拟环境建模技术研究D.东营:中国石油大学, 2008,13-14 4薛涵.基于VIRTOOLS的汽车驾驶仿真系统研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2 007,13-16 5成玲.计算机动画技术及其在钻井井控模拟中的应用D青岛:青岛科技大学, 2 007,20-30 6王乐，陈定方，尹念东.基于VIRTOOLS的分布式虚拟现实技术研究J.湖北工业大学学报, 2005,20(3):22-25 7王乐.基于VIRTOOLS的分布式VR的网络技术研究D武汉:武汉理工大 学,2006，35-40 8 Loftin R B. 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