1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的人機(jī)接口技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成三維的、基于感知信息的模擬環(huán)境，并使用戶與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事模擬、視景仿真、虛擬漫游以及科學(xué)可視化等領(lǐng)域。基于油田鉆井工作的特殊性，鉆井模擬器作為虛擬培訓(xùn)的設(shè)備尤為重要。它采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)過(guò)程基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實(shí)際工藝，改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)是鉆井模擬器的重要組成部分，主要作為三維場(chǎng)景的展現(xiàn)和鉆井井場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)的模擬。

早期的鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)采用3DS Max 建模，結(jié)合OpenGL 對(duì)三維模型進(jìn)行控制。隨著機(jī)械設(shè)備和工藝流程的處理日益復(fù)雜，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及場(chǎng)景的可控性都不能有效的展現(xiàn)。因此，提出了一種基于3D 和Virtools 技術(shù)的虛擬開(kāi)發(fā)方法，以Virtools 技術(shù)為平臺(tái)將3D 模型及動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)化為Virtools 環(huán)境下可控的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，較好地解決了問(wèn)題。

2 技術(shù)概況

2.1 3DS Max 簡(jiǎn)介

3DS Max 是世界上使用較為廣泛的3D 動(dòng)畫(huà)軟件，可以進(jìn)行三維建模、動(dòng)畫(huà)編輯、渲染，并且廣泛應(yīng)用于游戲開(kāi)發(fā)、角色動(dòng)畫(huà)、電影視覺(jué)效果和設(shè)計(jì)行業(yè)領(lǐng)域。該軟件功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性好，在角色動(dòng)畫(huà)方面具有很大優(yōu)勢(shì)，可使用豐富的插件，方便開(kāi)發(fā)。3DS Max 和其他軟件配合流暢，新版本提供了新的接口技術(shù)和優(yōu)化，極大改進(jìn)了交互，明顯提高了速度。

2.2 Virtools 簡(jiǎn)介

Virtools 是由法國(guó)全球交互三維開(kāi)發(fā)解決方案公司VIRTOOLS 所開(kāi)發(fā)，其三維引擎已被微軟Xbox 認(rèn)可方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣。

Virtools 包括：一個(gè)創(chuàng)作應(yīng)用程序、一個(gè)動(dòng)作引擎、一個(gè)渲染引擎、一個(gè)Web 播放器、一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包。除了自身的3D/VR 開(kāi)發(fā)平臺(tái)Virtools Dev 以外，它還有以下五個(gè)可選模塊以適合不同的應(yīng)用：Physicx Pack 物理屬性、VR Pack虛擬現(xiàn)實(shí)、AI Pack 人工職能、Xbox Kit 游戲開(kāi)發(fā)、VirtoolsServer 服務(wù)器。

作為一種強(qiáng)大的三維開(kāi)發(fā)工具，按照其功能的不同，Virtools 模塊組可分為開(kāi)發(fā)模塊、生成模塊和發(fā)布模塊。開(kāi)發(fā)模塊包括創(chuàng)作應(yīng)用程序和軟件開(kāi)發(fā)工具包；生成模塊包括行為引擎和渲染引擎；發(fā)布模塊包括EXE 文件生成器和Web發(fā)播放器，可以在單機(jī)上運(yùn)行，Web 播放器可以建立基于C/S模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境。

3 3DS Max 模型創(chuàng)建

虛擬環(huán)境的建模是整個(gè)視景仿真系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括：幾何建模（Geometric Modeling）、運(yùn)動(dòng)建模（KinematicModeling）、物理建模（Physical Modeling）、對(duì)象行為建模（Object Behavior）以及模型分割（Model Segmentation）等。

鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)中虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本分為三步：第一步是幾何建模，主要包括用多邊形或三角形構(gòu)成對(duì)象的立體外形；第二步是物理建模，主要包括對(duì)幾何建模的結(jié)果進(jìn)行紋理、顏色、光照等處理；第三步是具體程序控制，主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)建模的方法實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的物體運(yùn)動(dòng)模擬，采用對(duì)象行為建模和模型分割的方法提高了整體環(huán)境下模型運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感和靈活性。

3DS Max 的幾何建模方法主要有多邊形（Polygon）建模、非均勻有理B 樣條曲線建模（NURBS）、細(xì)分曲面技術(shù)建模（SubdiVision Surface）。通常建立一個(gè)模型可以分別通過(guò)以下幾種方法得到，但有優(yōu)劣、繁簡(jiǎn)之分。在鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的模型制作過(guò)程中使用的主要建模方法和技術(shù)為：基本物體（Primitive Object）法及擴(kuò)展物體（Extended Primitive）法構(gòu)建基本幾何體模型，再通過(guò)修改器（Modify）修改加工成需要的模型；運(yùn)用放樣（Loft）法，非均勻有理B 樣條曲線（NURBS）法生成表面比較復(fù)雜的曲面；運(yùn)用細(xì)分曲面技術(shù)得到光滑程度高的模型細(xì)節(jié)；運(yùn)用布爾（Boolean）運(yùn)算法，生成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型；運(yùn)用貼圖給模型賦予材質(zhì)，使模型具有顏色、反光度、透明度等光學(xué)特性；給模型賦以紋理（Texture）增加真實(shí)感；注重模型優(yōu)化環(huán)節(jié)，在模型表面具有同樣平滑度的情況下，盡量減少頂點(diǎn)（Vertices）和面數(shù)（Faces），以降低模型的復(fù)雜度。

 
圖1

4 模型在Virtools 中的使用

4.1 Virtools 環(huán)境下模型的導(dǎo)入

將3DS Max 中制作的模型導(dǎo)入到Virtools 中之前，需要在3DS Max 中安裝3dMax Explorer.exe 文件。通過(guò)該軟件把3DS Max 中構(gòu)建的模型以.nmo 的格式輸出。.nmo 文件是Virtools 默認(rèn)的用于存儲(chǔ)角色和場(chǎng)景以及物體等信息的文件格式，其中包含了一個(gè)或者多個(gè)單元信息，也包括了將要在Virtools 中使用的相關(guān)動(dòng)畫(huà)腳本。然后將對(duì)應(yīng)的.nmo 文件導(dǎo)入到Virtools 中，添加實(shí)行交互的模塊腳本。在項(xiàng)目保存成可編輯的工程文件.cmo 文件，或者只讀工程文件.vmo 后，可通過(guò)Virtools 自帶的程序開(kāi)發(fā)包SDK 進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

由于Virtools 不是三維制作軟件，在導(dǎo)出時(shí)，模型要進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換?？梢詮?DS Max 中導(dǎo)出的元素包括標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格和面片網(wǎng)格組成的幾何體，材質(zhì)，各類標(biāo)準(zhǔn)燈光類型，攝像機(jī)，3D Frame 方式導(dǎo)入的虛擬體，動(dòng)畫(huà)，以及樣條線。

4.2 角色模型及動(dòng)畫(huà)的導(dǎo)出

輸出的模型主要分為三種：Export as Objects 通常用于輸出場(chǎng)景；Export as a Character 用于輸出帶有動(dòng)畫(huà)的角色模型；Export Animation Only 只是輸出角色動(dòng)畫(huà)腳本，在VirtoolsDevelopment 中添加不同的角色動(dòng)畫(huà)進(jìn)行行為交互。

成功的導(dǎo)出角色模型和動(dòng)畫(huà)，需要注意動(dòng)畫(huà)制作的細(xì)節(jié)。輸出的動(dòng)畫(huà)不能涉及到中心點(diǎn)有變化的動(dòng)畫(huà)，否則會(huì)在Virtools Dev 執(zhí)行動(dòng)畫(huà)時(shí)出錯(cuò)；建議使用Bezier、Linear 或者TCB 動(dòng)畫(huà)形式，有益于動(dòng)畫(huà)的編譯；在3DS Max 中制作的動(dòng)畫(huà)不能有添加和刪除的情況，否則無(wú)法被Virtools Dev 識(shí)別；要對(duì)關(guān)鍵幀進(jìn)行處理，保證骨骼蒙皮正常，使得動(dòng)畫(huà)正確且連貫。

 
圖2

5 結(jié)束語(yǔ)

基于3DS Max 的三維模型制作，結(jié)合Virtools 環(huán)境是進(jìn)行交互式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研發(fā)的有效方法，該方法在鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用取得了良好的效果。在環(huán)境漫游、動(dòng)畫(huà)控制，場(chǎng)景交互等方面展現(xiàn)突出的優(yōu)勢(shì)。

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