基于Unity3D的車載修井裝備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)

白亞慧++張瑞杰++劉愛洋++張利軍++陳文濤

摘 要：為了使用戶對開發(fā)的新型修井裝備進(jìn)行直觀的了解，對車載式修井機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，開發(fā)了油田車載修井裝備的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用3DMax軟件對復(fù)雜的模型進(jìn)行優(yōu)化建模，材質(zhì)渲染，貼圖烘焙，使其能在短時間導(dǎo)入Unity3D并提高交互運(yùn)行速度。在Unity3D中構(gòu)建了車載修井機(jī)的虛擬工作環(huán)境。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中真實(shí)體現(xiàn)油管的扶正，對中，上卸扣等井口機(jī)械化運(yùn)動過程。整個系統(tǒng)操作簡單，環(huán)境真實(shí)，臨場感高，對新型產(chǎn)品的推廣具有一定價值。

關(guān)鍵詞：Unity3D 虛擬現(xiàn)實(shí) 修井裝備 車載

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0009-02

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計算機(jī)三維建模技術(shù)建造一個虛擬世界，給用戶提供一個觸覺，聽覺，視覺感官的模擬，讓使用者如同置身其中，可以任意觀察三維系統(tǒng)[1]。石油行業(yè)的作業(yè)設(shè)備巨大復(fù)雜，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程360度可視化。基于Unity3D的油田車載修井裝備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中創(chuàng)建了逼真的野外作業(yè)環(huán)境，用戶可以通過客戶端對修井裝備進(jìn)行操作，打破了以往視頻只能以特定角度進(jìn)行觀看的弊端，提高了人機(jī)交互性，使人的臨場感增強(qiáng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)制作主要分為三維模型制作和虛擬交互場景設(shè)置兩大部分[2]，分別由3DMax和Unity3D來完成實(shí)現(xiàn)。前期需要對修井裝備進(jìn)行學(xué)習(xí)與了解，然后進(jìn)行三維模型建立，材質(zhì)貼圖，燈光布置，動畫設(shè)置。接著就是交互場景的制作，其包括導(dǎo)入模型，地形設(shè)置，相機(jī)環(huán)境設(shè)置，交互設(shè)計以及發(fā)布等環(huán)節(jié)。

2 模型的建立

一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建立是極其復(fù)雜的，它用到了程序設(shè)計方法學(xué)以及計算機(jī)圖形學(xué)。為了體現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的實(shí)時，逼真，交互等特性，需要在較高的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。同時，考慮到經(jīng)濟(jì)性以及軟件的靈活性，我們采用了3DMax進(jìn)行模型的建立。3DMax具有豐富建模工具，UV貼圖調(diào)節(jié)功能，并且操作性強(qiáng)，制作模型逼真，質(zhì)感表現(xiàn)真實(shí)[3]。

在油田車載修井裝備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，對模型的要求較高。在前期建模階段如果對細(xì)節(jié)方面不注意，后期會出現(xiàn)諸多問題。首先是布線問題，對于整個修井裝備這個大型的機(jī)械來說，其整體包含許多個零件，因此，模型建立時在確保真實(shí)性的前提下，應(yīng)該進(jìn)行模型的優(yōu)化，用盡量少的線來完成模型的制作。否則，極大的數(shù)據(jù)量會影響虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，造成時實(shí)漫游以及導(dǎo)入困難等問題。其中，運(yùn)用到一個關(guān)鍵技巧是三角網(wǎng)格優(yōu)化算法。減少基本幾何體的分段數(shù)以節(jié)約面數(shù)，刪除場景中不可見的面，一個面最少可用三條線來表示，因此在不破壞面的完整性的情況下對模型進(jìn)行優(yōu)化可以減少數(shù)據(jù)量。其次就是命名問題，初學(xué)者容易將模型以中文名字命名，這樣造成以后導(dǎo)入Unity3D時不能識別。另外，導(dǎo)入的路徑不能有中文路徑，否則會造成導(dǎo)入錯誤。以其中抓取油管的機(jī)械手為例，機(jī)械手線模型如圖1所示。

模型完成后就要將質(zhì)感表現(xiàn)出來，在3DMax中給模型貼圖和賦材質(zhì)有幾種方法。首先是利用3DMax的基本材質(zhì)，通過對環(huán)境光，漫反射等的調(diào)節(jié)可以將大部分材質(zhì)表現(xiàn)出來，有時不容易表現(xiàn)的色彩等可以利用貼圖使渲染效果更加真實(shí)。另一方法是利用V-Ray—3DMax插件。在場景中使用該材質(zhì)能夠獲得更加準(zhǔn)確的物理照明（光能分布），更快的渲染，反射和折射參數(shù)調(diào)節(jié)更方便。使用VrayMtl，可以應(yīng)用不同的紋理貼圖，控制其反射和折射，增加凹凸貼圖和置換貼圖，強(qiáng)制直接全局照明計算，選擇用于材質(zhì)的BRDF。修井裝備車體材質(zhì)大多為金屬，且材質(zhì)種類少，因此材質(zhì)的表現(xiàn)相對簡單。車載修井裝備渲染圖如圖2所示。

3 Unity3D場景及交互設(shè)計

Unity3D中有一套非常好的地形編輯器，它可以讓開發(fā)者實(shí)現(xiàn)游戲中任何復(fù)雜的地形，還可以制作地形上的一些元素，比如樹木、草坪和石頭等[4]。選擇菜單 terrain—>create terrain，創(chuàng)建原始地形。選擇菜單 terrain—>flatten height map，設(shè)置地形高度，然后用地形菜單欄編輯地形。選擇畫筆后，在scene視圖中編輯地形，各種畫筆可以制造出高山與凹陷等地形。地形創(chuàng)建完成后開始放元素。這些元素與地形是分開的，主要包括樹木和草地。這些元素在場景中只起裝飾作用，目的是使環(huán)境更加真實(shí)，增強(qiáng)人的臨場感。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以發(fā)布成exe可執(zhí)行文件，通過網(wǎng)頁等形式供用戶進(jìn)行瀏覽，主界面如圖3所示。

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互的設(shè)計會增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感。簡單來說，好的人機(jī)界面是用戶不用看任何說明就能進(jìn)行操作。而此交互系統(tǒng)中，用戶交互瀏覽動作主要有兩種方式，一種是點(diǎn)擊按鈕瀏覽修井操作過程和各零件細(xì)節(jié)等，另一種就是點(diǎn)擊環(huán)境中的模型進(jìn)行瀏覽，這種交互式瀏覽能夠給用戶帶來更好的展示效果。

點(diǎn)擊按鈕模式很簡單，在虛擬現(xiàn)實(shí)操作界面中，桌面下方為操作界面，分為自由觀看、分步動畫、整體動畫、零件展示和操作介紹五大部分，點(diǎn)擊按鈕可進(jìn)行相應(yīng)操作。其中分步動畫包括井架上升、不壓井減震機(jī)構(gòu)下降、大臂下擺、機(jī)械手抓起油管、大臂上升、扶正機(jī)械手對正并下豎油管等。點(diǎn)擊模型的瀏覽模式很直觀，用戶可以通過鼠標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)擊改變視角。Unity3D中，通過鼠標(biāo)滾輪可以拉近視角，點(diǎn)擊右鍵拖動可以旋轉(zhuǎn)視角觀看場景。在修井裝備運(yùn)動的同時也可以改變視角，進(jìn)而清晰觀看修井動畫。

4 結(jié)語

文中實(shí)現(xiàn)了一個基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。用戶可以通過電腦顯示器自然地與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的物體進(jìn)行交互。其生動逼真的場景增加了人的臨場感，使用戶對修井裝備油管的扶正，上卸扣等井口機(jī)械化操作過程一目了然。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為修井裝備的研究與推廣起到積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d虛擬展示技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（9）：54-55.

[2] 陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（10）：1-4.

[3] 張云苑，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中3DS MAX建模的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2006（8）：189-190.

[4] 王亞萍，淺析unity3d 創(chuàng)建環(huán)境地形[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012，2（19）：171-175.endprint