解析基于虚拟现实技术的三维输气管道仿真培训系统

2019-07-14

探索科学(学术版) 2019年10期

中国石油天然气股份有限公司管道中原输油气分公司德州培训基地山东德州 253020

当前,我国管道业务的发展进程十分快速,其技术的进步也十分显著,这使得管道业务的培训工作面临着越发显著的挑战。基于此点,迫切需要建立一个完备的学习指导平台,能够有效的去提升作业人员对于技术与设备的使用熟练度,进而提升管道业务的质量。

一、虚拟现实技术的基本概念

虚拟现实技术是当前最为流行的科学技术之一,是一种综合计算机图形学、多媒体学、传感学、遥感学以及仿真学的人工智能性的技术,其实质是一种系统仿真技术的进一步产物。而虚拟现实技术能够好地将人类与实际自然之间提供一种互通的体验接口,利用虚拟环境的现实模拟,能够更好地将实现人们对于事实体环境的操作,通过改变虚拟的环境,进而达到模拟现实改变现实的最终目的。此类的虚拟现实技术能够将现如今的二维计算机世界变成三维立体的世界,更具有感知性、沉浸感、构想性[1]等色彩,彻底改变了原有的二维世界。

二、基于虚拟现实技术的培训系统设计

(一)场景的模型构建。对于三维立体的场景模型构建,当是选用3DMax等几何建模的软件,分场景构建虚拟的输气管道仿真,以更细致的场景构建来达到培训的效果。

(二)三维引擎的查看。三维引擎的查看是虚拟现实技术投入使用的核心工具,建设完整体的建模场景后,需要进行整体的查漏补缺,反复测试虚拟场景与现实之间的偏差,以此来达到更高的仿真效果。而现在市面上有很多类似的3D引擎,具有渲染效果、用户制定以及版本的扩展性等优点的引擎便是Unity3D[2]。

(三)系统的功能设计。该平台仿真系统从功能方面主要实现了沉浸式的虚拟访问、输气站三维交互的操作,能够通过AR等三维投影的设备进行全景的展示。

(四)平台系统的发布。当仿真系统开发完成后,需要将整个系统进行线下的测试,进行系统的打包上传,当内部用户和开发员进行完整测试后,进行系统的上线,进而使得其他用户进行系统的使用,避免更多的漏洞出现。

三、基于虚拟现实技术的培训系统的架构

(一)系统的硬件架构。该虚拟仿真培训系统应当是C/S模式,仅用于企业内部的培训,按照C/S的架构设置服务器与培训终端,在其终端位置设置相应的培训系统软件与模型,其主界面是由终端位置进行完成,交换数据通过网络与服务器进行传输交互,同时也可以设置相关的远程访问功能,对于已经授权的用户也可以在B/S的模式下进行远程的访问。

(二)系统的软件架构。该虚拟仿真培训系统的软件架构通过集成软件平台[3]、三维建模平台、三维引擎平台、仿真系统平台、多媒体播放品台以及控制平台等所构成,也可以实现多种用户平台的功能。

四、三维管道仿真培训系统的关键技术实现

(一)基于虚拟场景的漫游技术。基于虚拟场景的漫游技术通常将已经搭建好的三维场景进行导入,通过简单地设置进行基础性的漫游,为开发虚拟场景的用户节省了大部分的时间与费用。而对于三维管道的仿真培训系统,其模型的搭建是最艰难的环节,其模型构建的越复杂,其观测漫游的实时效果也就越差。这主要是其虚拟现实当视野发生变化后人眼的场景也会随之变化,而目前的漫游软件难以达到复杂场景绘制的速度需要,因此这就需要去削减其管道的复杂性,但是又会让用户跳脱出真实感。基于此点,就需要在复杂度与测绘度进行一个折中的决策,以此来更好的实现三维管道的仿真。

(二)基于虚拟场景的图像显示技术。对于三维管道仿真系统的关键技术还包含着图像的显示技术,这类的仿真培训系统对于建模的真实感要求十分高,因此,其图像的显示技术也在不断地升级之中,从建模的图像中抽出纹理和光照的信息,进而快速构建出真实感的模型,加上真实的建模参数,使得其建模的图像显示更加真实,更利于全方位的3D漫游。

(三)图形纹理映射的技术。图形的纹理映射技术适用于生成物体表面的纹理细节,是真实图感的一种组成部分,也是计算机科学的主要研究方向之一。它包含着二维纹理和三维纹理,而对于管道的纹理映射则是三维纹理,通过对真实的管道进行逐层的图形分解,能够有效的去深入管道表面细节之处,但是这所需要的内存空间十分巨大,也会影响其运行的内存速度,其图像的纹理处理也会很慢。