基于Virtools的三维钻井视景仿真建模及应用

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基于Virtools的三维钻井视景仿真建模及应用

文章来源：网络作者：downey 发布时间：2012年07月19日点击数：次字号：小大

摘要 虚拟现实技术日新月异，有效并高质量的完成三维模型，并把模型应用于交互式系统中是虚拟现实技术中需要解决的重要问题。本文介绍了以3DS Max 建造三维模型，结合Virtools 技术实现搭建与控制交互式虚拟现实环境的方法。应用该方法完成了基于Virtools 环境下钻井模拟器视井仿真系统中的三维环境搭建。

1 引言

虚拟现实是一种先进的人机接口技术，它利用计算机生成三维的、基于感知信息的模拟环境，并使用户与虚拟环境进行交互。目前，虚拟现实技术已经广泛应用于军事模拟、视景仿真、虚拟漫游以及科学可视化等领域。基于油田钻井工作的特殊性，钻井模拟器作为虚拟培训的设备尤为重要。它采用虚拟现实技术，开发过程基于现代计算机控制技术、计算机仿真技术、计算机图形技术、计算机网络技术，并结合了钻井工程的实际工艺，改变了原有的钻井培训方法。钻井模拟器视景仿真系统是钻井模拟器的重要组成部分，主要作为三维场景的展现和钻井井场实时动画的模拟。

早期的钻井模拟器视景仿真系统采用3DS Max 建模，结合OpenGL 对三维模型进行控制。随着机械设备和工艺流程的处理日益复杂，系统的实时性及场景的可控性都不能有效的展现。因此，提出了一种基于3D 和Virtools 技术的虚拟开发方法，以Virtools 技术为平台将3D 模型及动画转化为Virtools 环境下可控的实时动画，较好地解决了问题。

2 技术概况

2.1 3DS Max 简介

3DS Max 是世界上使用较为广泛的3D 动画软件，可以进行三维建模、动画编辑、渲染，并且广泛应用于游戏开发、角色动画、电影视觉效果和设计行业领域。该软件功能强大，可扩展性好，在角色动画方面具有很大优势，可使用丰富的插件，方便开发。3DS Max 和其他软件配合流畅，新版本提供了新的接口技术和优化，极大改进了交互，明显提高了速度。

2.2 Virtools 简介

Virtools 是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS 所开发，其三维引擎已被微软Xbox 认可方便易用，应用领域广。

Virtools 包括：一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web 播放器、一个软件开发工具包。除了自身的3D/VR 开发平台Virtools Dev 以外，它还有以下五个可选模块以适合不同的应用：Physicx Pack 物理属性、VR Pack虚拟现实、AI Pack 人工职能、Xbox Kit 游戏开发、VirtoolsServer 服务器。

作为一种强大的三维开发工具，按照其功能的不同，Virtools 模块组可分为开发模块、生成模块和发布模块。开发模块包括创作应用程序和软件开发工具包；生成模块包括行为引擎和渲染引擎；发布模块包括EXE 文件生成器和Web发播放器，可以在单机上运行，Web 播放器可以建立基于C/S模式的网络虚拟环境。

3 3DS Max 模型创建

虚拟环境的建模是整个视景仿真系统建立的基础，主要包括：几何建模（Geometric Modeling）、运动建模（KinematicModeling）、物理建模（Physical Modeling）、对象行为建模（Object Behavior）以及模型分割（Model Segmentation）等。

钻井模拟器视景仿真系统中虚拟环境的实现过程基本分为三步：第一步是几何建模，主要包括用多边形或三角形构成对象的立体外形；第二步是物理建模，主要包括对几何建模的结果进行纹理、颜色、光照等处理；第三步是具体程序控制，主要通过运动建模的方法实现虚拟环境下的物体运动模拟，采用对象行为建模和模型分割的方法提高了整体环境下模型运动的真实感和灵活性。

3DS Max 的几何建模方法主要有多边形（Polygon）建模、非均匀有理B 样条曲线建模（NURBS）、细分曲面技术建模（SubdiVision Surface）。通常建立一个模型可以分别通过以下几种方法得到，但有优劣、繁简之分。在钻井模拟器视景仿真系统的模型制作过程中使用的主要建模方法和技术为：基本物体（Primitive Object）法及扩展物体（Extended Primitive）法构建基本几何体模型，再通过修改器（Modify）修改加工成需要的模型；运用放样（Loft）法，非均匀有理B 样条曲线（NURBS）法生成表面比较复杂的曲面；运用细分曲面技术得到光滑程度高的模型细节；运用布尔（Boolean）运算法，生成结构比较复杂的模型；运用贴图给模型赋予材质，使模型具有颜色、反光度、透明度等光学特性；给模型赋以纹理（Texture）增加真实感；注重模型优化环节，在模型表面具有同样平滑度的情况下，尽量减少顶点（Vertices）和面数（Faces），以降低模型的复杂度。

图1

4 模型在Virtools 中的使用

4.1 Virtools 环境下模型的导入

将3DS Max 中制作的模型导入到Virtools 中之前，需要在3DS Max 中安装3dMax Explorer.exe 文件。通过该软件把3DS Max 中构建的模型以.nmo 的格式输出。.nmo 文件是Virtools 默认的用于存储角色和场景以及物体等信息的文件格式，其中包含了一个或者多个单元信息，也包括了将要在Virtools 中使用的相关动画脚本。然后将对应的.nmo 文件导入到Virtools 中，添加实行交互的模块脚本。在项目保存成可编辑的工程文件.cmo 文件，或者只读工程文件.vmo 后，可通过Virtools 自带的程序开发包SDK 进行应用程序开发。

由于Virtools 不是三维制作软件，在导出时，模型要进行相应的信息转换。可以从3DS Max 中导出的元素包括标准网格和面片网格组成的几何体，材质，各类标准灯光类型，摄像机，3D Frame 方式导入的虚拟体，动画，以及样条线。

4.2 角色模型及动画的导出

输出的模型主要分为三种：Export as Objects 通常用于输出场景；Export as a Character 用于输出带有动画的角色模型；Export Animation Only 只是输出角色动画脚本，在VirtoolsDevelopment 中添加不同的角色动画进行行为交互。

成功的导出角色模型和动画，需要注意动画制作的细节。输出的动画不能涉及到中心点有变化的动画，否则会在Virtools Dev 执行动画时出错；建议使用Bezier、Linear 或者TCB 动画形式，有益于动画的编译；在3DS Max 中制作的动画不能有添加和删除的情况，否则无法被Virtools Dev 识别；要对关键帧进行处理，保证骨骼蒙皮正常，使得动画正确且连贯。

图2