基于Unity3D的車載修井裝備虛擬現實系統開發

白亞慧++張瑞杰++劉愛洋++張利軍++陳文濤

摘 要：為了使用戶對開發的新型修井裝備進行直觀的了解，對車載式修井機進行了詳細的研究，開發了油田車載修井裝備的虛擬現實系統。利用3DMax軟件對復雜的模型進行優化建模，材質渲染，貼圖烘焙，使其能在短時間導入Unity3D并提高交互運行速度。在Unity3D中構建了車載修井機的虛擬工作環境。該系統實現了在虛擬環境中真實體現油管的扶正，對中，上卸扣等井口機械化運動過程。整個系統操作簡單，環境真實，臨場感高，對新型產品的推廣具有一定價值。

關鍵詞：Unity3D 虛擬現實 修井裝備 車載

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

1 虛擬現實系統概述

虛擬現實是利用計算機三維建模技術建造一個虛擬世界，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[1]。石油行業的作業設備巨大復雜，引入虛擬現實技術可以實現作業過程360度可視化。基于Unity3D的油田車載修井裝備虛擬現實系統中創建了逼真的野外作業環境，用戶可以通過客戶端對修井裝備進行操作，打破了以往視頻只能以特定角度進行觀看的弊端，提高了人機交互性，使人的臨場感增強。

虛擬現實系統制作主要分為三維模型制作和虛擬交互場景設置兩大部分[2]，分別由3DMax和Unity3D來完成實現。前期需要對修井裝備進行學習與了解，然后進行三維模型建立，材質貼圖，燈光布置，動畫設置。接著就是交互場景的制作，其包括導入模型，地形設置，相機環境設置，交互設計以及發布等環節。

2 模型的建立

一個虛擬現實系統的建立是極其復雜的，它用到了程序設計方法學以及計算機圖形學。為了體現虛擬系統的實時，逼真，交互等特性，需要在較高的開發環境中進行。同時，考慮到經濟性以及軟件的靈活性，我們采用了3DMax進行模型的建立。3DMax具有豐富建模工具，UV貼圖調節功能，并且操作性強，制作模型逼真，質感表現真實[3]。

在油田車載修井裝備虛擬現實系統中，對模型的要求較高。在前期建模階段如果對細節方面不注意，后期會出現諸多問題。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性的前提下，應該進行模型的優化，用盡量少的線來完成模型的制作。否則，極大的數據量會影響虛擬現實系統的運行效率，造成時實漫游以及導入困難等問題。其中，運用到一個關鍵技巧是三角網格優化算法。減少基本幾何體的分段數以節約面數，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行優化可以減少數據量。其次就是命名問題，初學者容易將模型以中文名字命名，這樣造成以后導入Unity3D時不能識別。另外，導入的路徑不能有中文路徑，否則會造成導入錯誤。以其中抓取油管的機械手為例，機械手線模型如圖1所示。

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

3 Unity3D場景及交互設計

Unity3D中有一套非常好的地形編輯器，它可以讓開發者實現游戲中任何復雜的地形，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，創建原始地形。選擇菜單 terrain—>flatten height map，設置地形高度，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，目的是使環境更加真實，增強人的臨場感。

虛擬現實系統可以發布成exe可執行文件，通過網頁等形式供用戶進行瀏覽，主界面如圖3所示。

在虛擬現實系統中人機交互的設計會增強用戶體驗感。簡單來說，好的人機界面是用戶不用看任何說明就能進行操作。而此交互系統中，用戶交互瀏覽動作主要有兩種方式，一種是點擊按鈕瀏覽修井操作過程和各零件細節等，另一種就是點擊環境中的模型進行瀏覽，這種交互式瀏覽能夠給用戶帶來更好的展示效果。

點擊按鈕模式很簡單，在虛擬現實操作界面中，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，點擊按鈕可進行相應操作。其中分步動畫包括井架上升、不壓井減震機構下降、大臂下擺、機械手抓起油管、大臂上升、扶正機械手對正并下豎油管等。點擊模型的瀏覽模式很直觀，用戶可以通過鼠標進行點擊改變視角。Unity3D中，通過鼠標滾輪可以拉近視角，點擊右鍵拖動可以旋轉視角觀看場景。在修井裝備運動的同時也可以改變視角，進而清晰觀看修井動畫。

4 結語

文中實現了一個基于Unity3D的虛擬現實系統。用戶可以通過電腦顯示器自然地與虛擬現實系統中的物體進行交互。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，上卸扣等井口機械化操作過程一目了然。該系統的實現為修井裝備的研究與推廣起到積極的推動作用。

參考文獻

[1] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d虛擬展示技術的研究與應用[J].數字技術與應用，2010（9）：54-55.

[2] 陳阿林，胡朝暉，祁相志.校園虛擬現實三維場景建模技術及實現方法研究[J].重慶師范大學學報：自然科學版，2007（10）：1-4.

[3] 張云苑，虛擬現實技術中3DS MAX建模的應用[J].電腦知識與技術，2006（8）：189-190.

[4] 王亞萍，淺析unity3d 創建環境地形[J].計算機光盤軟件與應用，2012，2（19）：171-175.endprint