虛擬現實系統在渤海石油研究院的設計和實現

李明 安紅 胡元凌

中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院

一、智項目背景和概述

為了研究地下構造和油藏特征，石油勘探開發工業每年需要采集不同來源、不同尺度的各種地質數據，比如采樣率為2毫秒的三維地震數據、采用間隔為0.125米的測井數據，地震數據的采集范圍從幾百平方公里到上千平方公里，測井的深度從一千米到數千米、甚至更深。在對數據做了必要的地質解釋后，覆蓋全油田的20米×20米的油藏三維模型被建立了起來。在有了新的數據后，這些模型和解釋方案需要及時更新。在某一個階段，基于這些數據和模型的生產決策需要做出，比如在當前數據條件下的最優探井決策。

由于地下地質情況的復雜和不確定，以上提到的每一項數據都有自己的優勢，也有各自的不足。三維地震盡管提供了高密度的空間覆蓋，卻有縱向分辨率的缺陷；測井數據提供高精度的縱向分辨率，橫向覆蓋范圍卻非常有限；取自井下的巖芯實體，提供了原汁原味的油藏參數數據，但是成本高昂，在幾千米深的重點探井中也只能取百十來米。

石油勘探開發是一項風險業務，為了最大程度地降低風險，勘探開發一體化流程需要把不同來源的數據和跨學科的專業的分析結果集中到一起顯示，通過數據之間的相互印證，實現降低風險、優化流程，并能很好地加強科學認識，為科學研究、生產管理和科學決策提供支持。

二、項目總需求和概念模型設計

石油勘探開發領域的企業是典型的數據密集型企業，前文提到，一塊三維地震的數據在橫向上覆蓋范圍達數百甚至上千平方公里。在地震數據的常規處理和解釋環境中，高性能的計算服務器對野外采集的數據做復雜的抽道、疊加、偏移歸位處理或者對三維油藏模型做并行模擬運算，計算的結果是獲得了海量的三維成果數據體。這些數據的體量都非常巨大，單個數據體的容量在上百GB甚至1TB的級別。常規的工作站可以把這些數據轉換成地震圖像或者油藏模型，以二維的形式來解釋和顯示這些數據。地學數據的可視化技術是運用計算機圖形學和圖像處理技術，將三維地震數據、三維油藏模型轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，供地質研究、井位設計和油藏描述的方法和技術。把不同來源的地質數據和研究成果可視地顯示在一起，在學科上屬于科學數據的可視化技術（Visualization in Scientific Computing,簡稱可視化技術）在勘探開發領域的應用。

渤海研究院為向科研人員提供一個能夠把不同來源、不同尺度、不同研究結果的地學數據可視化地集成在一起顯示的場地，設計和建設了能同時滿足50～60人容納能力的虛擬現實中心。虛擬現實中心將具備為科研人員提供從地震資料三維解釋、地質建模、井位設計到鉆完井、工程設計全景三維立體顯示環境，可以把地下復雜的地質構造和油藏模型以三維圖形和圖像的方式清晰地顯示出來，為科學決策提供了直觀可靠的手段。這個功能在海上叢式探井的設計中，非常有用。在海上叢式探井的設計中，在一個間隔幾米的井槽中，要設計空間軌跡各異的鉆井軌跡，軌跡的防碰設計是安全生產的強制要求。數據可視化的旋轉功能可以為科研人員從不同的角度來觀察這些井軌跡提供了非常好的平臺。

按照業務需求的層次，虛擬現實中心需要滿足對數據的如下三種不同層次的可視化顯示-對地質數據和工程數據的常規平面投影顯示、對地震數據和油藏模型的三維立體渲染顯示、對三維數據和模型的沉浸式虛擬現實顯示。圖1是概念模型的效果圖。

圖1 渤海油田研究院虛擬現實中心概念模型計效果圖

三、系統總體設計方案和實現

在上述“需求概念模型”的基礎上，細化為系統的總體設計方案，系統模型由以下三項基本部分組成：

（1）信號源部分，包括來自專業軟件產生的數據和圖像成果。

（2）信號處理和控制系統，對來多路音頻和視頻信號做控制，對來自專業軟件輸出的數據和圖像成果做三維圖渲染處理。

（3）示系統，包括立體投影、大屏幕立體顯示和供用戶觀察的立體眼鏡。

根據場地條件，本系統采用三通道3折幕設計方案。使用BOXX超級圖形工作站提供12路DVI數字視頻信號，BOXX工作站配有3塊英偉達M6000顯卡來提高圖像的處理能力。視頻信號通過英偉達Mosaic視頻可擴展可視化技術將12路DVI數字信號拼接成總分辨率為12K的完整畫面，實現圖像無縫顯示、投影儀重疊以及支持立體3D顯示。最后利用Frame Lock立體同步技術最終實現三通道12K立體顯示系統。

英偉達Mosaic視頻可擴展可視化技術，可以將單臺工作站上的應用分布于多達16臺高分辨率顯示器或投影儀之上，同時不犧牲性能或處理能力。利用這一功能，通過EXTRON XTP系統將12路拼接信號回傳給控制臺的三臺NEC高清顯示器的回顯系統。圖2是總體設計的邏輯總圖。

1.信號源

（1）音頻源和音響。

信號源由音頻源和視頻源構成。音頻來自于圖形工作站（計算機）的多媒體輸出或者是來自觀眾席的語音信號。來自圖形工作站的音頻信號受音頻切換矩陣機的控制，音頻矩陣受中央控制臺的控制。

來自觀眾席的語音信號由觀眾席麥克風的信號（包括來自演講臺的信號）不受音頻切換矩陣的控制，直接進入調音臺，隨后由音響部分輸出。也就是說，觀眾使用麥克風可以不受控制地隨時插話、發言。音頻部分的邏輯圖如2所示。

（2）視頻源。

視頻源部分是本系統的核心部分，對來數據源的地學數據經地學專業軟件處理，經具有高性能GPU技術能力的高性能的圖形工作站做三維圖形處理、信號經Extron音視頻矩陣機的處理，最后由立體投影儀背投到大屏幕顯示。

圖2 總體設計邏輯設計圖

專業軟件，地學專業應用軟件比如OpenWorks和Petrel等可以輸出三維數據或者圖形，如三維地震數據體及其解釋成果或者三維油藏模型等復雜的地學數據體。

圖形工作站：在已有的三維地震數據體及其解釋成果或者三維油藏模型的成果數據體的基礎上，本系統使用BOXX工作站來完成對數據體做紋理、照明和渲染等三維圖像處理。經Boxx圖形工作站圖形渲染作業處理后的三維圖像，以12路高清視頻信號輸出，最終經三臺4K投影機投影給觀眾。

同時，當對三維數據體或者三維油藏的整體或者局部旋轉時，需要對模型做幾何透視變換后并實時地合成圖像展示給觀眾，把這些抽象的數據以逼真的空間立體方式可視化地展示出來，供科研人員從不同的角度來觀察數據，增強對數據的理解。

M6000顯卡：顯然，這個過程需要強大的圖像運算。由于常規后臺服務器強于計算而弱于滿足密集的圖形和圖像的處理運算。因此，要完成體量巨大、復雜程度高的地學三維數據的三維實時立體顯示，需要高性能的圖形處理器（Graphics Processing Unit，縮寫：GPU）。GPU是專門為圖像運算如渲染和幾何變換而設計的，最快速的GPU集成的晶體管數甚至超過了普通CPU。

本系統中依靠NvidiaM6000顯卡對地學圖形數據做三維處理和顯示。 M6000顯卡是Maxwell架構的GPU，內存增加到了24GB，有12GDDRS、3072個GPU內核、192塊紋理單元和96條渲染輸出，具備強大的圖像計算能力。

音視頻切換系統：EXTRON XTP系統可實現多種數字和模擬格式信號切換和分配。具備長距離的傳輸能力，可通過CATx屏蔽電纜將高分辨率視頻、音頻、RS-232和以太網信號傳輸至100m (330')，每個系統都符合HDCP標準，并通過Extron SpeedSwitch技術提供了超快、高可靠性的數字切換。

2.顯示系統：立體投影和大屏幕

顯示系統由立體投影和大屏幕構成。

屏幕：本系統的用戶要求的場地容量是可以同時滿足50人的空間容納能力。要解決多人共同使用可視化的環境最簡單的辦法就是擴大屏幕的顯示范圍，本系統采用了總長度為18米寬、3米高的三折雙層玻璃，屏幕為投影面的投影顯示設備。

大屏幕上圖像是通過三臺投影機以背投的方式投影形成，每塊屏幕是全4K的分辨率。所謂4K超高清分辨率是指橫向有4千個像素點，是目前分辨率最高的顯示技術。作為對比，大多數的數字電影是2K分辨率（2048×1080），電影放映的是0.8K（1024×768）的。

4K高清投影機： 當圖形工作站把圖形做了三維渲染和照明處理后，在不降低圖形質量和復雜程度的前提下，如何提高投影機的刷新頻率以便可以“實時生成”三維圖像是技術關鍵點。科視Mirage 4K25投影機的刷新率可達到120Hz（視頻處理能力達到12億像素每秒），本系統采用這種投影儀作為提供4K分辨率的投影機。

該4K高分辨率保證了投影系統具備高清晰度圖像的顯示能力。圖像的無縫融合技術和邊緣平滑的幾何修正技術保證觀看者獲得良好的視覺效果。內置的邊緣融合和幾何校正技術可以實現物理拼縫0mm；光學拼縫0.8mm，小于系統的像素點大小1.38mm/pixel；每塊屏幕的前后左右的最多2mm的微調機構；保證了幾何0.1mm的像素調整度。支持顏色一致性和亮度一致性，投影的亮度一致性的分區調整保證了三屏幕亮度≥90%一致性，投影的y顏色一致性調整保證了三屏幕顏色≥90%一致性。

此外氙氣照明帶來均衡的自然色彩，流明（lumens）亮度高達25000，保持顏色一致性和亮度一致，并保證持續而穩定的運行，是技術先進的立體圖形處理系統。

3.主控臺、中控系統和觀眾區

大屏幕自然地把場地分成了設備間和觀眾席兩部分。圖形工作站和三臺投影機位于設備間。大屏幕和主控臺位于觀眾區。主控臺可以通過一個觸摸屏（固定位置）或者一個Ipad設備在移動狀態下對對信號進行控制和做切換。

主控臺的控制面板使用一臺界面友好的彩色觸摸屏作為主控臺的控制器。這個觸摸屏實際上是上文提到的信號交換矩陣Extron的一部分。本系統有三臺BOXX圖形工作站，分別支持Windows和Linux操作系統的應用程序，觸摸屏可以選擇和控制數據源和投影設備。通過觸摸屏可以輕松在不同的工作站之間選擇視頻源，也可以控制和選擇視頻信號是在大屏幕還是在回顯顯示器顯示，或者二者同時顯示。

四、系統集成和結論

歷經一年多的設計和場地建設已經系統集成，三維可視化虛擬現實中心的現在已經投產應用了。如圖3所示。

圖3 虛擬現實中心的應用場景

三維可視化虛擬現實中心的的建設，對重大勘探開發項目研究具有很強的實用性，能夠快捷地使用多學科資料、提取多種地學信息、實時進行交互解釋，實現真正意義上的團對合作，提高工作效率、縮短研究周期、降低勘探風險，保證了油田各項研究工作的高效進行。

[1]計算機圖形學及其實踐教程，黃靜，機械工業出版社，

[2] http://www.slb.com/resources/case_studies/software/cs_gdf_suez_petrel_well_design.aspx

[3] http://www.nvidia.cn/object/nvidia-mosaic-technology-cn.html

[4] http://www.extron.com/product/prodtype82.aspx?t=dtp

[5] http://www.boxx.com/solutions/architecture-engineering/virtual-reality

[6] 復雜空間認知研究中的虛擬現實技術應用，湯眾，實驗室研究與探索 2007-09-15

[7] SOLIDWORKS三維可視化信息多元化應用模式，錢廣偉，智能制造，機械工業信息研究院;，2017年第04期

[8] 基于SOLIDWORKS Visualize的車輛渲染，施志昂，智能制造，機械工業信息研究院;，2017年第06期