解析基于虛擬現實技術的三維輸氣管道仿真培訓系統

中國石油天然氣股份有限公司管道中原輸油氣分公司德州培訓基地 山東 德州 253020

當前,我國管道業務的發展進程十分快速,其技術的進步也十分顯著,這使得管道業務的培訓工作面臨著越發顯著的挑戰。基于此點,迫切需要建立一個完備的學習指導平臺,能夠有效的去提升作業人員對于技術與設備的使用熟練度,進而提升管道業務的質量。

一、虛擬現實技術的基本概念

虛擬現實技術是當前最為流行的科學技術之一,是一種綜合計算機圖形學、多媒體學、傳感學、遙感學以及仿真學的人工智能性的技術,其實質是一種系統仿真技術的進一步產物。而虛擬現實技術能夠好地將人類與實際自然之間提供一種互通的體驗接口,利用虛擬環境的現實模擬,能夠更好地將實現人們對于事實體環境的操作,通過改變虛擬的環境,進而達到模擬現實改變現實的最終目的。此類的虛擬現實技術能夠將現如今的二維計算機世界變成三維立體的世界,更具有感知性、沉浸感、構想性[1]等色彩,徹底改變了原有的二維世界。

二、基于虛擬現實技術的培訓系統設計

(一)場景的模型構建。對于三維立體的場景模型構建,當是選用3DMax等幾何建模的軟件,分場景構建虛擬的輸氣管道仿真,以更細致的場景構建來達到培訓的效果。

(二)三維引擎的查看。三維引擎的查看是虛擬現實技術投入使用的核心工具,建設完整體的建模場景后,需要進行整體的查漏補缺,反復測試虛擬場景與現實之間的偏差,以此來達到更高的仿真效果。而現在市面上有很多類似的3D引擎,具有渲染效果、用戶制定以及版本的擴展性等優點的引擎便是Unity3D[2]。

(三)系統的功能設計。該平臺仿真系統從功能方面主要實現了沉浸式的虛擬訪問、輸氣站三維交互的操作,能夠通過AR等三維投影的設備進行全景的展示。

(四)平臺系統的發布。當仿真系統開發完成后,需要將整個系統進行線下的測試,進行系統的打包上傳,當內部用戶和開發員進行完整測試后,進行系統的上線,進而使得其他用戶進行系統的使用,避免更多的漏洞出現。

三、基于虛擬現實技術的培訓系統的架構

(一)系統的硬件架構。該虛擬仿真培訓系統應當是C/S模式,僅用于企業內部的培訓,按照C/S的架構設置服務器與培訓終端,在其終端位置設置相應的培訓系統軟件與模型,其主界面是由終端位置進行完成,交換數據通過網絡與服務器進行傳輸交互,同時也可以設置相關的遠程訪問功能,對于已經授權的用戶也可以在B/S的模式下進行遠程的訪問。

(二)系統的軟件架構。該虛擬仿真培訓系統的軟件架構通過集成軟件平臺[3]、三維建模平臺、三維引擎平臺、仿真系統平臺、多媒體播放品臺以及控制平臺等所構成,也可以實現多種用戶平臺的功能。

四、三維管道仿真培訓系統的關鍵技術實現

(一)基于虛擬場景的漫游技術。基于虛擬場景的漫游技術通常將已經搭建好的三維場景進行導入,通過簡單地設置進行基礎性的漫游,為開發虛擬場景的用戶節省了大部分的時間與費用。而對于三維管道的仿真培訓系統,其模型的搭建是最艱難的環節,其模型構建的越復雜,其觀測漫游的實時效果也就越差。這主要是其虛擬現實當視野發生變化后人眼的場景也會隨之變化,而目前的漫游軟件難以達到復雜場景繪制的速度需要,因此這就需要去削減其管道的復雜性,但是又會讓用戶跳脫出真實感。基于此點,就需要在復雜度與測繪度進行一個折中的決策,以此來更好的實現三維管道的仿真。

(二)基于虛擬場景的圖像顯示技術。對于三維管道仿真系統的關鍵技術還包含著圖像的顯示技術,這類的仿真培訓系統對于建模的真實感要求十分高,因此,其圖像的顯示技術也在不斷地升級之中,從建模的圖像中抽出紋理和光照的信息,進而快速構建出真實感的模型,加上真實的建模參數,使得其建模的圖像顯示更加真實,更利于全方位的3D漫游。

(三)圖形紋理映射的技術。圖形的紋理映射技術適用于生成物體表面的紋理細節,是真實圖感的一種組成部分,也是計算機科學的主要研究方向之一。它包含著二維紋理和三維紋理,而對于管道的紋理映射則是三維紋理,通過對真實的管道進行逐層的圖形分解,能夠有效的去深入管道表面細節之處,但是這所需要的內存空間十分巨大,也會影響其運行的內存速度,其圖像的紋理處理也會很慢。

五、三維管道仿真培訓系統的功能實現方式

(一)管道場景的漫游。虛擬仿真的培訓系統最為關鍵的便是三維的管道場景構建,而這類的虛擬場景圖景便是管道,這類細節的建模能夠很好地讓運作人員對管道進行實質性的觀測與操作,能夠更深入地去了解與研究管道的結構,進而提升運作人員的培訓效果。

(二)三維交互式操作。這款的虛擬仿真培訓系統中最能夠幫助提升培訓質量與效果的便是三維的交互式操作,能夠將現實中的管道問題進行模擬,讓運作人員進行虛擬的操作,且當實際的管道出現問題后,也可以通過相關的參數收集,先進行管道的模擬修復,實時監測管道的狀況,確定好最佳的解決方案,進而提升實際的操作效果。

結束語

綜上所述,伴隨著虛擬現實技術深入各大工業的領域之中,能夠將很多現實中不容許失敗的操作進行虛擬化的多次演練,進而提升其實際操作的成功性,就拿三維管道的仿真而言,其培訓系統的推出,能夠很好的解決當前管道運作人員所存在的問題,也能夠進一步提升他們的專業技能。