1 引言
虛擬現實是一種先進的人機接口技術，它利用計算機生成三維的、基于感知信息的模擬環境，并使用戶與虛擬環境進行交互。目前，虛擬現實技術已經廣泛應用于軍事模擬、視景仿真、虛擬漫游以及科學可視化等領域。基于油田鉆井工作的特殊性，鉆井模擬器作為虛擬培訓的設備尤為重要。它采用虛擬現實技術，開發過程基于現代計算機控制技術、計算機仿真技術、計算機圖形技術、計算機網絡技術，并結合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓方法。鉆井模擬器視景仿真系統是鉆井模擬器的重要組成部分，主要作為三維場景的展現和鉆井井場實時動畫的模擬。
早期的鉆井模擬器視景仿真系統采用3DS Max 建模，結合OpenGL 對三維模型進行控制。隨著機械設備和工藝流程的處理日益復雜，系統的實時性及場景的可控性都不能有效的展現。因此，提出了一種基于3D 和Virtools 技術的虛擬開發方法，以Virtools 技術為平臺將3D 模型及動畫轉化為Virtools 環境下可控的實時動畫，較好地解決了問題。
2 技術概況
2.1 3DS Max 簡介
3DS Max 是世界上使用較為廣泛的3D 動畫軟件，可以進行三維建模、動畫編輯、渲染，并且廣泛應用于游戲開發、角色動畫、電影視覺效果和設計行業領域。該軟件功能強大，可擴展性好，在角色動畫方面具有很大優勢，可使用豐富的插件，方便開發。3DS Max 和其他軟件配合流暢，新版本提供了新的接口技術和優化，極大改進了交互，明顯提高了速度。
2.2 Virtools 簡介
Virtools 是由法國全球交互三維開發解決方案公司VIRTOOLS 所開發，其三維引擎已被微軟Xbox 認可方便易用，應用領域廣。
Virtools 包括：一個創作應用程序、一個動作引擎、一個渲染引擎、一個Web 播放器、一個軟件開發工具包。除了自身的3D/VR 開發平臺Virtools Dev 以外，它還有以下五個可選模塊以適合不同的應用：Physicx Pack 物理屬性、VR Pack虛擬現實、AI Pack 人工職能、Xbox Kit 游戲開發、VirtoolsServer 服務器。
作為一種強大的三維開發工具，按照其功能的不同，Virtools 模塊組可分為開發模塊、生成模塊和發布模塊。開發模塊包括創作應用程序和軟件開發工具包；生成模塊包括行為引擎和渲染引擎；發布模塊包括EXE 文件生成器和Web發播放器，可以在單機上運行，Web 播放器可以建立基于C/S模式的網絡虛擬環境。
3 3DS Max 模型創建
虛擬環境的建模是整個視景仿真系統建立的基礎，主要包括：幾何建模（Geometric Modeling）、運動建模（KinematicModeling）、物理建模（Physical Modeling）、對象行為建模（Object Behavior）以及模型分割（Model Segmentation）等。
鉆井模擬器視景仿真系統中虛擬環境的實現過程基本分為三步：第一步是幾何建模，主要包括用多邊形或三角形構成對象的立體外形；第二步是物理建模，主要包括對幾何建模的結果進行紋理、顏色、光照等處理；第三步是具體程序控制，主要通過運動建模的方法實現虛擬環境下的物體運動模擬，采用對象行為建模和模型分割的方法提高了整體環境下模型運動的真實感和靈活性。
3DS Max 的幾何建模方法主要有多邊形（Polygon）建模、非均勻有理B 樣條曲線建模（NURBS）、細分曲面技術建模（SubdiVision Surface）。通常建立一個模型可以分別通過以下幾種方法得到，但有優劣、繁簡之分。在鉆井模擬器視景仿真系統的模型制作過程中使用的主要建模方法和技術為：基本物體（Primitive Object）法及擴展物體（Extended Primitive）法構建基本幾何體模型，再通過修改器（Modify）修改加工成需要的模型；運用放樣（Loft）法，非均勻有理B 樣條曲線（NURBS）法生成表面比較復雜的曲面；運用細分曲面技術得到光滑程度高的模型細節；運用布爾（Boolean）運算法，生成結構比較復雜的模型；運用貼圖給模型賦予材質，使模型具有顏色、反光度、透明度等光學特性；給模型賦以紋理（Texture）增加真實感；注重模型優化環節，在模型表面具有同樣平滑度的情況下，盡量減少頂點（Vertices）和面數（Faces），以降低模型的復雜度。
圖1
4 模型在Virtools 中的使用
4.1 Virtools 環境下模型的導入
將3DS Max 中制作的模型導入到Virtools 中之前，需要在3DS Max 中安裝3dMax Explorer.exe 文件。通過該軟件把3DS Max 中構建的模型以.nmo 的格式輸出。.nmo 文件是Virtools 默認的用于存儲角色和場景以及物體等信息的文件格式，其中包含了一個或者多個單元信息，也包括了將要在Virtools 中使用的相關動畫腳本。然后將對應的.nmo 文件導入到Virtools 中，添加實行交互的模塊腳本。在項目保存成可編輯的工程文件.cmo 文件，或者只讀工程文件.vmo 后，可通過Virtools 自帶的程序開發包SDK 進行應用程序開發。
由于Virtools 不是三維制作軟件，在導出時，模型要進行相應的信息轉換?？梢詮?DS Max 中導出的元素包括標準網格和面片網格組成的幾何體，材質，各類標準燈光類型，攝像機，3D Frame 方式導入的虛擬體，動畫，以及樣條線。
4.2 角色模型及動畫的導出
輸出的模型主要分為三種：Export as Objects 通常用于輸出場景；Export as a Character 用于輸出帶有動畫的角色模型；Export Animation Only 只是輸出角色動畫腳本，在VirtoolsDevelopment 中添加不同的角色動畫進行行為交互。
成功的導出角色模型和動畫，需要注意動畫制作的細節。輸出的動畫不能涉及到中心點有變化的動畫，否則會在Virtools Dev 執行動畫時出錯；建議使用Bezier、Linear 或者TCB 動畫形式，有益于動畫的編譯；在3DS Max 中制作的動畫不能有添加和刪除的情況，否則無法被Virtools Dev 識別；要對關鍵幀進行處理，保證骨骼蒙皮正常，使得動畫正確且連貫。
圖2
5 結束語
基于3DS Max 的三維模型制作，結合Virtools 環境是進行交互式虛擬現實系統研發的有效方法，該方法在鉆井模擬器視景仿真系統中的應用取得了良好的效果。在環境漫游、動畫控制，場景交互等方面展現突出的優勢。
參考文獻
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