虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在渤海石油研究院的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

李明 安紅 胡元凌

中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院

一、智項(xiàng)目背景和概述

為了研究地下構(gòu)造和油藏特征，石油勘探開(kāi)發(fā)工業(yè)每年需要采集不同來(lái)源、不同尺度的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，比如采樣率為2毫秒的三維地震數(shù)據(jù)、采用間隔為0.125米的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，地震數(shù)據(jù)的采集范圍從幾百平方公里到上千平方公里，測(cè)井的深度從一千米到數(shù)千米、甚至更深。在對(duì)數(shù)據(jù)做了必要的地質(zhì)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(lái)。在有了新的數(shù)據(jù)后，這些模型和解釋方案需要及時(shí)更新。在某一個(gè)階段，基于這些數(shù)據(jù)和模型的生產(chǎn)決策需要做出，比如在當(dāng)前數(shù)據(jù)條件下的最優(yōu)探井決策。

由于地下地質(zhì)情況的復(fù)雜和不確定，以上提到的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)都有自己的優(yōu)勢(shì)，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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)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(shí)體，提供了原汁原味的油藏參數(shù)數(shù)據(jù)，但是成本高昂，在幾千米深的重點(diǎn)探井中也只能取百十來(lái)米。

石油勘探開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)業(yè)務(wù)，為了最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)，勘探開(kāi)發(fā)一體化流程需要把不同來(lái)源的數(shù)據(jù)和跨學(xué)科的專業(yè)的分析結(jié)果集中到一起顯示，通過(guò)數(shù)據(jù)之間的相互印證，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化流程，并能很好地加強(qiáng)科學(xué)認(rèn)識(shí)，為科學(xué)研究、生產(chǎn)管理和科學(xué)決策提供支持。

二、項(xiàng)目總需求和概念模型設(shè)計(jì)

石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的企業(yè)是典型的數(shù)據(jù)密集型企業(yè)，前文提到，一塊三維地震的數(shù)據(jù)在橫向上覆蓋范圍達(dá)數(shù)百甚至上千平方公里。在地震數(shù)據(jù)的常規(guī)處理和解釋環(huán)境中，高性能的計(jì)算服務(wù)器對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)做復(fù)雜的抽道、疊加、偏移歸位處理或者對(duì)三維油藏模型做并行模擬運(yùn)算，計(jì)算的結(jié)果是獲得了海量的三維成果數(shù)據(jù)體。這些數(shù)據(jù)的體量都非常巨大，單個(gè)數(shù)據(jù)體的容量在上百GB甚至1TB的級(jí)別。常規(guī)的工作站可以把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地震圖像或者油藏模型，以二維的形式來(lái)解釋和顯示這些數(shù)據(jù)。地學(xué)數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將三維地震數(shù)據(jù)、三維油藏模型轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，供地質(zhì)研究、井位設(shè)計(jì)和油藏描述的方法和技術(shù)。把不同來(lái)源的地質(zhì)數(shù)據(jù)和研究成果可視地顯示在一起，在學(xué)科上屬于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)（Visualization in Scientific Computing,簡(jiǎn)稱可視化技術(shù)）在勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

渤海研究院為向科研人員提供一個(gè)能夠把不同來(lái)源、不同尺度、不同研究結(jié)果的地學(xué)數(shù)據(jù)可視化地集成在一起顯示的場(chǎng)地，設(shè)計(jì)和建設(shè)了能同時(shí)滿足50～60人容納能力的虛擬現(xiàn)實(shí)中心。虛擬現(xiàn)實(shí)中心將具備為科研人員提供從地震資料三維解釋、地質(zhì)建模、井位設(shè)計(jì)到鉆完井、工程設(shè)計(jì)全景三維立體顯示環(huán)境，可以把地下復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和油藏模型以三維圖形和圖像的方式清晰地顯示出來(lái)，為科學(xué)決策提供了直觀可靠的手段。這個(gè)功能在海上叢式探井的設(shè)計(jì)中，非常有用。在海上叢式探井的設(shè)計(jì)中，在一個(gè)間隔幾米的井槽中，要設(shè)計(jì)空間軌跡各異的鉆井軌跡，軌跡的防碰設(shè)計(jì)是安全生產(chǎn)的強(qiáng)制要求。數(shù)據(jù)可視化的旋轉(zhuǎn)功能可以為科研人員從不同的角度來(lái)觀察這些井軌跡提供了非常好的平臺(tái)。

按照業(yè)務(wù)需求的層次，虛擬現(xiàn)實(shí)中心需要滿足對(duì)數(shù)據(jù)的如下三種不同層次的可視化顯示-對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的常規(guī)平面投影顯示、對(duì)地震數(shù)據(jù)和油藏模型的三維立體渲染顯示、對(duì)三維數(shù)據(jù)和模型的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàn)實(shí)中心概念模型計(jì)效果圖

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)

在上述“需求概念模型”的基礎(chǔ)上，細(xì)化為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)模型由以下三項(xiàng)基本部分組成：

（1）信號(hào)源部分，包括來(lái)自專業(yè)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和圖像成果。

（2）信號(hào)處理和控制系統(tǒng)，對(duì)來(lái)多路音頻和視頻信號(hào)做控制，對(duì)來(lái)自專業(yè)軟件輸出的數(shù)據(jù)和圖像成果做三維圖渲染處理。

（3）示系統(tǒng)，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(jù)場(chǎng)地條件，本系統(tǒng)采用三通道3折幕設(shè)計(jì)方案。使用BOXX超級(jí)圖形工作站提供12路DVI數(shù)字視頻信號(hào)，BOXX工作站配有3塊英偉達(dá)M6000顯卡來(lái)提高圖像的處理能力。視頻信號(hào)通過(guò)英偉達(dá)Mosaic視頻可擴(kuò)展可視化技術(shù)將12路DVI數(shù)字信號(hào)拼接成總分辨率為12K的完整畫面，實(shí)現(xiàn)圖像無(wú)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(shù)最終實(shí)現(xiàn)三通道12K立體顯示系統(tǒng)。

英偉達(dá)Mosaic視頻可擴(kuò)展可視化技術(shù)，可以將單臺(tái)工作站上的應(yīng)用分布于多達(dá)16臺(tái)高分辨率顯示器或投影儀之上，同時(shí)不犧牲性能或處理能力。利用這一功能，通過(guò)EXTRON XTP系統(tǒng)將12路拼接信號(hào)回傳給控制臺(tái)的三臺(tái)NEC高清顯示器的回顯系統(tǒng)。圖2是總體設(shè)計(jì)的邏輯總圖。

1.信號(hào)源

（1）音頻源和音響。

信號(hào)源由音頻源和視頻源構(gòu)成。音頻來(lái)自于圖形工作站（計(jì)算機(jī)）的多媒體輸出或者是來(lái)自觀眾席的語(yǔ)音信號(hào)。來(lái)自圖形工作站的音頻信號(hào)受音頻切換矩陣機(jī)的控制，音頻矩陣受中央控制臺(tái)的控制。

來(lái)自觀眾席的語(yǔ)音信號(hào)由觀眾席麥克風(fēng)的信號(hào)（包括來(lái)自演講臺(tái)的信號(hào)）不受音頻切換矩陣的控制，直接進(jìn)入調(diào)音臺(tái)，隨后由音響部分輸出。也就是說(shuō)，觀眾使用麥克風(fēng)可以不受控制地隨時(shí)插話、發(fā)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(tǒng)的核心部分，對(duì)來(lái)數(shù)據(jù)源的地學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)地學(xué)專業(yè)軟件處理，經(jīng)具有高性能GPU技術(shù)能力的高性能的圖形工作站做三維圖形處理、信號(hào)經(jīng)Extron音視頻矩陣機(jī)的處理，最后由立體投影儀背投到大屏幕顯示。

圖2 總體設(shè)計(jì)邏輯設(shè)計(jì)圖

專業(yè)軟件，地學(xué)專業(yè)應(yīng)用軟件比如OpenWorks和Petrel等可以輸出三維數(shù)據(jù)或者圖形，如三維地震數(shù)據(jù)體及其解釋成果或者三維油藏模型等復(fù)雜的地學(xué)數(shù)據(jù)體。

圖形工作站：在已有的三維地震數(shù)據(jù)體及其解釋成果或者三維油藏模型的成果數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)使用BOXX工作站來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)體做紋理、照明和渲染等三維圖像處理。經(jīng)Boxx圖形工作站圖形渲染作業(yè)處理后的三維圖像，以12路高清視頻信號(hào)輸出，最終經(jīng)三臺(tái)4K投影機(jī)投影給觀眾。

同時(shí)，當(dāng)對(duì)三維數(shù)據(jù)體或者三維油藏的整體或者局部旋轉(zhuǎn)時(shí)，需要對(duì)模型做幾何透視變換后并實(shí)時(shí)地合成圖像展示給觀眾，把這些抽象的數(shù)據(jù)以逼真的空間立體方式可視化地展示出來(lái)，供科研人員從不同的角度來(lái)觀察數(shù)據(jù)，增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的理解。

M6000顯卡：顯然，這個(gè)過(guò)程需要強(qiáng)大的圖像運(yùn)算。由于常規(guī)后臺(tái)服務(wù)器強(qiáng)于計(jì)算而弱于滿足密集的圖形和圖像的處理運(yùn)算。因此，要完成體量巨大、復(fù)雜程度高的地學(xué)三維數(shù)據(jù)的三維實(shí)時(shí)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(yùn)算如渲染和幾何變換而設(shè)計(jì)的，最快速的GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過(guò)了普通CPU。

本系統(tǒng)中依靠NvidiaM6000顯卡對(duì)地學(xué)圖形數(shù)據(jù)做三維處理和顯示。 M6000顯卡是Maxwell架構(gòu)的GPU，內(nèi)存增加到了24GB，有12GDDRS、3072個(gè)GPU內(nèi)核、192塊紋理單元和96條渲染輸出，具備強(qiáng)大的圖像計(jì)算能力。

音視頻切換系統(tǒng)：EXTRON XTP系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字和模擬格式信號(hào)切換和分配。具備長(zhǎng)距離的傳輸能力，可通過(guò)CATx屏蔽電纜將高分辨率視頻、音頻、RS-232和以太網(wǎng)信號(hào)傳輸至100m (330')，每個(gè)系統(tǒng)都符合HDCP標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)Extron SpeedSwitch技術(shù)提供了超快、高可靠性的數(shù)字切換。

2.顯示系統(tǒng)：立體投影和大屏幕

顯示系統(tǒng)由立體投影和大屏幕構(gòu)成。

屏幕：本系統(tǒng)的用戶要求的場(chǎng)地容量是可以同時(shí)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(huán)境最簡(jiǎn)單的辦法就是擴(kuò)大屏幕的顯示范圍，本系統(tǒng)采用了總長(zhǎng)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(shè)備。

大屏幕上圖像是通過(guò)三臺(tái)投影機(jī)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(gè)像素點(diǎn)，是目前分辨率最高的顯示技術(shù)。作為對(duì)比，大多數(shù)的數(shù)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(jī)： 當(dāng)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(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下，如何提高投影機(jī)的刷新頻率以便可以“實(shí)時(shí)生成”三維圖像是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)?？埔昅irage 4K25投影機(jī)的刷新率可達(dá)到120Hz（視頻處理能力達(dá)到12億像素每秒），本系統(tǒng)采用這種投影儀作為提供4K分辨率的投影機(jī)。

該4K高分辨率保證了投影系統(tǒng)具備高清晰度圖像的顯示能力。圖像的無(wú)縫融合技術(shù)和邊緣平滑的幾何修正技術(shù)保證觀看者獲得良好的視覺(jué)效果。內(nèi)置的邊緣融合和幾何校正技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理拼縫0mm；光學(xué)拼縫0.8mm，小于系統(tǒng)的像素點(diǎn)大小1.38mm/pixel；每塊屏幕的前后左右的最多2mm的微調(diào)機(jī)構(gòu)；保證了幾何0.1mm的像素調(diào)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(qū)調(diào)整保證了三屏幕亮度≥90%一致性，投影的y顏色一致性調(diào)整保證了三屏幕顏色≥90%一致性。

此外氙氣照明帶來(lái)均衡的自然色彩，流明（lumens）亮度高達(dá)25000，保持顏色一致性和亮度一致，并保證持續(xù)而穩(wěn)定的運(yùn)行，是技術(shù)先進(jìn)的立體圖形處理系統(tǒng)。

3.主控臺(tái)、中控系統(tǒng)和觀眾區(qū)

大屏幕自然地把場(chǎng)地分成了設(shè)備間和觀眾席兩部分。圖形工作站和三臺(tái)投影機(jī)位于設(shè)備間。大屏幕和主控臺(tái)位于觀眾區(qū)。主控臺(tái)可以通過(guò)一個(gè)觸摸屏（固定位置）或者一個(gè)Ipad設(shè)備在移動(dòng)狀態(tài)下對(duì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制和做切換。

主控臺(tái)的控制面板使用一臺(tái)界面友好的彩色觸摸屏作為主控臺(tái)的控制器。這個(gè)觸摸屏實(shí)際上是上文提到的信號(hào)交換矩陣Extron的一部分。本系統(tǒng)有三臺(tái)BOXX圖形工作站，分別支持Windows和Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，觸摸屏可以選擇和控制數(shù)據(jù)源和投影設(shè)備。通過(guò)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(hào)是在大屏幕還是在回顯顯示器顯示，或者二者同時(shí)顯示。

四、系統(tǒng)集成和結(jié)論

歷經(jīng)一年多的設(shè)計(jì)和場(chǎng)地建設(shè)已經(jīng)系統(tǒng)集成，三維可視化虛擬現(xiàn)實(shí)中心的現(xiàn)在已經(jīng)投產(chǎn)應(yīng)用了。如圖3所示。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)中心的應(yīng)用場(chǎng)景

三維可視化虛擬現(xiàn)實(shí)中心的的建設(shè)，對(duì)重大勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目研究具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠快捷地使用多學(xué)科資料、提取多種地學(xué)信息、實(shí)時(shí)進(jìn)行交互解釋，實(shí)現(xiàn)真正意義上的團(tuán)對(duì)合作，提高工作效率、縮短研究周期、降低勘探風(fēng)險(xiǎn)，保證了油田各項(xiàng)研究工作的高效進(jìn)行。

[1]計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其實(shí)踐教程，黃靜，機(jī)械工業(yè)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(fù)雜空間認(rèn)知研究中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，湯眾，實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2007-09-15

[7] SOLIDWORKS三維可視化信息多元化應(yīng)用模式，錢廣偉，智能制造，機(jī)械工業(yè)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(jī)械工業(yè)信息研究院;，2017年第06期