混合現(xiàn)實技術在海上無人平臺安防場景中的應用

高 陽，吳 巍，劉 崢

（中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司設計研發(fā)中心，天津 300452）

0 引言

隨著邊際油田開發(fā)技術的快速發(fā)展，為滿足其開發(fā)需求，無人平臺越來越受到重視。目前，我國在海上已經建立了多座無人平臺，數(shù)量占比超過10%。與常規(guī)平臺相比，無人平臺多為簡易井口，組塊設備相對較少，處理難度相對較小。從整體發(fā)展水平來看，在平臺數(shù)字化建造水平方面，我國與國外存在著一定的差距。在此背景下，中國海油大力推進數(shù)字油田戰(zhàn)略，積極探索無人平臺遠程控制運維技術。對于無人平臺來說，遠程遙控運維能夠有效降低人員和設備成本，保證生產運行安全平穩(wěn)。

在實際生產中，受海上平臺地理位置等因素制約，其安防監(jiān)控多通過圖表或有限的視頻形式開展，信息感知難度大。除此以外，其通信性能容易受外界環(huán)境的影響，實時性、直觀性不足。5G 通信、混合現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，為無人平臺安防應急監(jiān)控提供了有力的支持。

1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是近年來蓬勃興起的信息技術，涉及多個學科，是一門新興的人機交互技術[1]。該技術最早可以追溯到20 世紀80 年代，早期以軍事方面的應用為主，目前已經在軍事、能源、教育等多個領域取得了較好的應用效果。該技術從虛擬現(xiàn)實技術、增強現(xiàn)實技術演化而來。虛擬現(xiàn)實技術具有完全沉浸的特點，可以通過系統(tǒng)的實時交互讓人產生身臨其境的沉浸感。與虛擬現(xiàn)實技術不同，增強現(xiàn)實技術是置身于真實場景下，從使用者的視角出發(fā)，增加額外描述性信息的技術。與此二者相比，混合現(xiàn)實技術兼而有之，是利用信息技術將真實場景轉換為三維空間的虛擬場景，并使之與現(xiàn)實空間相對應，讓使用者能夠同時體驗虛擬場景和真實場景[2]。

2 海洋平臺信息化仿真

在三維場景建模之前，根據(jù)平臺結構說明書以及相關圖紙，詳細了解平臺設備位置、結構以及尺度等相關參數(shù)，基于3ds Max 等軟件對無人平臺進行三維建模。為更好地確定無人平臺相關信息，需要借助不同設備對其結構的細節(jié)信息以及紋理圖片信息進行處理。

2.1 三維結構搭建

基于3ds Max 等軟件，采用模塊化建模方式，根據(jù)不同設備的模型需求，綜合基礎建模、參數(shù)化建模、多邊形建模等多種建模方式，對無人平臺整體進行零分解，對不同組件進行建模并組裝，進而完成整個平臺模型的搭建。

針對平臺整體架構，基于前期調查得到的平臺照片、結構參數(shù)、尺寸參數(shù)等信息對平臺整體結構進行精細拆分，整體平臺細化成底柱、構件等若干個零部件。對不同零件，選擇合適的基準面進行平面草圖繪制，在幾何尺寸的約束下利用參數(shù)化建模方法進行模型構建。程序化參數(shù)建模可以利用現(xiàn)有程序直接生成預期模型，也可以對已有的模型進行參數(shù)調整，使其與構件更加匹配，該方法對于模型庫以及目標對象依賴性較強。

針對平臺其他設備設施的建模，選用基礎建模、復合建模等多種方式?；A建模是以3ds Max 等建模軟件預設的模型為前提，通過調整相關參數(shù)信息對模型結構進行優(yōu)化，具有方便快捷等優(yōu)勢。對不同平臺設備設施構件進行基礎建模，以此為基礎進行組合、疊加、調整，可以形成復雜物體的三維建模。在實際中，結合不同部件實際情況，可以選用通過旋轉、壓縮等操作將平面二維模型拓展到三維空間，形成三維圖形。例如基于樣條線、NURBS 線等曲線線形渲染方法，利用少量點的控制渲染出平臺設備的表面曲線形態(tài)特征。對于無人平臺上高復雜度設備模型的創(chuàng)建，可選用復合建模方法。顧名思義，該方法是將多個模擬對象進行組合，實現(xiàn)對模型的構建，其中常見的復合組建模方法有依附、連接、包裹、變形等。

2.2 模型外觀貼圖渲染

在完成無人平臺三維結構形狀構建的基礎上，對顏色、紋理、材質等進行渲染制作，即通過紋理貼圖等方式展示模型的細節(jié)特征。一般來說，對于平臺設備模型的材質紋理等信息，多通過量度、透明度、反射情況等參數(shù)進行調節(jié)。針對不同的構件，選擇顏色紋理貼圖、凹凸紋理映射等方法進行高精度渲染[3]。本次研究中的無人平臺立柱部分選用顏色紋理貼圖法進行渲染，即參考紋理映射標準將前期拍攝的立柱圖片進行三維貼圖。

在操作中，可以通過頂點映射的方式將外觀紋理圖片粘貼在立柱相應位置，進而對立柱外觀進行渲染模擬。該渲染方式方便快捷，依托前期采集的外觀照片即可實現(xiàn)，但是對于表面凸凹感明顯或者材質復雜的設備構件，該方法應用受限，需采用凹凸紋理映射貼圖法。與顏色紋理貼圖法相比，該方法是對紋理處的光學坐標信息予以擾動調整紋理信息，使其展現(xiàn)出模型表面紋理的變化效果，并采用調整U、V、W 值等方式，對貼圖位置進行優(yōu)化。凹凸紋理貼圖的具體實現(xiàn)流程分為模型表面光照映射、表面凹凸紋理映射、表面光學紋理攝影等流程。模型表面光照映射與顏色紋理貼圖相近，即在構建模型的表面進行光照貼圖，然后進行凹凸紋理貼圖，并添加環(huán)境光學紋理圖片進行光學紋理渲染。

2.3 渲染優(yōu)化

為保證模型仿真渲染的運行效率，待無人平臺三維模型構建完成后對其進行適度優(yōu)化處理，在保證模型場景真實度、精準度的同時降低模型的復雜度，即應用合適的算法對多余部分進行刪減。無人平臺三維模型場景中的幾何面過多（一般超過1 萬個）會降低計算機的運行流暢度，因此模型幾何面數(shù)應盡可能減少[4]。

對于三維場景模型來說，對其中處于不可觀測狀態(tài)的集合模型幾何面進行刪減，對整個模型的渲染效果不會帶來較大影響，例如模型內部的面等，以減少模型的幾何元素，有效降低無人平臺三維空間模型的復雜程度，提升模型仿真渲染效率。再者，模型細節(jié)程度越高，越能夠提升海上無人平臺場景渲染的逼真程度，但是隨著模型細節(jié)的增多，勢必會降低整體模型的計算效率。因此，對于部分要求精度不高的模型，可以根據(jù)實際情況采用紋理貼圖法對細節(jié)部分進行展示，例如平臺欄桿、把手等。

在Unity3D 軟件中，結合實際需求對設備紋理細節(jié)進行動態(tài)調整，能夠確保平臺設備表面的凸凹效果得到逼真的顯示。在模型構建中，可通過外部引用的方式從數(shù)據(jù)庫中將模型數(shù)據(jù)導入設定的三維場景，并進行重新定位，其優(yōu)點在于能夠降低場景內存，加速渲染效率。應用外部引用技術，適度修改設定場景的引用參數(shù)，方便場景模型的管理。建模人員可以根據(jù)無人平臺的結構進劃分，并設置存儲規(guī)則，為后續(xù)外部引用提供便利，提高模型動態(tài)更新的效率。總體上來說，通過紋理貼圖、模型優(yōu)化處理、降低幾何元素等方式，基于Unity3D場景實現(xiàn)了無人平臺三維模型的整體構建。

3 安防場景交互仿真

傳統(tǒng)意義上的海上平臺安防成本較高，難以適應無人平臺的需求。為確保海上油田無人平臺的平穩(wěn)運行以及基礎設施、數(shù)據(jù)的安全，建設安防監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)平臺一體化監(jiān)控。在平臺建設全景光學監(jiān)控預警系統(tǒng)，通過線纜等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，并將現(xiàn)實監(jiān)控信息實時接入系統(tǒng)，以實現(xiàn)海上無人平臺監(jiān)控場景的虛實結合。無人平臺安防監(jiān)控系統(tǒng)的設計和建設應充分考慮監(jiān)控目標的復雜性，考慮惡劣天氣以及復雜海況等環(huán)境因素的影響，采用統(tǒng)一控制、分布安裝的總體架構，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)接入混合顯示場景，以便進行聯(lián)動安防監(jiān)控，為無人平臺的安全運行保駕護航。

混合顯示場景仿真服務端接收到海上無人平臺端的監(jiān)控數(shù)據(jù)后，通過實時通信動態(tài)更新數(shù)據(jù)，將其顯示在仿真場景中，并完成統(tǒng)計分析等功能。采用TCP socket 長鏈接數(shù)據(jù)通信方式，確保平臺與仿真服務端的雙向、高效、實時通信，通過確認、重傳、擁塞控制等機制，保證數(shù)據(jù)的傳輸效率。平臺與仿真服務端通過自定義的數(shù)據(jù)幀格式進行傳輸，其格式設計要保證傳遞信息的完整性，避免因冗余導致的帶寬浪費，同時要具備必要的數(shù)據(jù)校驗，以避免數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。無人平臺端將接收到數(shù)據(jù)實時顯示，并將重要信息存儲到數(shù)據(jù)庫中[5]。在Unity3D 引擎中與服務器進行通信測試，構建虛擬目標，并同步生成相應的模型，進而實現(xiàn)輔助決策。以渤海油田為例，其應用混合現(xiàn)實技術仿真構建的海上平臺安防場景如圖1 所示。

圖1 海上平臺三維仿真

基于Unity3D 引擎實現(xiàn)海上無人平臺安防場景仿真，其功能主要體現(xiàn)為：①基于接收到的無人平臺端目標信息，以便在混合現(xiàn)實場景中判斷預警信息；②接入無人平臺設備信息及攝像信息，通過對各類信息的實時調用，確保無人平臺的安全平穩(wěn)運行；③接入虛擬現(xiàn)實的顯示設備，可以實現(xiàn)沉浸式訪問。無人平臺安防場景仿真功能采用GUI 面板進行，可以通過代碼自行實現(xiàn)控件功能。控件定位以像素為單位，通過給定坐標的方式進行調整。在場景中設置預警信息按鍵，實現(xiàn)對目標信息的記錄和預警發(fā)布；設置監(jiān)控信息按鍵，實現(xiàn)對平臺設備以及安防系統(tǒng)信息的調取。

4 結束語

海上無人平臺作為離岸設施，運維難度較大，對3D數(shù)字引擎提出了特殊的要求。在海上油田數(shù)字化建設進程中，強化虛擬仿真應用，通過多源數(shù)據(jù)融合、模型處理、效果優(yōu)化、仿真定義，打造真實、準確的虛擬仿真三維模型，為在海上無人平臺智能化運維提供“所見即所得”的三維數(shù)字環(huán)境，是目前中海油數(shù)字化轉型戰(zhàn)略的重要組成部分?；诖?，本文應用混合現(xiàn)實技術，開展海上平臺安防場景仿真構建研究，展示了動態(tài)交互信息的有效性，實現(xiàn)了混合現(xiàn)實場景下的預警發(fā)布等功能，具有較強的實用性。