基于3DS Max 的钻井设备仿真系统的开发

任伟建，石 阔，韩冬深，任 璐

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318;2.中国石油天然气股份有限公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦124010)

0 引言

随着钻井难度的不断加大，各种钻井设备越来越先进，工艺越来越复杂，钻井工人对所有设备都需要有清楚的认识，一次错误的操作就可能引起重大事故，因而标准化岗位培训意义重大。传统的培训方式主要是举办集中培训班、研讨会等，采取理论讲解和多媒体课件等教学形式，定期组织学员到作业现场进行观摩和实习，提高培训学员的感性认识和动手能力。但这些方式成本高、形象性差，培训效果不明显，因此采用先进的培训手段、提高培训效率是亟待解决的问题［1］。近年来，虚拟现实技术不断发展，应用领域不断拓宽，利用计算机模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉和触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，及时、无限制地观察三度空间内的事物［2］。油田复杂设备的内部结构、井场整体操作等都可通过虚拟现实技术进行模拟仿真，钻井公司计算机技术与网络技术的不断更新与提升为虚拟现实技术奠定了基础，因此通过虚拟现实技术研究开发油田作业仿真系统可行性高效果好，市场前景广阔［3］。3DS Max是AUTODESK公司出品的制作三维动画的专业软件［4］，是目前世界上应用最广泛的三维动画建模渲染软件［5］。该软件功能强大，与多种软件配合良好［6］，被广泛地应用于电视广告、建筑设计、影视制作、军事、医学手术模拟和教学等诸多领域中。所以笔者以3DS Max技术为开发平台对培训系统进行研究，以钻井设备为仿真对象，通过精模与简模相结合的3D模型，利用3D动画技术对模型添加动画，对钻井设备进行分段分结构渲染，三维仿真并以AVI(Audio Video Interleaved)视频格式输出，并通过后期整合，形成动画、声音和文字一体的视频教程。

1 方案设计

一名合格的钻井队工人在上岗前需要熟悉钻井设备和钻井环境，掌握钻井作业安全操作的正确原理和流程，能对设备进行维护，对紧急情况有一定的处理能力。而达到以上要求，需要对钻井设备的结构与功能有清楚的认识。为了能全面、系统的展示钻井设备的结构与操作方法，本仿真系统设计包括:钻井设备关键点展示系统、井场漫游系统和岗位巡查系统。钻井设备关键点展示子系统包括井上设备、动力设备、循环和固控设备。首先对不同部分钻井设备的具体结构、各部件功能进行细致讲解，让员工透彻理解设备的工作原理，从而正确操作与保养设备。井场漫游子系统，通过对井场进行三维仿真，动态的展现井场，对钻机的八大系统、钻井现场分区、钻井作业技术规范和操作规程分别进行讲解与动画展示，让培训过程更加轻松，知识展现更加直观。岗位巡查系统根据巡检流程，通过摄影机以人眼的角度对岗位巡查路径进行漫游，同时对巡查过程中的主要操作进行动画模拟。

系统的制作流程主要包括模型的创建、仿真、效果调节和后期合成。其流程图如图1所示。

图1 仿真培训系统流程图Fig.1 The flow chart of simulation cultivate systerm

2 系统3D模型库的创建

在创建模型前，首先要了解方案，设计思路清晰，如设备功能，材质和展示角度等;然后构思方案草图，草图具有快速、概括和简练的特点，能直观地表现出模型要表达的意图。这是创建模型前非常重要的一步，没有对建模方案深入了解和草图构思，就不能很好地分配精模与简模的创建、为后期的动态仿真做好准备，从而浪费大量时间修改模型。建好一个子模型都要对其用树状命名法进行命名，命名后的模型有利于不同操作者的使用［7］。在3DS Max中创建模型有很多种方法，方法的使用要根据个人习惯进行选择，建模的原则就是在满足所需要效果的基础上取点线面最少、最快捷的方式。笔者主要采用的建模技术为多边形建模技术、复合对象建模技术、二维平面转换为三维立体建模技术和插件建模技术。

2.1 多边形建模技术

多边形建模是最常用的建模技术，在建模过程中有更大的想象空间与修改余地，将标准基本体、扩展基本体模型转化为可编辑多边形，对多边形子层级下的点、边、边界、面和元素进行修改并视模型的具体情况结合复合建模技术最终达到期望的精确模型的效果。通过不同方法组合在一起，形成复杂的模型。在多边形建模中点、面数较多的情况下，可以利用快捷键转换子物体的选择，当选择多边形中的一些点集，按住ctrl键并单击别的子集按钮时，可将当前选择集转变为新层级中与原来的选择集相关联的所有子物体;当按住ctrl+shift键时，可将当前选择集转变为新层级中被原来的选择集包括的所有子物体，从而节省大量的编辑选择时间。如图2所示，变速箱是采用多边形建模技术通过创建长方体、圆柱体等标准基本体，并对面进行挤出倒角等操作完成变速箱的外壳形状，多边形建模技术需要对点、线、面有一定的操控能力，通过手动调节各元素的位置达到理想的效果。

2.2 复合建模技术

布尔、放样、变形运算、连接等复合建模技术具有操作方便、效果理想等特点。其中最为常用的是放样和布尔运算。放样建模通过提供一条路径，沿路径放置二维或三维图形制作复杂的图形;布尔运算则是通过对两个或两个以上的图形进行交集、差集和并集等运算而产生一个新的对象，布尔运算经常用于一些凹槽与坑洞的建模，如图2中在变速箱轴与上下盖衔接处采用布尔命令，利用与轴同直径的圆柱与上下盖进行差集布尔运算，再将轴与运算结果附加为一个整体，从而完成这种不规则部位的建模。但布尔与放样两种建模方法得到的结果冗余点线面较多，占用内存空间大，造成软件运行速度减慢。所以在有多种方案可以创建模型时，应尽量避免使用复合建模，但在一些凹槽，坑洞的建模中，布尔是最直接的建模方式，如图3中，水龙头口处可以使用画一条曲线路径，在曲线上放置圆环进行放样建模，为减少占用空间，笔者选用创建管状体，再对其进行弯曲操作建模。

图2 变速箱模型Fig.2 The model of transmission

图3 水龙头模型Fig.3 The model of tap

2.3 二维平面转换为三维立体建模技术

对于一些不规则图形，利用图形创建面板直接绘制出二维图形(样条线)，编辑好图形的形态后，通过添加合适的修改器将二维图形转换为三维物体，常用的修改器为:挤出、车削和倒角。挤出修改器可以使样条线产生像一侧挤压的效果，本文中文字解释的创建即通过添加样条线文本，再对文本进行挤出，从而使文字在渲染效果中可见并有立体效果(见图4)。

车削修改器是将二维样条线(闭合、非闭合都可以)作为截面，围绕一条中心轴线旋转一定角度，从而得到二维实体对象，凡是沿旋转轴对称的物体都可以采用车削建模。图4中的气动绞车内部的滚筒，可通过对一条锯齿线进行车削得到。倒角修改器包括3个级别的挤出，该命令可以对样条线进行3次挤出操作，在每次执行挤出操作的同时可控制截面的缩放比例。在需要多次挤出并且基础面大于或小于基准面时，用此修改器。

2.4 插件建模技术

井场周边环境的建模主要包括天空和平地的建模。天空与地面的建模利用Dreamscape插件，Dreamscape是3DS Max景观插件，可在3DS Max中创造并渲染出拟真的地形、海景、360°天空、云层、户外光源、以及其他许多的相关效果。Dreamscape使用新的渲染技术从而获得更加细致的影像并减少了内存的使用量。效果图如图5所示。

图4 气动绞车拆分文字说明Fig.4 Text explainnation of pneumatic winch split

图5 井场漫游天空与大地效果图Fig.5 The effect drawing of the sky and the earth

3 模型的仿真

运用3DS Max仿真时，可对观察对象进行不同位置、距离和视角的展示，可以展示整体或局部，也可以深入物体内部［8］。原理与制作电影相似，即将每个动作分成若干帧，然后将所有帧连起来播放，即可在人的视觉中形成动态的视觉效果。在通常情况下只需要设置好动画起始和终止两个关键帧以及中间的运作方式，关键帧中间的所有动作就会由3DS Max直接生成。文中的动态仿真主要分为两种形式:井场整体漫游与钻井设备细节展示。井场整体漫游主要是对摄像机添加关键帧动画，通过对摄像机路径与镜头方向转换实现漫游仿真;钻井设备细节展示通过对钻井设备添加关键帧动画，按照动画展示方案定义视口和摄影机的变换。

3.1 钻井设备细节仿真展示

钻井设备细节仿真展示系统，通过在3DS Max中对井上设备、动力设备和循环固控设备的模型添加关键帧动画。360°展示设备外观、拆分展示设备内部结构、模拟设备工作流程与养护方法。

下面以游钩为例说明仿真过程。钻井设备细节展示主要包括两部分:设备结构与设备润滑点的展示及润滑模拟。

创建自由摄影机，在摄影机视图中确定合适的观察角度，通过对摄影机添加旋转对游钩进行360°整体展示，通过文字标注的方式对游钩表面与内部部件进行拆分介绍，拆分动画主要是对游钩各部件添加移动、旋转、显隐关键帧动画并通过粒子动画模拟润滑油的流动，展示加注润滑油的过程(见图6)。

场景中所有物体都在同一个时间轴上创建动画，所有物体都会同时显示，为了不造成多余的展示和场景的混乱，采用关键帧显隐技术，将在某一时间段内需要显示的物体关键帧处对象属性中的可见性值设为1，不需要显示的物体设为0。

图6 被拆分开的油钩加注润滑油效果图Fig.6 The effect drawing of adding lubricating oil to the splited hook

3.2 井场漫游系统仿真

井场漫游系统是在一个场景中，将所有钻井设备，按照实际情况进行摆放，将漫游背景与井场融合在一起，通过调节摄影机对整个井场进行漫游，通过调节摄影机的角度调整视图中物体的位置和大小，得到良好的视觉效果。

4 动画效果的调节与后期整合

4.1 动画效果调节

完成对模型的仿真，需要对仿真的效果进行调节。主要包括:模型材质的赋予、灯光设置和摄像机角度调节。如果说模型是骨架，则材质是皮肤。制作完模型后，需要为模型设计一个真实的材质，以便真实地表现模型的外观。

由于该系统中所创建的模型均为钻井设备，而钻井设备的材质大部分为钢，表面涂抹油漆，不同部件间视觉上难以区分，需要对模型赋予不同的逼真材质。3DS Max最大的优势之一在于它能有丰富多样的贴图类型，指定到材质上的图像被称为贴图，贴图的主要作用是模拟物体表面的纹理和凹凸效果，可在3DS Max中对材质的多种通道指定贴图，所以，可利用贴图影响模型的透明度、反射、折射和自发光等特性，不必构建真实表面粗糙的模型，在减少模型复杂程度的同时使模型更加逼真。笔者主要应用的贴图技术是二维贴图技术中的位图贴图与三维贴图技术中的噪波贴图、凹痕贴图和镜面反射折射。

位图贴图可以是一张位图图像，也可以是用AVI等格式的动画做物体表面的贴图。为减少内存空间，在井场漫游中，设备大部分采用创建平面，将精模渲染成一幅图片，背景设为白色，利用PhotoShop图像软件处理，将渲染的二维位图赋予平面，这样制作的设备图像是二维的，可从贴图角度进行动画展示，计算量小，渲染速度快。图7为值班厂房，为了减少所占用的存储空间，不进行实体建模，创建一个长方体，将长方体表面赋予厂房照片贴图，同样可达到真实的效果。

噪波贴图与凹痕贴图主要是为了增加模型表面材质的粗糙度，更加贴近真实材质的效果，并通过将平面镜贴图指定给反射贴图通道，产生类似镜子的反射效果。模拟光照到金属物体表面时，不同金属表面互相反射所呈现的效果。

灯光的控制。灯光的布置角度和位置是动画效果的重要因素，角度和位置不仅单指灯光与源文件模型之间，而是灯光、源文件模型和摄影机三者之间的角度，三者中的一个因素发生变动，最终的效果也会发生相应改变。所以在灯光设定前应定义摄影机与模型的相对位置，再根据摄影机试图设置灯光的位置。

图7 值班厂房贴图效果图Fig.7 The effect drawing of the map for the factory on duty

摄像机的控制。创建摄像机时，笔者创建自由摄影机。目标摄影机适合拍摄静止画面、跟随画面等大多数场景，但目标摄像机不适合应用于垂直平移的场景中，因为当目标摄像机在目标附近时，摄影机的目标点会自动跳到约束位置，从而造成视角忽然跳跃，在井场整体环境漫游的过程中造成画面不稳定的现象。而自由摄像机与目标摄像机基本相同，不同的是自由摄像机没有目标点，不会出现上述问题。通过推拉、侧滚、穿行和遥移动等对摄像机漫游井场的视角进行精细的调整。通过镜头、视角、正交投影灯和环境大气范围等调节摄像机拍摄的效果。

后期视觉效果等级高低，很大程度上取决于渲染器的选择和调试，从效果和时间考虑，一般选用V-Ray渲染器［9］。V-Ray渲染器拥有自己的材质库，很多参数和3DS Max参数设置方法相同，所以操作较方便［10］。

4.2 后期整合

动画渲染完成后，为了更清楚的传递信息，将仿真视频与配音、文字相结合。笔者使用声音与视频混流软件进行合成。形成最终动画、文字、声音于一体的学习资料。

5 结语

笔者基于3DS Max平台创建了钻井设备仿真学习系统，将此系统应用到油田中，提高了钻井员工技能培训效率，避免了时间地点的限制，只要有网络的情况下就可自主地进行学习，节省了大量的培训资金，有效提升了油田的培训水平，降低新手上线失误率。今后将逐步丰富该系统的学习内容，添加钻井设备更加全面的信息。

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