任偉建，石 闊，韓冬深，任 璐

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163318;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010)

0 引言

隨著鉆井難度的不斷加大，各種鉆井設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，工藝越來(lái)越復(fù)雜，鉆井工人對(duì)所有設(shè)備都需要有清楚的認(rèn)識(shí)，一次錯(cuò)誤的操作就可能引起重大事故，因而標(biāo)準(zhǔn)化崗位培訓(xùn)意義重大。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式主要是舉辦集中培訓(xùn)班、研討會(huì)等，采取理論講解和多媒體課件等教學(xué)形式，定期組織學(xué)員到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀摩和實(shí)習(xí)，提高培訓(xùn)學(xué)員的感性認(rèn)識(shí)和動(dòng)手能力。但這些方式成本高、形象性差，培訓(xùn)效果不明顯，因此采用先進(jìn)的培訓(xùn)手段、提高培訓(xùn)效率是亟待解決的問(wèn)題［1］。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽覺(jué)和觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，及時(shí)、無(wú)限制地觀察三度空間內(nèi)的事物［2］。油田復(fù)雜設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、井場(chǎng)整體操作等都可通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，鉆井公司計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷更新與提升為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，因此通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究開發(fā)油田作業(yè)仿真系統(tǒng)可行性高效果好，市場(chǎng)前景廣闊［3］。3DS Max是AUTODESK公司出品的制作三維動(dòng)畫的專業(yè)軟件［4］，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的三維動(dòng)畫建模渲染軟件［5］。該軟件功能強(qiáng)大，與多種軟件配合良好［6］，被廣泛地應(yīng)用于電視廣告、建筑設(shè)計(jì)、影視制作、軍事、醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬和教學(xué)等諸多領(lǐng)域中。所以筆者以3DS Max技術(shù)為開發(fā)平臺(tái)對(duì)培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以鉆井設(shè)備為仿真對(duì)象，通過(guò)精模與簡(jiǎn)模相結(jié)合的3D模型，利用3D動(dòng)畫技術(shù)對(duì)模型添加動(dòng)畫，對(duì)鉆井設(shè)備進(jìn)行分段分結(jié)構(gòu)渲染，三維仿真并以AVI(Audio Video Interleaved)視頻格式輸出，并通過(guò)后期整合，形成動(dòng)畫、聲音和文字一體的視頻教程。

1 方案設(shè)計(jì)

一名合格的鉆井隊(duì)工人在上崗前需要熟悉鉆井設(shè)備和鉆井環(huán)境，掌握鉆井作業(yè)安全操作的正確原理和流程，能對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，對(duì)緊急情況有一定的處理能力。而達(dá)到以上要求，需要對(duì)鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)與功能有清楚的認(rèn)識(shí)。為了能全面、系統(tǒng)的展示鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)與操作方法，本仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括:鉆井設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)展示系統(tǒng)、井場(chǎng)漫游系統(tǒng)和崗位巡查系統(tǒng)。鉆井設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)展示子系統(tǒng)包括井上設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、循環(huán)和固控設(shè)備。首先對(duì)不同部分鉆井設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)、各部件功能進(jìn)行細(xì)致講解，讓員工透徹理解設(shè)備的工作原理，從而正確操作與保養(yǎng)設(shè)備。井場(chǎng)漫游子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)井場(chǎng)進(jìn)行三維仿真，動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)井場(chǎng)，對(duì)鉆機(jī)的八大系統(tǒng)、鉆井現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)、鉆井作業(yè)技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程分別進(jìn)行講解與動(dòng)畫展示，讓培訓(xùn)過(guò)程更加輕松，知識(shí)展現(xiàn)更加直觀。崗位巡查系統(tǒng)根據(jù)巡檢流程，通過(guò)攝影機(jī)以人眼的角度對(duì)崗位巡查路徑進(jìn)行漫游，同時(shí)對(duì)巡查過(guò)程中的主要操作進(jìn)行動(dòng)畫模擬。

系統(tǒng)的制作流程主要包括模型的創(chuàng)建、仿真、效果調(diào)節(jié)和后期合成。其流程圖如圖1所示。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of simulation cultivate systerm

2 系統(tǒng)3D模型庫(kù)的創(chuàng)建

在創(chuàng)建模型前，首先要了解方案，設(shè)計(jì)思路清晰，如設(shè)備功能，材質(zhì)和展示角度等;然后構(gòu)思方案草圖，草圖具有快速、概括和簡(jiǎn)練的特點(diǎn)，能直觀地表現(xiàn)出模型要表達(dá)的意圖。這是創(chuàng)建模型前非常重要的一步，沒(méi)有對(duì)建模方案深入了解和草圖構(gòu)思，就不能很好地分配精模與簡(jiǎn)模的創(chuàng)建、為后期的動(dòng)態(tài)仿真做好準(zhǔn)備，從而浪費(fèi)大量時(shí)間修改模型。建好一個(gè)子模型都要對(duì)其用樹狀命名法進(jìn)行命名，命名后的模型有利于不同操作者的使用［7］。在3DS Max中創(chuàng)建模型有很多種方法，方法的使用要根據(jù)個(gè)人習(xí)慣進(jìn)行選擇，建模的原則就是在滿足所需要效果的基礎(chǔ)上取點(diǎn)線面最少、最快捷的方式。筆者主要采用的建模技術(shù)為多邊形建模技術(shù)、復(fù)合對(duì)象建模技術(shù)、二維平面轉(zhuǎn)換為三維立體建模技術(shù)和插件建模技術(shù)。

2.1 多邊形建模技術(shù)

多邊形建模是最常用的建模技術(shù)，在建模過(guò)程中有更大的想象空間與修改余地，將標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，對(duì)多邊形子層級(jí)下的點(diǎn)、邊、邊界、面和元素進(jìn)行修改并視模型的具體情況結(jié)合復(fù)合建模技術(shù)最終達(dá)到期望的精確模型的效果。通過(guò)不同方法組合在一起，形成復(fù)雜的模型。在多邊形建模中點(diǎn)、面數(shù)較多的情況下，可以利用快捷鍵轉(zhuǎn)換子物體的選擇，當(dāng)選擇多邊形中的一些點(diǎn)集，按住ctrl鍵并單擊別的子集按鈕時(shí)，可將當(dāng)前選擇集轉(zhuǎn)變?yōu)樾聦蛹?jí)中與原來(lái)的選擇集相關(guān)聯(lián)的所有子物體;當(dāng)按住ctrl+shift鍵時(shí)，可將當(dāng)前選擇集轉(zhuǎn)變?yōu)樾聦蛹?jí)中被原來(lái)的選擇集包括的所有子物體，從而節(jié)省大量的編輯選擇時(shí)間。如圖2所示，變速箱是采用多邊形建模技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建長(zhǎng)方體、圓柱體等標(biāo)準(zhǔn)基本體，并對(duì)面進(jìn)行擠出倒角等操作完成變速箱的外殼形狀，多邊形建模技術(shù)需要對(duì)點(diǎn)、線、面有一定的操控能力，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)各元素的位置達(dá)到理想的效果。

2.2 復(fù)合建模技術(shù)

布爾、放樣、變形運(yùn)算、連接等復(fù)合建模技術(shù)具有操作方便、效果理想等特點(diǎn)。其中最為常用的是放樣和布爾運(yùn)算。放樣建模通過(guò)提供一條路徑，沿路徑放置二維或三維圖形制作復(fù)雜的圖形;布爾運(yùn)算則是通過(guò)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的圖形進(jìn)行交集、差集和并集等運(yùn)算而產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象，布爾運(yùn)算經(jīng)常用于一些凹槽與坑洞的建模，如圖2中在變速箱軸與上下蓋銜接處采用布爾命令，利用與軸同直徑的圓柱與上下蓋進(jìn)行差集布爾運(yùn)算，再將軸與運(yùn)算結(jié)果附加為一個(gè)整體，從而完成這種不規(guī)則部位的建模。但布爾與放樣兩種建模方法得到的結(jié)果冗余點(diǎn)線面較多，占用內(nèi)存空間大，造成軟件運(yùn)行速度減慢。所以在有多種方案可以創(chuàng)建模型時(shí)，應(yīng)盡量避免使用復(fù)合建模，但在一些凹槽，坑洞的建模中，布爾是最直接的建模方式，如圖3中，水龍頭口處可以使用畫一條曲線路徑，在曲線上放置圓環(huán)進(jìn)行放樣建模，為減少占用空間，筆者選用創(chuàng)建管狀體，再對(duì)其進(jìn)行彎曲操作建模。

圖2 變速箱模型Fig.2 The model of transmission

圖3 水龍頭模型Fig.3 The model of tap

2.3 二維平面轉(zhuǎn)換為三維立體建模技術(shù)

對(duì)于一些不規(guī)則圖形，利用圖形創(chuàng)建面板直接繪制出二維圖形(樣條線)，編輯好圖形的形態(tài)后，通過(guò)添加合適的修改器將二維圖形轉(zhuǎn)換為三維物體，常用的修改器為:擠出、車削和倒角。擠出修改器可以使樣條線產(chǎn)生像一側(cè)擠壓的效果，本文中文字解釋的創(chuàng)建即通過(guò)添加樣條線文本，再對(duì)文本進(jìn)行擠出，從而使文字在渲染效果中可見(jiàn)并有立體效果(見(jiàn)圖4)。

車削修改器是將二維樣條線(閉合、非閉合都可以)作為截面，圍繞一條中心軸線旋轉(zhuǎn)一定角度，從而得到二維實(shí)體對(duì)象，凡是沿旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的物體都可以采用車削建模。圖4中的氣動(dòng)絞車內(nèi)部的滾筒，可通過(guò)對(duì)一條鋸齒線進(jìn)行車削得到。倒角修改器包括3個(gè)級(jí)別的擠出，該命令可以對(duì)樣條線進(jìn)行3次擠出操作，在每次執(zhí)行擠出操作的同時(shí)可控制截面的縮放比例。在需要多次擠出并且基礎(chǔ)面大于或小于基準(zhǔn)面時(shí)，用此修改器。

2.4 插件建模技術(shù)

井場(chǎng)周邊環(huán)境的建模主要包括天空和平地的建模。天空與地面的建模利用Dreamscape插件，Dreamscape是3DS Max景觀插件，可在3DS Max中創(chuàng)造并渲染出擬真的地形、海景、360°天空、云層、戶外光源、以及其他許多的相關(guān)效果。Dreamscape使用新的渲染技術(shù)從而獲得更加細(xì)致的影像并減少了內(nèi)存的使用量。效果圖如圖5所示。

圖4 氣動(dòng)絞車拆分文字說(shuō)明Fig.4 Text explainnation of pneumatic winch split

圖5 井場(chǎng)漫游天空與大地效果圖Fig.5 The effect drawing of the sky and the earth

3 模型的仿真

運(yùn)用3DS Max仿真時(shí)，可對(duì)觀察對(duì)象進(jìn)行不同位置、距離和視角的展示，可以展示整體或局部，也可以深入物體內(nèi)部［8］。原理與制作電影相似，即將每個(gè)動(dòng)作分成若干幀，然后將所有幀連起來(lái)播放，即可在人的視覺(jué)中形成動(dòng)態(tài)的視覺(jué)效果。在通常情況下只需要設(shè)置好動(dòng)畫起始和終止兩個(gè)關(guān)鍵幀以及中間的運(yùn)作方式，關(guān)鍵幀中間的所有動(dòng)作就會(huì)由3DS Max直接生成。文中的動(dòng)態(tài)仿真主要分為兩種形式:井場(chǎng)整體漫游與鉆井設(shè)備細(xì)節(jié)展示。井場(chǎng)整體漫游主要是對(duì)攝像機(jī)添加關(guān)鍵幀動(dòng)畫，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)路徑與鏡頭方向轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)漫游仿真;鉆井設(shè)備細(xì)節(jié)展示通過(guò)對(duì)鉆井設(shè)備添加關(guān)鍵幀動(dòng)畫，按照動(dòng)畫展示方案定義視口和攝影機(jī)的變換。

3.1 鉆井設(shè)備細(xì)節(jié)仿真展示

鉆井設(shè)備細(xì)節(jié)仿真展示系統(tǒng)，通過(guò)在3DS Max中對(duì)井上設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備和循環(huán)固控設(shè)備的模型添加關(guān)鍵幀動(dòng)畫。360°展示設(shè)備外觀、拆分展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模擬設(shè)備工作流程與養(yǎng)護(hù)方法。

下面以游鉤為例說(shuō)明仿真過(guò)程。鉆井設(shè)備細(xì)節(jié)展示主要包括兩部分:設(shè)備結(jié)構(gòu)與設(shè)備潤(rùn)滑點(diǎn)的展示及潤(rùn)滑模擬。

創(chuàng)建自由攝影機(jī)，在攝影機(jī)視圖中確定合適的觀察角度，通過(guò)對(duì)攝影機(jī)添加旋轉(zhuǎn)對(duì)游鉤進(jìn)行360°整體展示，通過(guò)文字標(biāo)注的方式對(duì)游鉤表面與內(nèi)部部件進(jìn)行拆分介紹，拆分動(dòng)畫主要是對(duì)游鉤各部件添加移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、顯隱關(guān)鍵幀動(dòng)畫并通過(guò)粒子動(dòng)畫模擬潤(rùn)滑油的流動(dòng)，展示加注潤(rùn)滑油的過(guò)程(見(jiàn)圖6)。

場(chǎng)景中所有物體都在同一個(gè)時(shí)間軸上創(chuàng)建動(dòng)畫，所有物體都會(huì)同時(shí)顯示，為了不造成多余的展示和場(chǎng)景的混亂，采用關(guān)鍵幀顯隱技術(shù)，將在某一時(shí)間段內(nèi)需要顯示的物體關(guān)鍵幀處對(duì)象屬性中的可見(jiàn)性值設(shè)為1，不需要顯示的物體設(shè)為0。

圖6 被拆分開的油鉤加注潤(rùn)滑油效果圖Fig.6 The effect drawing of adding lubricating oil to the splited hook

3.2 井場(chǎng)漫游系統(tǒng)仿真

井場(chǎng)漫游系統(tǒng)是在一個(gè)場(chǎng)景中，將所有鉆井設(shè)備，按照實(shí)際情況進(jìn)行擺放，將漫游背景與井場(chǎng)融合在一起，通過(guò)調(diào)節(jié)攝影機(jī)對(duì)整個(gè)井場(chǎng)進(jìn)行漫游，通過(guò)調(diào)節(jié)攝影機(jī)的角度調(diào)整視圖中物體的位置和大小，得到良好的視覺(jué)效果。

4 動(dòng)畫效果的調(diào)節(jié)與后期整合

4.1 動(dòng)畫效果調(diào)節(jié)

完成對(duì)模型的仿真，需要對(duì)仿真的效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。主要包括:模型材質(zhì)的賦予、燈光設(shè)置和攝像機(jī)角度調(diào)節(jié)。如果說(shuō)模型是骨架，則材質(zhì)是皮膚。制作完模型后，需要為模型設(shè)計(jì)一個(gè)真實(shí)的材質(zhì)，以便真實(shí)地表現(xiàn)模型的外觀。

由于該系統(tǒng)中所創(chuàng)建的模型均為鉆井設(shè)備，而鉆井設(shè)備的材質(zhì)大部分為鋼，表面涂抹油漆，不同部件間視覺(jué)上難以區(qū)分，需要對(duì)模型賦予不同的逼真材質(zhì)。3DS Max最大的優(yōu)勢(shì)之一在于它能有豐富多樣的貼圖類型，指定到材質(zhì)上的圖像被稱為貼圖，貼圖的主要作用是模擬物體表面的紋理和凹凸效果，可在3DS Max中對(duì)材質(zhì)的多種通道指定貼圖，所以，可利用貼圖影響模型的透明度、反射、折射和自發(fā)光等特性，不必構(gòu)建真實(shí)表面粗糙的模型，在減少模型復(fù)雜程度的同時(shí)使模型更加逼真。筆者主要應(yīng)用的貼圖技術(shù)是二維貼圖技術(shù)中的位圖貼圖與三維貼圖技術(shù)中的噪波貼圖、凹痕貼圖和鏡面反射折射。

位圖貼圖可以是一張位圖圖像，也可以是用AVI等格式的動(dòng)畫做物體表面的貼圖。為減少內(nèi)存空間，在井場(chǎng)漫游中，設(shè)備大部分采用創(chuàng)建平面，將精模渲染成一幅圖片，背景設(shè)為白色，利用PhotoShop圖像軟件處理，將渲染的二維位圖賦予平面，這樣制作的設(shè)備圖像是二維的，可從貼圖角度進(jìn)行動(dòng)畫展示，計(jì)算量小，渲染速度快。圖7為值班廠房，為了減少所占用的存儲(chǔ)空間，不進(jìn)行實(shí)體建模，創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體，將長(zhǎng)方體表面賦予廠房照片貼圖，同樣可達(dá)到真實(shí)的效果。

噪波貼圖與凹痕貼圖主要是為了增加模型表面材質(zhì)的粗糙度，更加貼近真實(shí)材質(zhì)的效果，并通過(guò)將平面鏡貼圖指定給反射貼圖通道，產(chǎn)生類似鏡子的反射效果。模擬光照到金屬物體表面時(shí)，不同金屬表面互相反射所呈現(xiàn)的效果。

燈光的控制。燈光的布置角度和位置是動(dòng)畫效果的重要因素，角度和位置不僅單指燈光與源文件模型之間，而是燈光、源文件模型和攝影機(jī)三者之間的角度，三者中的一個(gè)因素發(fā)生變動(dòng)，最終的效果也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。所以在燈光設(shè)定前應(yīng)定義攝影機(jī)與模型的相對(duì)位置，再根據(jù)攝影機(jī)試圖設(shè)置燈光的位置。

圖7 值班廠房貼圖效果圖Fig.7 The effect drawing of the map for the factory on duty

攝像機(jī)的控制。創(chuàng)建攝像機(jī)時(shí)，筆者創(chuàng)建自由攝影機(jī)。目標(biāo)攝影機(jī)適合拍攝靜止畫面、跟隨畫面等大多數(shù)場(chǎng)景，但目標(biāo)攝像機(jī)不適合應(yīng)用于垂直平移的場(chǎng)景中，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)攝像機(jī)在目標(biāo)附近時(shí)，攝影機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)跳到約束位置，從而造成視角忽然跳躍，在井場(chǎng)整體環(huán)境漫游的過(guò)程中造成畫面不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而自由攝像機(jī)與目標(biāo)攝像機(jī)基本相同，不同的是自由攝像機(jī)沒(méi)有目標(biāo)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。通過(guò)推拉、側(cè)滾、穿行和遙移動(dòng)等對(duì)攝像機(jī)漫游井場(chǎng)的視角進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整。通過(guò)鏡頭、視角、正交投影燈和環(huán)境大氣范圍等調(diào)節(jié)攝像機(jī)拍攝的效果。

后期視覺(jué)效果等級(jí)高低，很大程度上取決于渲染器的選擇和調(diào)試，從效果和時(shí)間考慮，一般選用V-Ray渲染器［9］。V-Ray渲染器擁有自己的材質(zhì)庫(kù)，很多參數(shù)和3DS Max參數(shù)設(shè)置方法相同，所以操作較方便［10］。

4.2 后期整合

動(dòng)畫渲染完成后，為了更清楚的傳遞信息，將仿真視頻與配音、文字相結(jié)合。筆者使用聲音與視頻混流軟件進(jìn)行合成。形成最終動(dòng)畫、文字、聲音于一體的學(xué)習(xí)資料。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者基于3DS Max平臺(tái)創(chuàng)建了鉆井設(shè)備仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將此系統(tǒng)應(yīng)用到油田中，提高了鉆井員工技能培訓(xùn)效率，避免了時(shí)間地點(diǎn)的限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的情況下就可自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)，節(jié)省了大量的培訓(xùn)資金，有效提升了油田的培訓(xùn)水平，降低新手上線失誤率。今后將逐步豐富該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，添加鉆井設(shè)備更加全面的信息。

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