張洋弘，孫歧峰，邵　尉，段毛毛，段友祥（中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東　青島　266580）

基于Web的三維實(shí)時(shí)井眼軌跡可視化方法研究與實(shí)現(xiàn)*

張洋弘，孫歧峰，邵尉，段毛毛，段友祥
（中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島266580）

針對(duì)基于Web的實(shí)時(shí)三維可視化應(yīng)用需求，結(jié)合鄰近井段的結(jié)構(gòu)形狀、變化規(guī)律，改進(jìn)了貝塞爾曲線擬合算法，提高了測(cè)斜數(shù)據(jù)處理速率和曲化度，并采用Away3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡的三維展示。應(yīng)用結(jié)果表明，軌跡繪制細(xì)膩流暢，系統(tǒng)具備良好的實(shí)時(shí)性。

井眼軌跡；Away3D；Web；實(shí)時(shí)；可視化

0　引言

在隨鉆測(cè)井LWD［1］過(guò)程中，井眼軌跡的可視化是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)軌跡控制的基礎(chǔ)，其表現(xiàn)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，直接影響鉆井導(dǎo)向的決策。

隨著Internet的不斷普及，B/S模式Web技術(shù)成為一種流行的信息交互平臺(tái)［2］。但對(duì)于顯示效率、實(shí)時(shí)性要求較高的井眼軌跡可視化來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)B/S模式其固有的缺陷［3］使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布受到限制。借助Web3D技術(shù)的3D引擎對(duì)圖形圖像實(shí)時(shí)渲染，則可有效地緩解這一問(wèn)題。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和Web技術(shù)的特點(diǎn)，采用基于Web的B/S結(jié)構(gòu)，借助C#.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境［4］，通過(guò)改進(jìn)的軌跡優(yōu)化算法，結(jié)合Web3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)井眼軌跡可視化，使測(cè)井人員隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器方便快捷地對(duì)軌跡狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　Web3D技術(shù)及平滑算法

1.1Web3D技術(shù)支持

Web3D技術(shù)主要有基于HTML5方式和基于瀏覽插件方式。HTML5方式中，WebGL直接以O(shè)penGL為接口，從Web腳本生成3D圖形渲染［5］，但在它安全性方面還存在缺陷，標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣還有很大風(fēng)險(xiǎn)。

基于插件方式的Web3D技術(shù)眾多。其中Java3D是Java語(yǔ)言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展，提供一個(gè)高性能的面向?qū)ο缶幊棠Ｐ?。參考文獻(xiàn)［6］對(duì)基于Java3D的井眼軌跡可視化過(guò)程做了詳細(xì)描述，可視化效果較為理想，但Java3D中沒(méi)有提供基本形體，給編程帶來(lái)不便。

Away3D是一個(gè)Flash平臺(tái)［7］的實(shí)時(shí)3D引擎技術(shù)，其基本思想是利用Flex中Stage3D API技術(shù)在網(wǎng)頁(yè)上創(chuàng)建3D對(duì)象［8］。相比較于其他三維技術(shù)，借助該技術(shù)完成三維實(shí)時(shí)井眼軌跡可視化有以下技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。

（1）播放器插件。Away3D所使用的Flash Player借助硬件加速功能，使其具備較高的顯示效率和超群的渲染能力，為井眼軌跡的實(shí)時(shí)渲染提供保障。同時(shí)，其普遍性保證了技術(shù)人員使用方便。

（2）良好的跨平臺(tái)性。ActionScript3.0作為該技術(shù)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，其文檔對(duì)象模型（SWF格式動(dòng)畫）可以嵌入其他多種應(yīng)用程序，這大大優(yōu)化了該技術(shù)的跨平臺(tái)性。利用高級(jí)語(yǔ)言高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行井眼數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，將結(jié)果直接傳入動(dòng)畫文件進(jìn)行軌跡顯示，進(jìn)一步確保軌跡顯示的實(shí)時(shí)性。

（3）容易實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)豐富效果。Away3D提供基本形體的庫(kù)函數(shù)，方便基本形體的創(chuàng)建。此外，該技術(shù)也支持鼠標(biāo)和觸摸交互，提供豐富的后處理效果。

1.2井眼軌跡平滑算法

軌跡數(shù)據(jù)是由測(cè)斜數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)井眼軌跡算法［9-10］得到的離散數(shù)據(jù)，從軌跡結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的微元分析角度看，軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行有序排列并連接得到的是一條軌跡折線。因此，坐標(biāo)增量計(jì)算要求測(cè)點(diǎn)間隔不宜過(guò)長(zhǎng)，以保證離散帶來(lái)的誤差足夠??；而如果原始數(shù)據(jù)間隔較大，則需進(jìn)行插值處理增加數(shù)據(jù)點(diǎn)以彌補(bǔ)測(cè)斜數(shù)據(jù)的不足，從而提高軌跡曲化程度。

［11］提出一種三次樣條插值及多項(xiàng)式擬合平滑方法。通過(guò)構(gòu)造三次樣條函數(shù)求得插值，采用多項(xiàng)式最小二乘擬合技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理［11］。該方法處理效果明顯，但計(jì)算量大，原理復(fù)雜，應(yīng)用于Web井眼軌跡可視化，實(shí)時(shí)性受到影響。本文以三階貝塞爾曲線擬合為基礎(chǔ)對(duì)軌跡數(shù)據(jù)的插值處理加以改進(jìn)。算法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、計(jì)算效率較高。

2　改進(jìn)的軌跡平滑算法原理

三階貝塞爾曲線擬合是將曲線定義為起始點(diǎn)、終止點(diǎn)以及兩個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)控制點(diǎn)的滑動(dòng)，求得圓弧所有點(diǎn)，完成曲線擬合。將其直接應(yīng)用于井眼軌跡繪制，由于曲線只通過(guò)起止點(diǎn)，距控制點(diǎn)偏移較大［12］，會(huì)丟失大量真實(shí)井眼坐標(biāo)信息，從而導(dǎo)致軌跡走樣。因此，對(duì)控制點(diǎn)的選取加以改進(jìn)，提出一種改進(jìn)的貝塞爾曲線擬合方法。

該方法是利用軌跡坐標(biāo)通過(guò)算法構(gòu)造特殊三角形，求得能反映相鄰井段彎折趨勢(shì)的三角形內(nèi)切圓圓心作為局部控制點(diǎn)，再利用貝塞爾曲線擬合使局部曲率半徑增大，從而在保證不失真的前提下提高軌跡曲化度。具體原理如圖1所示。

圖1　軌跡控點(diǎn)提取原理圖

圖1（a）中，A、B、C三點(diǎn)為井眼軌跡坐標(biāo)點(diǎn)。設(shè)其全局坐標(biāo)為A（x1，y1，z1）、B（x2，y2，z2）、C（x3，y3，z3），獲取控制點(diǎn)O0、O1的全局坐標(biāo)的步驟如下：

（1）全局坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)。軌跡段先沿全局坐標(biāo)軸（x、y、z軸）進(jìn)行平移，使A點(diǎn)和全局坐標(biāo)的原點(diǎn)O重合；再繞全局坐標(biāo)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α、β、θ角，使平面ABC法向量與z軸正方向平行，AC線段與x軸重合［13］（如圖1（b）所示）。由以上變換可得全局坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)的關(guān)系式為：

其中，x1、y1、z1是A點(diǎn)的全局坐標(biāo)值；x′、y′、z′是局部坐標(biāo)系坐標(biāo)；x、y、z是全局坐標(biāo)系坐標(biāo)。

（2）求控制點(diǎn)O0、O1的局部坐標(biāo)。局部坐標(biāo)系如圖1（b）所示，利用AC作為邊，過(guò)點(diǎn)B作矩形，利用矩形頂點(diǎn)M、N，形成△AMB、△BMC。取兩三角形內(nèi)切圓圓心O0、O1為兩井段的控制頂點(diǎn)，設(shè)B、C點(diǎn)局部坐標(biāo)為B（x2′，y2′，0）、C（x3′，y3′，0），則M、N點(diǎn)坐標(biāo)為M（0，y2′，0）、N（x3′，y2′，0），由式（2）求得O0、O1的局部坐標(biāo)。

（3）控制點(diǎn)的局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)。在式（1）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)相反操作，使井段回到原來(lái)位置。局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)的公式為：

求得所有單位井段控制點(diǎn)坐標(biāo)，起止段有一個(gè)控制點(diǎn)，中間井段有兩個(gè)控制點(diǎn)。為了計(jì)算的一致性，將起止段的一個(gè)控制點(diǎn)看作兩個(gè)，并分段應(yīng)用三階貝塞爾曲線擬合繪制軌跡。精簡(jiǎn)圖如圖2所示，效果對(duì)比圖如圖3所示。

圖2　改進(jìn)的貝塞爾曲線擬合精簡(jiǎn)圖

圖3　效果對(duì)比圖

3　Away3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)井眼軌跡可視化

3.1可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程

井眼軌跡的形態(tài)是由坐標(biāo)系統(tǒng)描述的。坐標(biāo)系統(tǒng)主要包括：坐標(biāo)軸、坐標(biāo)刻度和軌跡。結(jié)合Away3D一般開(kāi)發(fā)步驟，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡可視化基本開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）基本構(gòu)件設(shè)置

完成各構(gòu)件參數(shù)設(shè)定，為3D展示搭建舞臺(tái)。具體包括視口、燈光、攝像機(jī)等。

（2）坐標(biāo)系統(tǒng)繪制

該部分實(shí)現(xiàn)分兩個(gè)子模塊：坐標(biāo)軸及軌跡繪制、刻度值顯示。坐標(biāo)軸及軌跡主要由網(wǎng)格平面和線段構(gòu)成。軌跡數(shù)據(jù)通過(guò)VS2005平臺(tái)完成復(fù)雜的坐標(biāo)計(jì)算及轉(zhuǎn)換。Flash平臺(tái)直接讀取數(shù)據(jù)展示軌跡。如此一來(lái)，Away3D引擎減少了計(jì)算量，提高了軌跡可視化效率。三維字體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、顯示效率低，為提高效率，刻度值顯示以二維文本生成、二三維轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)。

（3）軌跡控制設(shè)置

該設(shè)置是對(duì)軌跡的交互控制添加事件監(jiān)聽(tīng)器，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)、放縮、移動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡的交互式控制。

（4）渲染視口

渲染視口是將所繪制的三維坐標(biāo)系統(tǒng)“投影”到二維屏幕上，完成三維效果展示。

3.2可視化效果及對(duì)比

下面給出一口井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：某定向井的垂深為2 076m，正東和正北位移達(dá)到676m和446m。采用上述方法進(jìn)行平滑處理，并實(shí)現(xiàn)三維可視化。處理前后的軌跡效果分別如圖4、圖5所示。

圖4　平滑處理前軌跡效果圖

圖5　平滑處理后軌跡效果圖

可以看出，Away3D技術(shù)可視化效果優(yōu)越，平滑處理前井眼軌跡鋸齒狀較明顯，處理后鋸齒基本消退，提高了軌跡曲化程度，同時(shí)軌跡更新也滿足實(shí)時(shí)性的要求。

4　結(jié)論

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的油田信息化的新的應(yīng)用需求，以及傳統(tǒng)基于Web可視化中存在的顯示效率低、顯示效果差等問(wèn)題，提出了一種Away3D技術(shù)的三維實(shí)時(shí)井眼軌跡可視化方法。該方法使用改進(jìn)的井眼軌跡平滑算法，在傳統(tǒng)三階貝塞爾曲線擬合的理論基礎(chǔ)上尋找合理的局部井段控制點(diǎn)完成軌跡平滑處理，算法高效，效果明顯。同時(shí)發(fā)揮Away3D的技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)Web井眼軌跡可視化，過(guò)程容易快捷，顯示細(xì)膩流暢。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、通用性強(qiáng)，并具有良好的交互性，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中工程技術(shù)人員進(jìn)行過(guò)程監(jiān)督以及協(xié)同工作的需求。

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Research and implementation of Web-based 3D real-time visualization of wellbore trajectory

Zhang Yanghong，Sun Qifeng，Shao Wei，Duan Maomao，Duan Youxiang
（College of Computer and Communication Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

This paper aims to provide a method to meet the needs of the application of Web-based real-time 3D visualization.According to the structure and change rule of neighboring well segments，we improved Bezier curve fitting algorithm and increased inclinometer data processing rate and the curve degree.Meanwhile，we used the Away3D technology to achieve a 3D visualization of trajectory.Application shows that the trajectory is delicate and smooth，and the instantaneity of this system is good.

trajectory；Away3D；Web；real time；visualization

TE928；TP391

A

1674-7720（2015）16-0074-03

張洋弘，孫歧峰，邵尉，等.基于Web的三維實(shí)時(shí)井眼軌跡可視化方法研究與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：74-76.

2015-03-24）

張洋弘（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：隨鉆數(shù)據(jù)可視化。E-mail：zyh@s.upc.edu.cn。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（14CX02138A）