油田注水系统停运水源井深井泵流程的模拟设计毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）油田注水系统停运水源井-深井泵流程的模拟设计摘 要虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。本次设计首次将三维仿真技术应用到汤原县方兴试采有限责任公司的仿真培训中，给用户展现更加真实的场景。运用三维建模软件 3DS Max 构建了各个元件的模型，进行了深井泵房的建模、管线的建模以及一些电源部件的建模等。通过材质、贴图、灯光和模型优化等处理技术完成模型的优化。3DS Max 模型在与 Virtools 结合并进行了基于三维虚拟现实的动画制作。应用虚拟现实制作软件 Virtools 进行了虚拟场景中人物和深井泵房的操作流程的模拟，分演示、训练、考核三部分展示了油田注水系统停运水源井- 深井泵的操作流程以及工作原理，使培训人员能够更直观、更深刻地掌握油田注水系统停运水源井-深井泵工作的整个流程，以及工作原理。关键词：深水泵；三维模型；动画；Virtools东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractVirtual reality technology is a highly realistic simulation people in their natural environments, listen, dynamic behavior such as man-machine interface technology, simple is a kind of can create and experience the virtual world of computer system. The design for the first time will be 3 d simulation technology is applied to the original tang county Fang Xing stopes simulation training co., LTD., give users a more realistic scenario. If you want to create a wonderful virtual environment, first of all, to create the perfect virtual scene, the construction of a 3 d model is the foundation of the cement car can realize the virtual scene simulation, virtual visual generation technique is also an important content in the study. In the design of 3 d model created mainly through 3 d Max 9 to implement, this paper in detail introduces the modeling of 3 d Max 9 main technologies and methods, and often appear in the process of modeling problems and solutions, and the successful application of the technology to create a virtual scene. Is proposed based on the 3 d geometric modeling method of 3 d Max large-scale three-dimensional virtual scene modeling thought, technical route and implementation method, and presents a based on 3 d virtual reality modeling technology of 3 d Max modeling process. Key words: deep water pump; 3 d model; animation; Virtools东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 绪论 .11.1 三维技术概述 .11.2 三维动画仿真技术的应用 .11.3 三维动画技术的发展 .2第 2 章 开发工具简介 .32.1 建模工具 3D MAX.32.2 整合工具 VIRTOOLS .62.3 辅助工具 PHOTOSHOP CS.7第 3 章 停运水源井-深井泵系统设计 .83.1 停运水源井-深井泵需求分析 .83.2 停运水源井-深井泵总体设计 .11第 4 章停运水源井-深井泵虚拟场景的详细设计与实现 .134.1 三维场景模型的构建 .134.2 三维场景模型的优化 .234.3 停运水源井-深井泵动画制作流程 .234.4 停运水源井-深井泵虚拟场景实现 .244.5 系统脚本设计 .29结 论 .30参考文献 .31致 谢 .32东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪论虚 拟 现 实 技 术 是 近 年 来 在 计 算 机 领 域 引 起 广 泛 关 注 的 技 术 ， 虚 拟 现 实 技 术是 21 世 纪 高 科 技 发 展 的 一 个 重 要 方 向 。 三 维 建 模 技 术 是 虚 拟 现 实 中 最 重 要 的技 术 领 域 ， 也 是 虚 拟 现 实 技 术 中 的 关 键 技 术 之 一 。 三 维 建 模 技 术 是 整 个 虚 拟 现实 系 统 建 立 的 基 础 ， 是 所 有 应 用 中 的 一 个 关 键 的 步 骤 和 技 术 1。1.1 三维技术概述所 谓 三 维 技 术 就 是 利 用 计 算 机 进 行 动 画 的 设 计 与 创 作 ， 产 生 真 实 的 立 体 场景 与 动 画 。 而 动 画 的 基 本 原 理 是 利 用 人 得 视 觉 暂 留 ， 当 许 多 动 作 连 续 的 单 张 图像 以 至 少 每 秒 12 张 得 速 度 播 放 ， 我 们 就 认 为 这 些 图 象 是 连 续 的 ， 活 动 的 。 随着 计 算 机 的 速 度 越 来 越 快 、 图 形 处 理 、 数 据 存 储 和 网 络 功 能 的 越 来 越 强 ， 电 脑三 维 动 画 制 作 也 从 实 验 室 走 向 应 用 。一 般 说 来 ， 传 统 的 手 工 动 画 制 作 要 完 成 一 分 钟 的 动 画 制 作 ， 就 得 手 工 绘 制720 张 以 上 的 图 片 ； 尽 管 其 中 也 有 制 作 技 巧 可 以 节 省 部 分 工 作 量 ， 但 是 制 作 过程 还 是 相 当 繁 琐 的 ， 一 般 人 根 本 无 法 参 与 这 样 的 动 画 制 作 活 动 2。 与 传 统 的二 维 手 工 制 作 的 动 画 相 比 ， 电 脑 第 一 次 真 正 地 使 三 维 动 画 成 为 可 能 ， 极 大 地 提高 了 工 作 效 率 ， 增 强 了 动 画 制 作 效 果 。 利 用 电 脑 进 行 三 维 动 画 的 创 作 不 仅 使 动画 制 作 摆 脱 了 传 统 的 手 工 劳 动 的 繁 琐 ， 把 人 真 正 地 解 放 出 来 ， 也 使 动 画 制 作 跨入 一 个 全 新 的 时 代 同 时 使 每 个 人 都 有 了 充 分 展 示 自 己 的 才 华 、 进 行 创 造 性 劳 动的 机 会 ， 因 此 三 维 技 术 收 到 了 广 泛 的 欢 迎 。1.2 三维动画仿真技术的应用三 维 动 画 又 称 3D 动 画 ， 是 近 年 来 随 着 计 算 机 软 硬 件 技 术 的 发 展 而 产 生 的新 兴 技 术 。 三 维 动 画 软 件 在 计 算 机 中 首 先 建 立 一 个 虚 拟 的 世 界 ， 设 计 师 在 这 个虚 拟 的 三 维 世 界 中 按 照 要 表 现 的 对 象 的 形 状 尺 寸 建 立 模 型 以 及 场 景 ， 再 根 据 要求 设 定 模 型 的 运 动 轨 迹 、 虚 拟 摄 影 机 的 运 动 和 其 他 动 画 参 数 ， 最 后 按 要 求 把模 型 赋 予 特 定 的 材 质 ， 并 打 上 灯 光 。 当 这 一 切 完 成 后 就 可 以 让 计 算 机 自 动 运 算 ，生 成 最 后 的 画 面 。三 维 动 画 技 术 模 拟 真 实 物 体 的 方 式 使 其 成 为 一 个 有 用 的 工 具 。 由 于 其 精 确性 、 真 实 性 和 无 限 的 可 操 作 性 ， 目 前 被 广 泛 应 用 于 医 学 、 教 育 、 军 事 、 娱 乐 等东北石油大学本科生毕业设计（论文）2诸 多 领 域 。 在 影 视 广 告 制 作 方 面 ， 这 些 新 技 术 能 够 给 人 耳 目 一 新 的 感 觉 ， 因 此受 到 了 众 多 客 户 的 欢 迎 。 三 维 动 画 可 以 用 于 广 告 和 电 影 电 视 剧 的 特 效 制 作 （ 如爆 炸 、 烟 雾 、 下 雨 、 光 效 等 ） 、 特 技 （ 撞 车 、 变 形 、 虚 拟 场 景 或 角 色 等 ） 、 广告 产 品 展 示 、 片 头 飞 字 等 3。三 维 动 画 涉 及 影 视 特 效 创 意 、 前 期 拍 摄 、 影 视 3D 动 画 、 特 效 后 期 合 成 、影 视 剧 特 效 动 画 等 。 随 着 计 算 机 三 维 影 像 技 术 的 不 断 发 展 ， 三 维 图 形 技 术 越 来越 被 人 们 所 看 重 。 三 维 动 画 因 为 它 比 平 面 图 更 直 观 ， 更 能 给 观 赏 者 以 身 临 其 境的 感 觉 ， 尤 其 适 用 于 那 些 尚 未 实 现 或 准 备 实 施 的 项 目 ， 使 观 赏 者 提 前 领 略 实 施后 的 精 彩 结 果 。1.3 三维动画技术的发展三维仿真技术的成熟以及迅猛发展让我们看到了这个行业的潜在发展前景，同时带动的相关行业有三维仿真制作、三维动画、三维仿真动画、虚拟三维、虚拟仿真等。下面就关于三维动画的发展为大家做个分享：三维动画目前已经全球性的大型新型产业，而其所带来的经济效益与社会影响力也越来越大，所以三维动画在我国的发展也受到了国内各界的关注。所以关注程度日益增高，但是三维仿真动画在国内的发展却遇到了很多的困难，首先缺少专业型的技术人才，而人才的培养却又不像专业的那么的完善和系统，缺少创新，缺少本土品牌。随着科技的发展，现今的动画可以通过计算机生成，从制作方式到观念，都产生了革命性的变化。计算机动画不仅摆脱了繁重的手工制作，并以其简便、高效、更具表现力的特点得到越来越广泛的应用。三维仿真动画主要依靠电脑图像技术，在虚拟的三维空间中，建造模型，设置色彩与材质，模拟真实灯光，并使这些物体在三维空间中动起来，画面效果真实、生活，可以体现出现实生活中所无法模拟的场面。所以给观众带来了极大的喜爱，同时目前的三维动画影片也在创造一个个的票房之最，无论是从经济上说还是从文化上来说，都是空前绝后的。东北石油大学本科生毕业设计（论文）3第 2 章 开发工具简介停运水源井-深井泵虚 拟 场 景 是 通 过 3D Max 建 模 工 具 创 建 相 关 模 型 的 虚 拟环 境 ， 让 用 户 能 够 在 所 构 建 的 虚 拟 场 景 中 概 要 的 了 解 操 作 流 程 。2.1 建模工具3D Max3D Max 是世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件，广泛应用于游戏开发、角色动画、电影电视视觉效果和设计行业等领域。 3D Max 是由Autodesk 公司旗下的 Discreet 公司开发推出的三维造型与动画制作软件。在上个世纪 90 年代之前，3D 制作软件还是大型工作站所特有的软件，一般人是很难接触到的。而 3D Max 软件率先将以前仅能在图形工作站上运行的三维造型与动画制作软件移植到微机电脑硬件平台上，因此该软件一经推出就受到广大设计人员和爱好者的欢迎，获得了广大的用户支持 4。2.1.1 3D Max 的特点3D Max 与其他的 3D 制作软件相比较，它具有易学、功能强大、应用广泛等特点。它是集建模、材质、灯光、渲染、动画、输出等于一体的全方位 3D 制作软件，可以为创作者提供多方面的选择，满足不同的需要。3D Max 系统拥有许多优良的特性,包括气象万千的材质编辑器(Material Editor) 。用户界面提供了强大的灵活性和工作能力。造型命令和编辑修改命令，功能相当强大。多操作系统支持，系统在 Windows 9x 和 Windows NT 上都可以运行。方便控制和编辑动画顺序的对话框。和其它相关软件配合流畅。做出来的效果非常的逼真。3D Max 提供了过去的建模、动画及渲染解决方案，但是这个系统的潜力要靠一个庞大的插件和扩展程序市场来支持，比如有支持其带有阴影能力的体积烟雾渲染输出的插件，或者模拟复杂流体动力学的插件等，3D Studio Max 是第一款可以直接通过插件程序渲染出 Flash 动画格式的三维软件，另外还有几种插件渲染程序，可以支持 3D Studio Max 进行更强有力的光线追踪算法和全局照明渲染。如果加上这些高端的插件程序，3D Studio Max 要比其他的软件程序贵很多。2.1.2 学习 3D Max 应具备的能力（1）三维空间能力东北石油大学本科生毕业设计（论文）4三维空间能力的锻炼，熟练掌握视图、坐标与物体的位置关系。应该要做到放眼过去就可以判断物体的空间位置关系，可以随心所欲地控制物体的位置。这是最基本的要掌握的内容，如果掌握不好，下面的所有内容都会受到影响。有了设计基础和空间能力的朋友，掌握起来其实很简单；没有基础的朋友，只要有科学的学习和锻炼方法，也可以很快地掌握。这是课程培训里的第一步，一般人第一天就可以掌握了。（2）基本操作命令基本的几个操作命令：选择、移动、旋转、缩放、镜像、对齐、阵列、视图工具，这些命令是最常用也是最基本的，几乎所有制作都用到。几个常用的三维和二维几何体的创建及参数，熟悉了之后，就掌握了 3DMAX 的基本操作习惯。（3）二维图案编辑二维图案的编辑，这是非常重要的一部分内容，很多三维物体的生成和效果都是取决于二维图案。主要是用“Edit Spline”来实现。对于曲线图案的点、段、线编辑主要涉及到几个常用的命令：Attach Refine Outline Boolean Trim Weld Fillet Chamfer 等，熟练掌握这些子命令，才可以自如地编辑各类图案 5。（4）常用编辑命令几个常用必备的编辑命令，掌握了这些命令，制作效果的模型一般都可以应付了，此外还有些命令，也在效果图制作中时有用到。掌握了几个这样的命令，其他的都可以完全自行学习了，但是也不必要每个都了解，毕竟有一部分极少用到的。这也是之前提到的学习要分清楚方向和应用。不是眉毛胡子一把抓。（5）材质灯光材质、灯光是不可分割的，材质效果是靠灯光来体现的，材质也应该影响灯光效果表现。没有灯光的世界都是黑的。材质、灯光效果是效果图的灵魂，也是效果图制作一个难点。如何掌握好材质灯光效果，大概也有以下几个途径和方法：掌握常用的材质参数、贴图的原理和应用。熟悉灯光的参数及与材质效果的关系。灯光、材质效果地表现主要是物理方面的体现，应该加强实际常识的认识和物理知识。想掌握好材质、灯光效果的控制，除了以上的几方面，感觉也是很重要的，也是突破境界的一个瓶颈。所谓的感觉，就是艺术方面的修养，这就需要不断加强美术方面的修养，多注意观察实际生活中的效果，加强色彩方面的知识等 6。2.1.3 3D Max 动画制作流程一个完整的三维动画的制作总体上可分为前期制作、动画片段制作与后期合东北石油大学本科生毕业设计（论文）5成 3 个部分，以下让我们浅谈一下三维动画制作的流程。以建筑动画为例，计算机三维动画制作的一般过程为：（1）前期制作前期制作时指在使用计算机制作前，对动画进行的规划与设计。前期准备是非常重要的，通常称之为动画的脚本设计，是对整个动画的一个初步规划。这可能会花费很多的时间及精力，但一个准备充分的脚本会明显减少构思被否定的机率，更可减少客户对创意的认知差异，减少修改次数。（2）模型制作这是三维动画中很繁重的一项工作，模型制作是整个动画的基础。借助计算机三维动画软件( AutoCAD，3D Max、Maya 等) 将设计方案输入计算机，建立三维模型。（3）材质赋予所谓材质实际上是对物体表面定义的一系列属性，包括颜色、质感、纹理、反射、透明等。可利用材质库，或自己制作材质。赋予景物表面一定的材料，是真实表现实际景物的关键。在 3D Max 系统中，为了表现物体表面材料的质感，材料属性中还包括另外一组十分重要的属性，即材料的贴图。材料的贴图包括漫反射贴图、表面凹凸贴图、自发光贴图、反射贴图等。（4）照明设置设置光源的位置、方向、亮度等。光的设置要保证模拟效果，接近于自然光或特殊光源，以求逼真的效果。如今的三维软件系统在阴影算法及光照算法方面己能逼真地模拟出环境光。目前，三维软件系统中普遍采用的光照方法主要有两种：一种是局部光照，它只考虑光源的漫反射，如镜面反射；另外一种是全局光照，它主要考虑物体间的相互影响及光在物体间的吸收情况，如反射、折射等。（5）摄影机设置依照摄像原理在三维动画制作中使用摄影机，实现分镜头剧本设计的镜头效果。画面的稳定、流畅是使用摄影机的第一要素。选择适当的拍摄角度，这对于作品的构图形式及整体艺术风格的把握有很重要的意义 7。2.1.4 3D Max 的发展历程3D Max 的出现给动画爱好者带来了莫大的喜讯，其强大的功能可以在当时的 386PC 机上流畅的运行，最重要的是 3D Studio Max 价格却是非常的低廉，一推出在市场上就引起极大的回响。由 Autodesk 旗下的 Kinetix 开发的 DOS 版本的 3D Studio Max 诞生在 20 世纪 80 年代末，进入 90 年代后，随着 PC 计算机软硬件技术的高速发展，16 位操作系统 DOS 平台转入 32 位的 Windows 平台。3D Studio Max 必须面临 Windows 平台的移植困难，因此 3D Studio Max 的开发工作东北石油大学本科生毕业设计（论文）6悄然启动。1996 年转型为 Windows 操作系统下的桌面程序，由 Kinetix 正式推出，命名为 3D Max，在随后的 2.5 和 3.0 版本中，3D Max 的功能慢慢完善起来，将当时主流的技术包含了进去，如增加了被称为工业标准的 NURBS 建模方式。其后的3.1 版是非常优秀的版本，其卓越的稳定性致使现在有许多人还在使用此版本。在随后的升级中，它不断把优秀的插件整合进来，在 4.0 版中收入了以前单独出售的 Character Studio；在 5.0 版中加入了功能强大的 Reactor 动力学模拟系统，全局光和光能传递渲染系统；在 6.0 版本中将 3D Max 爱好者期待已久的电影级渲染器 Mental Ray 整合了进来；在 7.0 版中新增了多边形建模和非线性动画以及群集模拟功能；在 8.0 版中集成了 Autodesk Vault 全功能数据管理和资源跟踪解决方案，解决了数据管理、角色动画以及其速度、性能提升的要求，从而满足了三维动画制作流程不断增长的复杂性 8。从国际上看，电脑动画技术的发展正在趋向于规模化、网络化。首先，规模化是指应用范围广而应用水平和产生的效益高，在许多的行业和应用领域都可以使用 3D Max 软件来完成动画和效果，特别是游戏这个新兴行业，利用 3D Max 来制作图形动画设计、角色动画设计、高级动漫游戏造型设计、3D 多媒体设计等。 其次，网络化表现为网络技术和电脑动画技术间的相互促进。2.2 整合工具Virtools2.2.1 Virtools 简介Virtools 是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起， 使用者只需要利用鼠标拖放 Virtools 自带的行为模块（简称 BB）到对象的行为脚本（Script）中设计交互便可建构出丰富的互动应用程序，并支持脚本语言 VSL 和 SDK，使开发的流程缩短、开发的难度降低；3DS Max 强大的建模功能可以得到 Virtools 自带的 3D 模型文件转换插件的支持，使得实时三维交互产品的技术实现变得便捷、高效；Virtools 自带的网页播放器 3D Life Player 可以播放 Virtools 输出的 Html 文件，因而使得 Virtools 的运行环境降低，同时还支持基于 B/S（Browser/Server）模式的虚拟试验系统的开发设计；全新概念的 PCS（Product Context Scenario）制作流程，提供各阶层的使用者从产品的初期设计、虚拟环境的仿真、再到 3D 互动操作的完整体验，大幅度降低了产品的研发时间与开发成本，能制作出很多不同领域的三维产品：如建筑仿真、军事模拟、多媒体教学、数字娱乐、游戏开发等，应用领域非常广泛。Virtools 制作具有沉浸感的虚拟环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。