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东北石油大学本科生毕业设计(论文)地层破裂三维模型的构建摘 要破裂压力是指在井内某一深度裸露地层承受外界压力的能力是有限的,当施加该处的压力达到一定值时,地层将发生破碎或裂缝。正常地层破裂压力一般随井深增加而增大,因此,在钻井时,钻井液柱压力的下限要保持与地层压力相平衡,实现压力控制,以避免压裂地层造成井漏。为了更好的了解地层破裂,本次设计制作了地层破裂的三维效果动画及视频。地层破裂三维模型的构建是三维地层破裂效果能够实现的基础,地层破裂压力三维模型的构建主要是通过 3ds Max 2009 来实现。三维地层破裂压力效果的研究与制作是运用 3ds Max,Photoshop 等软件制作防喷器组的模型,通过材质编辑、模型优化等步骤,将模型逐步完善,然后完成相应功能的动画制作,利用 VRay渲染出图,最后使用 AE 完成视频的制作。通过三维地层破裂压力效果的视频的展示,可以直接观摩地层破裂压力过程,使培训人员能够更直观地了解地层破裂压力的原理,该培训方式不仅节省资源,而且不受空间和时间的限制。关键词:地层破裂;三维模型;动画东北石油大学本科生毕业设计(论文)AbstractFormation fracture pressure refers to the process of oil and gas drilling. When formation pressure is higher than the wellbore pressure, formation fluid sprays a lot from the ground or flows into other strata of the phenomenon, this is a vicious drilling accident,and mostly in oil and gas exploration site. The blowout is set by the eruption enormous pressure and shock wave,which causing casualties and property losses. Blowout is a very harmful drilling accident, once it happens often have serious consequences, we must take strict precautions. In order to prevent and realize the blowout better, the design is made with animation and video of effect of the three- dimensional blowout.Three-dimensional model of the blowout is the basis, which can be achieved based on the construction of three-dimensional model.Blowout is mainly achieved through 3ds Max 2009. Three-dimensional effect of blowout in the research and production is the use of 3ds Max, Photoshop and other softwares to make the bop stack model, the material editor, model optimization and other steps, gradually improve the model, complete with RealFlow particle production, and then complete the corresponding function animation using VRay Render plot, and finally use AE completion of video production.Through the effect of three-dimensional video display blowout, you can directly observe the blowout process so that trainers can be more intuitive understanding of the principles of blowout, this training approach not only saves resources, but from space and time constraints.Keyword: formation fracture; Three-dimensional model; The particle东北石油大学本科生毕业设计(论文)1目 录第 1 章 概述 .11.1 地层破裂培训的研究背景 .11.2 地层破裂培训的研究意义 .21.3 虚拟仿真在地层破裂模拟中的应用 .21.4 制作地层破裂三维动画的意义 .3第 2 章 开发工具简介 .42.1 建模工具 3D Max.42.2 辅助工具 Photoshop CS.62.3 RealFlow .72.4 After Effects 简介 .7第 3 章 地层破裂动画制作分析 .93.1 地层破裂基本知识介绍 .93.2 地层破裂虚拟场景需求分析 .93.3 总体设计 .103.4 构建场景的现实意义 .11第 4 章 地层破裂压力虚拟场景的详细设计与实现 .124.1 三维场景的构建 .124.2 三维模型的优化 .244.3 三维动画制作 .244.4 对三维技术发展的展望 .30总 结 .32参考文献 .33致 谢 .34东北石油大学本科生毕业设计(论文)1第 1 章 概述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 地层破裂培训的研究背景近几年来,计算机技术得到了蓬勃发展。主要表现为:高性能个人计算机应运而生;人机交互技术得到了广泛的应用;计算机网络与通信也取得了突破性的进展;与此同时虚拟现实技术也以出人意料的速度向前发展 2。虚拟现实有其自身的固有特点(如:交互性、构想性、沉浸性)和研究原则(如:低成本、高性能) ,这些特点和原则在一定程度上拓宽了虚拟现实的应用领域。使其由最初的航空航天领域逐渐推广普及到科研领域、军事领域、教育文化领域、娱乐领域、医学领域等诸多领域。同时,由于虚拟现实技术在具体的应用过程中与其它技术相比,具有更强的可操作性和开放性等优势,被广泛的应用到了工业仿真中的油田培训之中。随着油气田勘探开发领域不断拓展延伸,各种类型的钻井地层不断出现,这使得许多油井区块所面临的风险和压力逐渐增大,很难有效的保证钻井工作的安全进行。因此,只有充分认清钻井地层的严峻形势,才能真正实现安全钻井工作。介于钻井时地层破裂工作当前面临的问题,钻井部门需要在钻井工作中要采取积极有效的措施来加强员工的安全意识,提高员工的井控工作素质。因此,地层破裂模拟仿真培训显得尤为重要,一方面可以使员工习得更多的地层破裂的相关知识,提高钻井工作操作技能;另一方面可以加强钻井的基础工作,更好的保障油田的安全生产。但是,目前油田所采取的地层破裂模拟仿真培训方式存在着严重弊端,如:由于定期考核等传统培训的手段过于机械、呆板,不但不能调动员工的积极性,同时也加重了钻井工人的工作负担,既浪费了培训资源,又无法取得所预期的效果。为了从根本上破解地层破裂模拟仿真的培训的难题,使得钻井培训沿着科学化、规范化的方向发展,本课题拟采用计算机编程技术,虚拟现实技术与多媒体技术等多种技术相结合的方法,对钻井过程中人地层破裂过程进行仿真,并将其应用到钻井培训中,对改善当前钻井培训的现状起到积极的作用。东北石油大学本科生毕业设计(论文)21.2 地层破裂培训的研究意义在钻井地层破裂培训中引进虚拟仿真技术,不仅能够使得复杂的情况变得简单具体,而且能够使得抽象的理论变得生动形象。具体来说,本课题研究的主要意义表现为以下几点:一、培训效果更加突出。在以往的钻井地层破裂培训中,培训者倾向于让员工对一些书本上的内容进行机械地记忆,无法调动员工的兴趣,导致许多员工无法将所记忆的理论具体地应用到钻井工作的实践中去,而采用虚拟仿真技术,可以模拟地层破裂中所遇到的复杂情景,从而让员工更为清晰地掌握操作流程,在大脑中形成相关画面,使得培训的效果更加明显,更加突出。二、培训方式更加灵活。在传统的钻井地层破裂培训中,所运用的培训方法过于单一,同时与员工之间缺少必要的互动环节。在培训中引入虚拟现实技术可以使培训不受环境、场地和时间等因素的限制,从而使得培训的方式更为灵活。三、培训的安全指数教高。传统的钻井地层破裂培训中,由于钻井地层破裂工作的复杂性,很多时候员工需要进行实地训练,难免会有危险因素的存在。而基于虚拟现实的培训方式主要在室内进行,这样有力地保证了培训人员以及受培训员工的安全,增强了培训的安全指数。四、培训周期较短、成本较低。在传统的钻井地层破裂培训中,培训需要对受训人员进行集中组织,这样势必要占用较多的资源,耗费较高的资本。而基于虚拟仿真技术所进行的培训,往往只需要投入一次。可以真正地实现资源共享。因而,具有更高的经济效益。1.3 虚拟仿真在地层破裂模拟中的应用钻井地层破裂模拟起源于上世纪八十年代,随着电子技术和计算机技术的发展,国际上开始出现了钻井地层破裂模拟培训装置,特别是计算机仿真技术的引入,使钻井过程能在计算机上进行灵活多样的动态仿真实验。目前,英国的 Drilling Systems 公司在钻井钻井地层破裂仿真系统研究领域中处于领先地位3。近几年来随着计算机科学技术的发展,我国的钻井技术及地层破裂模拟技术都有了长足的发展,经过国内各院校及研究所的研究人员的努力,国内开发的某些钻井地层破裂仿真系统也已达到了国际水平,目前国内现有的计算机钻井地层破裂训练仿真系统基本以程序控制三维动画为主。钻井地层破裂模拟装置都是基于钻井设备等的硬件仿真基础之上,仿真系统普遍存在操作复杂,维护困难,维修费用高等问题。随着计算机图形技术、东北石油大学本科生毕业设计(论文)3虚拟现实技术、计算机网络技术等的发展,使得对钻井地层破裂工艺进行精度高、逼真性高基于软件基础的模拟成为可能,使钻井地层破裂模拟向着多元化、可视化方向发展,充分利用信息技术的优势,特别是随着虚拟现实技术的发展,钻井地层破裂模拟系统将更加具有真实感和沉浸感,训练功能将更加丰富,系统将更加完善。1.4 制作地层破裂三维动画的意义当发生钻井地层破裂事故时,为挽救工作人员的人身安全和国家财产。通过对钻井地层破裂模拟仿真的虚拟实现,能够让操作人员反复模拟场景练习,不仅节省国家资源,更能保证操作者的安全。利用基于虚拟现实技术的三维动画技术进行教学,不仅能节省资金,降低危险,还能使这些环节联系更加密切,使受训员工进入每个部分进行深入了解,往往能学到现实当中无法接触的东西。既能为员工提供知识学习的机会,又能为提高其操作技能提供锻炼的场所,观察到了在现实中很难看到的景象,而且不受空间和时间的限制。东北石油大学本科生毕业设计(论文)4第 2 章 开发工具简介地 层 破 裂 压 力 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 安 全 操 作 流 程 和 基 本 注 意事 项 。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 5。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 6。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 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 386 PC 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 计东北石油大学本科生毕业设计(论文)5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 6。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。2.1.3 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,东北石油大学本科生毕业设计(论文)6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。(6)动画设置较简单的摄像机漫游动画一般采用关键帧技术,该技术是动画中对象的运动方式或运动速度发生变化的关键画面,包括摄像机注视、及路径动画等。(7)动画渲染输出是指根据场景的设置、赋予物体的材质和贴图、灯光等,由程序渲染输出成一幅完整的画面或一段动画,可输出为*.AVI 格式或者*.TIF 格式的序列帧文件。2.2 辅助工具Photoshop CSPhotoshop CS 是由 Adobe 公司出品,英文全称是 Adobe Systems Inc,始创于 1982 年,是广告、印刷、出版和 Web 领域首屈一指的图形设计、出版和成像软件设计公司,同时也是世界上第二大桌面软件公司。公司为图形设计人员、专业出版人员、文档处理机构和 Web 设计人员,以及商业用户和消费者提供了首屈一指的软件。使用 Adobe 的软件,用户可以设计、出版和制作具有精彩视觉效果的图像和文件 7。Photoshop 是 Adobe 的核心产品。Photoshop V8.0 是 Photoshop 中最经典的版本,它不仅是专业摄影师理想的选择,也是图像处理爱好者的首选工具。Photoshop V8.0 提供了简洁的工作界面和丰富实用的功能,Photoshop V8.0 由标题栏、工具箱、菜单栏、属性栏和选项面板组成,Photoshop V8.0 的工具由移动工具、魔棒工具、钢笔工具、渐变工具、套索工具等组成,Photoshop V8.0的滤镜包括像素化、扭曲、杂色、模糊、渲染、画笔描边、素描、纹理、艺术效果、锐化、风格化、其他。Photoshop V8.0 的选项面板由画笔、图层、路径、东北石油大学本科生毕业设计(论文)7色板、导航器等组成。2.3 RealFlowRealFlow 的制作思路是通过粒子模拟流体、气体、火焰等自然界中的流动与碰撞,运算出正确的运动轨迹,再在质点与质点之间产生平滑的多边形网格。保存序列文件后,再导入到其他 3D 软件中渲染,从而达到完美的视觉效果 8。RealFlow 是 3ds max、Maya、LightWave、Softimage|X

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