钻井公司气泵与电泵设备模型及动画制作毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）钻井公司气泵与电泵设备模型及动画制作摘 要在科学技术飞速发展的今天，许多领域都出现了产业革新的景象。油田部门利用高新技术来替代以前靠手工来完成的工作。钻井远程控制台中需要对设备进行仿真，来了解设备的工作原理。其中电泵、气泵是钻井远程控制台核心的组成部分。本系统是对电泵、气泵进行功能仿真，目的是为了了解电泵和气泵在实际工作中的工作流程。系统利用虚拟现实技术，因为虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，利用虚拟现实对设备模型的建立及动画制作和系统的功能仿真，可以清楚的了解设备的工作原理。系统运用虚拟现实技术对气泵、电泵进行仿真，通过 3D Max 2013 实现对设备三维模型建立，借助 Photoshop 软件对模型材质进行优化以达到更加逼真的效果；然后运用 3d max2013 模拟电泵与气泵的工作流程及动画制作。利用 VRay 渲染器将每一个关键帧渲染成图片；后期使用软件 AE 将渲染出的图片合成动画视频。根据电泵和气泵的实际工作流程设计制作电泵和气泵的三维动画形象生动的展示电泵和气泵工作原理。通过动画演示可分析解释电泵和气泵的操作流程以及工作原理，使客户能够更直观、更深刻地掌握电泵和气泵的工作的整个流程，有助于安全操作。关键词：仿真；三维模型；电泵；气泵东北石油大学本科生毕业设计（论文）AbstractIn the rapid development of science and technology today, many areas have suffered industrial innovation scene. Oil used the high-tech sector to replace the previous work done by hand. Remote Console drilling equipment needs to be simulated to understand the working principles of the device. Where in the pump, the pump is a remote console drilling core component.This system is a pump, pump functional simulation, the purpose is to understand the pump and the pump work processes in the actual work. System using virtual reality technology, because virtual reality is the use of computer simulation to generate a three-dimensional virtual world space, in time, there is no limit to observe things in three dimensions, the use of virtual reality and animation to build the model of the device and system functions simulation, we can clearly understand the working principles of the device.System using virtual reality technology to pump, pump simulation, 3D Max 2013 achieved through a three-dimensional model of the equipment, using Photoshop software to optimize the model material in order to achieve a more realistic effect; then simulated using 3d max2013 pump and pump work processes and animation. VRay renderer renders the use of each key frame into the picture; late AE will use software rendering pictures synthetic animated video.According to the actual working process of electric pump and pump design and manufacture of pumps and pump the three dimensional animation. Vivid display pumps and pump works. Through the analysis of the animation can explain the operating process and working principle of electric pump and pump, allows customers to more intuitive, more profound grasp of the whole process of electric pump and pump work, help to safe operation. Key words: simulation; 3D model; electric pump; air pump东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 概述 .11.1 三维模型概述 .11.2 三维模型国内外的现状 .11.3 三维模型在油田中的应用 .1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 VRAY渲染器 .72.4 AFTER EFFECTS简介 .8第 3 章 电泵与气泵动画制作分析 .93.1 QB21-80 型电泵基本知识 .93.2 活塞式气泵基本知识 .103.3 电泵和气泵虚拟场景需求分析 .123.4 总体设计 .133.5 主要任务 .14第 4 章 电泵和气泵虚拟场景的详细设计与实现 .174.1 三维场景的构建 .174.2 制做电泵和气泵模型 .174.3 三维动画制作 .31总 结 .38参考文献 .39致 谢 .40东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 概述1.1 三维模型概述随着三维扫描设备和三维建模软件的发展,三维模型的数量快速增长并且广泛地应用于各个领域中,研究一套高效的三维模型检索系统势在必行。在三维模型检索系统中,特征提取算法是其关键技术。三维模型一般被划分为两种类型：刚体三维模型和非刚体三维模型,相应地形成了刚体三维模型库和非刚体三维模型库,它们分别应用于某些特定领域,然而更多的应用需要既包含刚体三维模型又包含非刚体三维模型的通用三维模型库。三维模型检索主要包括模型标准化预处理、特征提取和相似度计算三个步骤。1.2 三维模型国内外的现状随 着 图 形 硬 件 的 发 展 ， 视 点 不 相 关 递 进 网 格 算 法 应 用 到 地 形 可 视 化 方 面 ，国 内 外 关 于 三 维 建 模 这 方 面 的 研 究 大 致 可 分 为 以 下 四 类 ：（ 1） 基 于 二 维 GIS 向 三 维 GIS 扩 展在 二 维 GIS 数 据 的 基 础 上 构 建 三 维 GIS 是 目 前 三 维 建 模 的 重 要 途 径 之 一 。这 种 方 法 的 优 点 省 略 了 数 据 采 集 的 步 骤 ， 建 模 速 度 比 较 快 ； 缺 点 是 由 于 二 维GIS 数 据 中 信 息 缺 失 ， 如 缺 少 房 屋 建 筑 物 的 高 楼 信 息 ， 只 能 依 据 层 数 推 测 房 屋建 筑 物 的 高 度 ， 这 种 方 法 由 于 缺 乏 准 确 的 第 三 维 数 据 以 及 空 间 关 系 的 表 达 ， 所能 表 达 的 信 息 较 少 、 精 度 较 低 ， 进 行 空 间 分 析 能 力 有 限 。（ 2） 三 维 建 模 工 具采 用 三 维 建 模 软 件 ， 目 前 较 为 常 用 的 是 Autodesk 公 司 的 sdsMAX 和Maya、 Multigen 公 司 的 Creator、 Google 公 司 的 SketchUp、 Microsoft 旗 下Caligari 公 司 的 trueSpacd 等 ， 利 用 采 集 的 空 间 三 维 信 息 构 建 立 体 模 型 的 转 入转 出 并 制 作 的 三 维 地 物 模 型 外 观 精 细 、 美 观 ； 缺 点 是 适 合 小 范 围 内 的 三 维 重 建 ，大 范 围 的 三 维 重 建 不 仅 工 作 量 大 而 且 地 物 与 地 形 的 集 成 匹 配 较 为 繁 琐 。（ 3） 数 字 地 形 图DEM 与 航 空 航 天 遥 感 影 像 叠 加 起 来 构 建 三 维 立 体 模 型 。 如 Lothar Koppers 借 助 VRML 语 言 将 影 像 和 高 程 网 格 叠 加 在 一 起 ， 实 现 了 可 以 任 意 漫 游的 三 维 景 观 模 型 ,Tsuyshi Honjio 借 助 CAD 系 统 将 影 像 叠 加 到 DEM 上 ， 在 此东北石油大学本科生毕业设计（论文）2基 础 上 添 加 地 物 模 型 生 成 地 形 景 观 模 型 。 这 种 建 模 技 术 较 适 合 大 范 围 区 域 内 三维 地 形 浏 览 ， 但 是 空 间 对 象 的 编 辑 、 查 询 和 空 间 分 析 的 功 能 比 较 弱 。（ 4） 真 三 维 空 间 数 据 模 型随 着 三 维 数 据 获 取 技 术 的 快 速 发 展 和 计 算 机 性 能 的 提 高 ， 获 取 大 面 积 精 细 、完 整 的 三 维 信 息 相 对 容 易 实 现 ， 迫 切 需 要 一 个 真 三 维 的 空 间 数 据 模 型 来 组 织 和管 理 三 维 数 据 。 国 内 外 许 多 专 家 进 行 了 大 量 的 探 索 和 研 究 ， 目 前 将 三 维 空 间 模型 大 致 分 为 三 类 基 于 矢 量 结 构 的 、 基 于 栅 格 结 构 的 和 失 栅 混 合 结 构 的 。 国 内 外一 些 著 名 的 公 司 与 研 究 机 构 也 已 经 相 继 堆 出 了 比 较 有 代 表 性 的 三 维 软 件 系 统 。2003 年 ESRI 公 司 推 出 了 ArcGIS9.0 并 出 现 ArcScene 和 ArcGlobe 模块 。Autodesk 公 司 在 原 先 AutoCAD 平 面 信 息 基 础 上 拓 展 了 三 维 功 能 等 。美 国 的 ERDAS 公 司 开 发 研 制 的 IMAGINE Virtual GIS。 此 系 统 为 三 维环 境 下 的 可 视 化 分 析 表 达 提 供 了 地 理 信 息 系 统 的 功 能 ， 用 户 可 以 实 现 对 三 维 景观 进 行 实 时 查 询 与 交 互 式 操 作 。 主 要 功 能 有 三 维 可 视 化 ， 交 互 式 操 作 、 实 时 贯穿 飞 行 以 及 目 标 对 象 的 集 成 链 接 ， 同 时 能 够 建 立 虚 拟 现 实 的 世 界 。美 国 的 Skyline 软 件 。 Skyline 软 件 是 融 合 了 GIS， RS， GPS 和 虚 拟 现实 技 术 VR 的 三 维 可 视 化 GIS。 利 用 数 字 正 射 影 像 、 数 字 高 程 模 型 、 矢 量 数 据 、三 维 模 型 和 属 性 数 据 等 多 种 数 据 源 ， 建 立 交 互 式 三 维 可 视 化 的 场 景 ， 能 够 快 速创 建 、 编 辑 、 浏 览 、 管 理 和 分 析 大 区 域 范 围 的 三 维 景 观 ， 而 且 能 够 支 持 大 型 数据 库 和 实 时 的 信 息 通 讯 技 术 。国 内 适 普 软 件 有 限 公 司 的 IMAGIS Classic。 该 系 统 是 一 套 综 合 了 数 字正 射 影 像 （ DOM） 、 数 字 地 面 模 型 （ DEM） 数 字 线 化 图 （ DLG） 和 数 字 栅 格图 （ DRG） 四 类 对 像 的 虚 拟 现 实 管 理 的 地 理 信 息 系 统 。 此 系 统 结 合 了 3D 可视 化 技 术 与 虚 拟 现 实 技 术 VR， 完 全 可 以 真 实 重 现 特 定 环 境 下 的 三 维 场 景 ， 把所 有 管 理 对 象 都 置 于 同 一 个 真 实 的 三 维 可 视 化 世 界 中 。国 内 灵 图 的 VRmap。 VRmap 能 够 支 持 DIrectX 和 OpenGL 两 种 国 际上 主 流 的 图 形 软 件 ， 可 以 充 分 利 用 目 前 计 算 机 软 件 性 能 和 不 断 发 展 的 数 字 地 形学 理 论 和 技 术 ， 而 且 其 具 备 较 为 完 整 的 空 间 数 据 体 系 ， 强 大 的 三 维 空 间 数 据 处理 和 分 析 功 能 ， 海 量 空 间 数 据 的 管 理 水 平 ， 支 持 大 规 模 场 景 的 可 视 化 ， 较 高 的数 据 共 享 与 互 操 作 性 ， 并 且 具 有 包 括 VBA、 插 件 和 控 件 的 开 发 功 能 ， 适 合 用于 开 发 三 维 可 视 化 应 用 系 统 。三 维 模 型 为 油 田 解 决 模 型 制 作 方 案 ， 采 用 虚 拟 现 实 环 境 建 模 技 术 、 多 重细 节 技 术 、 三 维 景 观 数 据 库 技 术 等 关 键 技 术 ， 进 行 对 整 个 设 备 进 行 真 彩 色 还原 ， 构 建 三 维 动 画 虚 拟 模 型 。 在 具 有 真 实 三 维 场 景 中 ， 进 行 对 设 备 的 管 理 及真 实 还 原 其 工 作 原 理 。 该 系 统 提 供 从 计 算 机 模 拟 的 三 维 场 景 中 多 角 度 查 看 现实 中 的 设 备 、 工 作 原 理 等 可 以 查 询 相 关 属 性 信 息 , 辅 助 使 用 者 解 决 面 临 的 问东北石油大学本科生毕业设计（论文）3题 。 这 将 对 整 个 油 区 信 息 化 建 设 具 有 重 要 的 意 义 1。在石油工业中，仿真技术主要有数字计算仿真技术和视景仿真技术两类。其中，数字计算仿真主要用于数学模型的建立以及精确数值的求解，以实现对石油开采过程中的数据进行监控或对设备进行定量分析后进行机械制造，侧重于精确的数值计算，得到的是精确的数据；视景仿真是生成一个逼真的虚拟环境，用户可与系统进行交互。在石油行业中主要是构造油田设备的三维模型、再现真实的环境并模拟石油钻井工艺的过程，达到非常逼真的仿真效果，侧重于画面的真实感。1.3 三维模型在油田中的应用三 维 模 型 为 油 田 解 决 模 型 制 作 方 案 ， 采 用 虚 拟 现 实 环 境 建 模 技 术 、 多 重细 节 技 术 、 三 维 景 观 数 据 库 技 术 等 关 键 技 术 ， 进 行 对 整 个 设 备 进 行 真 彩 色 还原 ， 构 建 三 维 动 画 虚 拟 模 型 。 在 具 有 真 实 三 维 场 景 中 ， 进 行 对 设 备 的 管 理 及真 实 还 原 其 工 作 原 理 。 该 系 统 提 供 从 计 算 机 模 拟 的 三 维 场 景 中 多 角 度 查 看 现实 中 的 设 备 、 工 作 原 理 等 可 以 查 询 相 关 属 性 信 息 , 辅 助 使 用 者 解 决 面 临 的 问题 。 这 将 对 整 个 油 区 信 息 化 建 设 具 有 重 要 的 意 义 1。在石油工业中，仿真技术主要有数字计算仿真技术和视景仿真技术两类。在石油行业中主要是构造油田设备的三维模型、在真实的环境并模拟石油钻井工艺的过程，达到非常逼真的仿真效果，侧重于画面的真实感。现今油田中钻井远程控制台需要进行设备工作流程仿真及动画制作。在控制台中，最核心的设备是电泵和气泵，它们的功能是对控制控制台中液压油的流向，其目的是使液压油顺利地流进蓄油罐和液压油从蓄油罐中流出，实现控制台的功能。本系统是对油田中远程控制台中电泵和气泵进行模拟，下文会对电泵、气泵的功能仿真和动画制作进行详细介绍。东北石油大学本科生毕业设计（论文）4第 2 章 开发工具简介电 泵 和 气 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 钻 井 井 控 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 Studio Max， 常 简 称 为 3ds Max 或 MAX， 是 Discreet 公 司 开 发 的（ 后 被 Autodesk 公 司 合 并 ） 基 于 PC 系 统 的 三 维 动 画 渲 染 和 制 作 软 件 。 其 前身 是 基 于 DOS 操 作 系 统 的 3D Studio 系 列 软 件 2。 在 Windows NT 出 现 以 前 ，工 业 级 的 CG 制 作 被 SGI 图 形 工 作 站 所 垄 断 。 3D Studio Max + Windows NT组 合 的 出 现 一 下 子 降 低 了 CG 制 作 的 门 槛 ， 首 先 开 始 运 用 在 电 脑 游 戏 中 的 动 画制 作 ， 后 更 进 一 步 开 始 参 与 影 视 片 的 特 效 制 作 ， 例 如 X 战 警 II， 最 后 的 武 士等 。 在 Discreet 3Ds max 7 后 ， 正 式 更 名 为 Autodesk 3ds Max， 最 新 版 本 是3ds max 2015。2.1.1 3D Max 的特点（ 1） 基 于 PC 系 统 的 低 配 置 要 求 ；（ 2） 安 装 插 件 （ plugins） 可 提 供 3D Studio Max 所 没 有 的 功 能 （ 比 如 说3DS Max 6 版 本 以 前 不 提 供 毛 发 功 能 ） 以 及 增 强 原 本 的 功 能 ；（ 3） 强 大 的 角 色 (Character)动 画 制 作 能 力 ；（ 4） 可 堆 叠 的 建 模 步 骤 ， 使 制 作 模 型 有 非 常 大 的 弹 性 。2.1.2 应用领域（ 1） 游 戏 动 画 ： 主 要 客 户 有 EA、 Epic、 SEGA 等 ， 大 量 应 用 于 游 戏 的场 景 、 角 色 建 模 和 游 戏 动 画 制 作 （ 2） 建 筑 动 画 ： 北 京 申 奥 宣 传 片 等 （ 3） 室 内 设 计 ： 在 3DMAX 等 软 件 中 ， 可 以 制 作 出 3D 模 型 ， 可 用 于 室内 设 计 、 例 如 沙 发 模 型 、 客 厅 模 型 、 餐 厅 模 型 、 卧 室 模 型 ， 室 内 设 计 效 果 图模 型 等 。东北石油大学本科生毕业设计（论文）5（ 4） 影 视 动 画 : 阿 凡 达 诸 神 之 战 2012 等 热 门 电 影 都 引 进 了 先 进的 3D 技 术 。 （ 5） 在 虚 拟 现 实 中 的 运 用 :建 三 维 模 型 ， 设 置 场 景 ， 建 筑 材 质 设 计 ， 场 景动 画 设 置 ， 运 动 路 径 设 置 ， 计 算 动 画 长 度 ， 创 建 摄 像 机 并 调 节 动 画 。 2.1.3 3D Max 的发展历程1990 Autodesk 成 立 多 媒 体 部 ， 推 出 了 第 一 个 动 画 工 作 3D Studio 软件1996 Autodesk 成 立 Kinetix 分 部 负 责 3ds 的 发 行1999 Autodesk 收 购 Discreet Logic 公 司 ， 并 与 Kinetix 合 并 成 立 了 新的 Discreet 分 部DOS 版 本 的 3D Studio 诞 生 在 80 年 代 末 ， 那 时 只 要 有 一 台 386 DX 以上 的 微 机 就 可 以 圆 一 个 电 脑 设 计 师 的 梦 。 但 是 进 入 90 年 代 后 ， PC 业 及Windows 9x 操 作 系 统 的 进 步 ， 使 DOS 下 的 设 计 软 件 在 颜 色 深 度 、 内 存 、 渲染 和 速 度 上 存 在 严 重 不 足 ， 同 时 ， 基 于 工 作 站 的 大 型 三 维 设 计 软 件Softimage、 Lightwave、 Wavefront 等 在 电 影 特 技 行 业 的 成 功 使 3D Studio 的设 计 者 决 心 迎 头 赶 上 。 与 前 述 软 件 不 同 ， 3D Studio 从 DOS 向 Windows 的移 植 要 困 难 得 多 ， 而 3D Studio MAX 的 开 发 则 几 乎 从 零 开 始 3。2.1.4 3D 软件的应用 （ 1） 机械制造:利用三维动画研究机械零配件的造型，模拟它们运行时的工作情况。 （ 2） 建筑装潢设计:以三维的形式展现建筑物和室内外装潢的效果。不仅快捷方便，还能完整预览建筑物的各个角度的效果，且透视十分精确。 （ 3） 商业产品造型和包装设计:比如瓶子、盒子、玩具等的设计，可以对包装品的外观形态、色彩图案等进行设计。 （ 4） 影视和商业广告:很多电视栏目的片头是用 3DSMAX 制作的，更多的产品广告、房地产广告等都可以用 3DSMAX 来制作。 （ 5） 电脑游戏和娱乐:优美的动画画面和游戏程序同样重要。 其他: 生物化学中用于生物分子之间的结构组成的研究，军事科技中可用于飞行员的模拟飞行、导弹飞行的动态研究，在医学中可以形象地演示人体内部组织等等，在此无法一一列举。 2.1.5 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）6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。（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。（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 CS东北石油大学本科生毕业设计（论文）7Photoshop 是 Adobe 公司推出的一款平面设计软件， Photoshop 也是 Adobe 的核心产品。Photoshop V8.0 是