1、東北石油大學本科生畢業設計（論文）鉆井公司遠程控制臺模型及動畫設計摘 要隨著油氣勘探開發領域的不斷延伸擴大，從路上到灘土淺海，從淺層到深層，鉆井難度越來越大，對井控技術的鉆井人員素質的要求越來越高。目前，已經有越來越多的人認識到，在科學鉆井技術得到廣泛應用和鉆井總體技術水平日益提高的今天，為了逼真模擬鉆井遠程控制臺過程，顯示相對應的井控畫面，以便為受訓者創造一個較為逼真的鉆井環境，達到模擬訓練的目的。為了實現這一目的，需研究鉆井過程中遠程控制臺三維場景的畫面以及動態變化。本文以三維技術在鉆井遠程控制臺應用為例，介紹了三維技術基本設計和實現方法，以及三維模型構建和三維場景的生成對鉆井遠程控制臺過

2、程動畫中的油壓在油箱、濾油器和蓄能器中的流動制作和蓄能器中的液壓油進入不同的減壓閥過程等合成等內容。若要創造逼真的虛擬環境，首先要創建逼真的虛擬場景，而虛擬場景的構建要通過三維建模技術來完成，三維模型的構建是鉆井遠程控制臺虛擬仿真能夠實現的基礎，也是虛擬動畫生成技術的一項重要研究內容。設計中三維模型的創建主要是通過3ds Max 來實現，本文詳細地介紹了3ds Max 建模的主要技術和方法，以及建模過程中經常出現的問題及解決方法，并且將該技術成功應用于鉆鉆井遠程控制臺虛擬動畫中。關鍵詞：虛擬動畫；三維模型；鉆井遠程控制臺AbstractWith the extension expansion,

3、 oil and gas exploration and development in the field of soil from the road to the beach shallow sea, from shallow to deep, drilling difficulty increasing, the drilling of well control technology personnel quality request is higher and higher.At present, there have been more and more people realize

4、that is widely applied in scientific drilling technology and drilling today, the overall technical level is increasing day by day, in order to realistically simulate the drilling process of remote console, according to the corresponding well control screen, so as to generate a more realistic trainee

5、s drilling environment, achieve the goal of simulation training.In order to achieve this goal, it is necessary to research the drilling process of remote console and dynamic changes of 3 d scene.Based on 3 d technology in drilling remote console application as an example, this paper introduces the b

6、asic design of 3 d technology and implementation method, and the three dimensional model is built and the three dimensional scene generation of animation in the process of drilling remote console oil flow in the oil tank, oil filter and the accumulator and accumulator in the hydraulic oil in the pro

7、cess of different pressure reducing valve such as synthesis, etc. To create realistic virtual environment, the first thing to create lifelike virtual scene, and the construction of virtual scene should be done through 3 d modeling technology, the construction of a 3 d model is the basis of drilling

8、virtual simulation can realize remote console, virtual animation generation technique is an important content in the research.In the design of 3 d model created mainly by 3 ds Max, this paper introduces in detail the 3 ds Max modeling technology and method, the main often appeared in the process of

9、the modeling and problems and solutions, and the technology has been successfully applied to drill in drilling remote console virtual animation.Key words: virtual animation;3 d model;Drilling remote console目 錄摘 要IAbstractI第1章 緒論11.1鉆井遠程控制臺簡介11.2將三維技術應用于鉆井遠程控制臺的背景2第2章 三維技術概述42.1 三維技術42.2 建模工具3ds Max簡

10、介62.3 輔助工具Photoshop CS8第3章 鉆井遠程控制臺虛擬模型的設計102.3鉆井遠程控制臺虛擬模型需求分析102.2構建鉆井遠程控制臺虛擬模型的主要任務103.2 鉆井遠程控制臺三維虛擬模型的設計11第4章 鉆井遠程控制臺虛擬場景的場景實現134.1 三維場景的構建134.2 整體材質調節19第5章 系統的測試和使用31結 論32參考文獻33致 謝34III東北石油大學本科生畢業設計（論文）第1章 緒論1.1鉆井遠程控制臺簡介遠程控制臺是地面防噴器的控制裝置,是控制液壓防噴器、液動壓井閥開、關動作的專用設備,是石油、天然氣鉆井(或修井)過程中防止井噴失控必不可少的裝備。控制裝置

11、的動力來自于安裝在該裝備上的蓄能器。蓄能器作為具有儲存能量、穩定壓力、減少液壓泵功率、補償漏損、吸收沖擊功和脈動壓力等多種作用的壓力容器,對整個裝備的運行起著重要的作用。由于發生緊急情況時，需要多個液壓防噴器和液動壓井閥同時動作,并在盡可能短的時間內就位，所以在每一臺控制室里至少配備10臺以上的蓄能器，它們最主要的功用是作緊急動力源。可以看出，每個蓄能器的安全性和正常功能的發揮是關系到井控是否順利進行的重要因素。在過去很多年中，作為高壓容器,囊式蓄能器并未被列入壓力容器的管理范疇，其生產和在用蓄能器的管理都沒有按照壓力容器進行，存在著很大的安全隱患。鉆井遠程控制臺也稱為井控的蓄能裝置1。1.1

12、.1 鉆井遠程控制臺功能與特點遠程控制臺由泵組產生高壓控制液，并儲存在儲能器組中，當需要開、關防噴器組或液動閥時，板動相應的三位四手柄，來自儲能器的高壓控制液體通過管匯的三位四通轉閥被分配到各個控制對象中，實現控制相應的對象。遠程控制臺配有電動泵和氣動泵兩套獨立的動力源，在斷電或不允許使用電的情況下，也可保證系統的正常工作；儲能器有足夠的高壓液本儲備量，用以實現防噴器及液動閥的正常開關；電動油泵帶自動啟動、停止的控制裝置，保證整個系統的安全；每個防噴器的開關動作均由相應的三位四通轉閥控制3。1.1.2 鉆井遠程控制臺設備鉆井遠程控制臺由泵組產生高壓控制液，并儲存在儲能器組中，當需要開、關防噴器

13、組或液動閥時，板動相應的三位四手柄，來自儲能器的高壓控制液體通過管匯的三位四通轉閥被分配到各個控制對象中，實現控制相應的對象。具體的主要有以下幾個部分組成：1.控制裝置包括 蓄能器裝置 球形閥。2.啟動裝置 包括電泵 氣泵。3.減壓控制裝置 包括氣手動減壓閥手動減壓閥。4.控防噴器 組環形防噴器、閘板防噴器、四通等。5.節流與壓井管匯設備 包括壓井管匯。6.調節控制裝置 包括位旁通閥 二位旁通閥。7.油箱儀表及電控箱。1.2將三維技術應用于鉆井遠程控制臺的背景石油鉆井過程中可能會遇到各種各樣的問題，特別是井涌，如控制不及時或不當，則有可能發展成井噴，造成嚴重的鉆井事故。為了使鉆井操作人員熟練掌

14、握井內發生異常情況后的處理過程，盡量避免鉆井時井侵、井噴現象的發生，就需要鉆井人員對鉆井遠程控制臺設備必須具有一定的基礎知識和正確而熟練的操作技能，使遠程控制臺發揮應有的效能，確保鉆井工程的安全、優質與高速度，保護石油與天然氣資源。而要使鉆井工程技術人員熟練地掌握各種井控設備的操作，必須通過模擬裝置進行培訓，而不可能在實際鉆井平臺上進行訓練。只有在模擬裝置上獲取使用遠程控制臺技能后才允許到現場進行操作，這樣才能使井侵、井噴現象的發生率降到最低，才能確保生命安全和設備不受損失4。1.1.3三維技術對大慶鉆井的意義 大慶油田目前的工程設計仍是以二維工程設計為主導的傳統設計方法，三維設計雖有所應用，

15、但覆蓋面不大。幾十年來形成的傳統設計習慣和思維管理模式一直是三維設計推廣應用的主要障礙。標準化三維設計開展后，上至油田公司地面建設的主管領導，下至設計單位各科室負責人都對三維設計十分重視，結合油田三維設計現狀展開有針對性的工作，從各個方面向三維設計傾斜，采取有力措施保障三維設計工作的有序開展。多年的三維設計實踐證明，三維工程設計在傳統的二維設計思維和管理模式下不能完全發揮出優勢，甚至成為制約三維設計發展的絆腳石。因此在工作中需針對三維設計的自身特點要求，制定與之相適應的技術和管理規定，清除三維設計發展的障礙。通過三維技術在油田鉆技中的應用，結合相應的軟、硬件配置，進而對鉆井工具建模布局進行了構

16、建與設計。三維景觀系統的建立為各行各業的三維技術的應用提供平臺支持，它能夠全方位、直觀地給人們提供有關油田固井工具的各種具有真實感的場景信息。通過對三維技術在油田固井工具中的應用的研究，為油田中的固井規劃、建設與運營管理、安全管理、決策支持等提供直觀的三維信息化服務，大大提高了油田鉆技中的共享和利用水平5。第2章 三維技術概述2.1 三維技術所謂三維技術就是利用計算機進行動畫的設計與創作，產生真實的立體場景與動畫。而動畫的基本原理是利用人的視覺暫留，當許多動作連續的單張圖象以至少每秒12張的速度播放，我們就認為這些圖象是連續的，活動的。隨著計算機的速度越來越快、圖形處理、數據存儲和網絡功能的越

17、來越強，電腦三維動畫制作也從實驗室走向應用。一般說來，傳統的手工動畫制作要完成一分鐘的動畫制作，就得手工繪制720張以上的圖片1；盡管其中也有制作技巧可以節省部分工作量，但是制作過程還是相當繁瑣的，一般人根本無法參與這樣的動畫制作活動。與傳統的二維手工制作的動畫相比，電腦第一次真正地使三維動畫成為可能，極大地提高了工作效率，增強了動畫制作效果。利用電腦進行三維動畫的創作不僅使動畫制作擺脫了傳統的手工勞動的繁瑣，把人真正地解放出來，也使動畫制作跨入一個全新的時代同時使每個人都有了充分展示自己的才華、進行創造性勞動的機會，因此三維技術受到了廣泛的歡迎6。2.1.1三維技術的具體內容三維技術，是三維

18、計算機動畫技術的簡稱，實際上是一種通過計算機模擬三維空間中的場景及形體隨時間變化的技術。三維計算機動畫又稱模型動畫，它利用計算機構造三維形體的模型，并通過對模型、虛擬攝像機、虛擬光源運動的控制，由計算機自動產生一系列具有真實感的連續動態圖像2。三維計算機動畫的設計過程是：設計模型的運動和變形；設計燈管的顏色、強度、位置及運動；設計虛擬攝像機的拍攝，最終生成可播出的連續圖像。三維技術可以產生真實世界不存在的特殊效果。由于三維技術的這些特點，廣泛應用于電影特技、課件中，它常用于表達機械零件的構造、人體各系統器官的解剖和組織結構、化學分子結構等基礎理論和各種特殊視覺效果等教學內容。2.1.2 三維技

19、術的基本特征三維技術將是繼多媒體、計算機網絡之后，最具有應用前景的一種技術。它可應用于建模與仿真、科學計算可視化、設計與規劃、教育與訓練、醫學、藝術與娛樂等方面。三維技術是一項綜合的技術，涉及計算機科學、電子學、心理學、計算機圖形學、人機接口技術、傳感技術及人工智能技術等3。這種技術的特點在于，運用計算機對現實世界進行仿真，創建與現實社會類似的環境，使用戶在該環境完成與現實環境一樣的體驗，從而降低在現實環境中不可避免的高成本、高危險等諸多問題7。2.1.3三維技術的發展隨著計算機、信息、網絡等相關技術的發展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教育教學過程中得到越來越廣泛的應用，如果將三維技

20、術作為一種新興的教學媒體應用到教育教學中，這種嶄新的技術會帶來嶄新的教育思維，解決以前無法解決的問題。利用三維技術，可以徹底打破空間的限制，學生可以進入物體的內部進行觀察，如學生可以進入虛擬的分子、原子、航天工作站等內部，考察物體內部的工作情況。三維技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過三維虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。三維虛擬制造技術還可以應用計算機、交互外設及軟件來構建一個虛擬的三維生產環境，使學生能如同在制造現場一樣，與熒屏上出現的制造過程進行自由交流。基于網絡的虛擬現實技術為學習者提供了全新的學習場景，構造出開放性的教學環境4。通過

21、虛擬現實、多媒體、網絡等技術的綜合應用，可在課堂和實驗室中展現在傳統的教學模式中無法實現的教學過程。三維技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過三維虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。三維虛擬系統可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發式教學。運用三維技術，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應，通過學生自我組織，制定并執行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協

22、作式教學8。運用三維技術，突破傳統教科書的限制，使每一位學習者都可以根據自己的學習特點，在自己利用三維技術，可豐富教學內容，將實驗、實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。應用三維技術，還可恰如其分地演示一些復雜的、抽象的、不宜直接觀察的自然過程和現象，全方位、多角度地展示教學內容。利用計算機多媒體技術，制作各種仿真課件，創設所需要的某種虛擬情景，讓學生進行模擬實驗，從而極大豐富課堂的教學內容。三維技術節約了有限的教育成本開展虛擬實驗、進行虛擬生產。虛擬各種實驗設備、實訓環境和操作過程，使大多數課程可以在虛擬實驗室中進行，大多數的

23、技能可以在虛擬實訓車間中進行訓練，從而不必購置昂貴的實驗實訓設方便的時間從互聯網上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發學生的創造性思維，使學習者在具體情境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。可以在節約大量昂貴的儀器設備費用的前提下，解決在教學中，因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因而無法進行的教學實驗，虛擬訓練又可避免實驗實訓設備的損壞、訓練材料的消耗等問題，從而有效節約教育成本9。隨著計算機技術的發展，三維技術正掀開其神秘的面紗，逐漸走進教學。但在目前，完全沉浸三維虛擬現實系統的硬件設施仍然是價格昂貴，這也制約了三維虛

24、擬現實在教學中的普及。但桌面三維虛擬系統的應用也為教學媒體的應用開辟了一條新的道路。隨著三維虛擬系統的價格不斷下降，軟件的適用不斷增強，這種新的教學媒體必將廣泛應用于教學。而且，它使個別化教學真正成為可能，當三維虛擬顯示在教學中普及時，教學方式一定會隨之發生巨大的變化。2.2 建模工具3ds Max簡介3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統的3D Studio系列軟件。在Windows NT出現以前，工業級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D Studio Max + Wind

25、ows NT組合的出現一下子降低了CG制作的門檻，首先開始運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進一步開始參與影視片的特效制作，例如X戰警II，最后的武士等8。2.2.1. 3ds Max的特點3ds Max系統擁有許多優良的特性，具體包括。（1）氣象萬千的材質編輯器(Material Editor)。（2）用戶界面提供了強大的靈活性和工作能力。 （3）造型命令和編輯修改命令，功能相當強大。（4）多操作系統支持，系統在Windows 9x和Windows NT上都可以運行。（5）方便控制和編輯動畫順序的對話框。（6）和其它相關軟件配合流暢。（7）做出來的效果非常的逼真。2.2.2. 3ds Max的

26、發展三維軟件是利用電腦制作幾何模型的軟件。最先只能在專業圖形工作站上使用，隨著PC機的飛速發展和普及，三維動畫軟件也紛紛被移植到PC機上。在DOS時代，美國Autodesk公司的3ds三維動畫軟件幾乎壟斷了PC機三維動畫的市場。1994年Microsoft用13億美元收購Softimage公司，1995年推出基于NT平臺的SOFTIMAGE3D3.0版本，激蕩了三維動畫領域。迫于壓力，為了維護3DS在三維動畫領域的霸主地位，1996年（一說1997年8月4日），Kinetix公司推出3DS的WindowsNT版本3ds Max 10。這個版本在操作界面、組織結構和功能上都有質的飛躍，獲得了巨大

27、的成功。1998年，Maya、Alias、Houdini相繼在NT平臺上出現。同年，Autodesk公司奮起迎擊，推出偏重于建筑設計的3DSMAXVIZ版本，該版本實際是在3ds Max的基礎上進行一些增減，增加一些與建筑有關的模塊，刪去一些動畫功能。隨著三維軟件應用的迅速普及，小型三維軟件也如雨后春筍般涌現出來。2.2.3 學習3ds Max應具備的能力（1）三維空間能力三維空間能力的鍛煉，熟練掌握視圖、坐標與物體的位置關系。應該要做到放眼過去就可以判斷物體的空間位置關系，可以隨心所欲地控制物體的位置。這是最基本的要掌握的內容，如果掌握不好，下面的所有內容都會受到影響。有了設計基礎和空間能力

28、的朋友，掌握起來其實很簡單；沒有基礎的朋友，只要有科學的學習和鍛煉方法，也可以很快地掌握。這是課程培訓里的第一步，一般人第一天就可以掌握了。（2）基本操作命令基本的幾個操作命令：選擇、移動、旋轉、縮放、鏡像、對齊、陣列、視圖工具，這些命令是最常用也是最基本的，幾乎所有制作都用到。幾個常用的三維和二維幾何體的創建及參數，熟悉了之后，就掌握了3DSAMX的基本操作。（3）二維圖案編輯二維圖案的編輯，這是非常重要的一部分內容，很多三維物體的生成和效果都是取決于二維圖案。主要是用“Edit Spline”來實現。對于曲線圖案的點、段、線編輯主要涉及到幾個常用的命令：Attach Refine Outl

29、ine Boonlean Trim Weld Fillet Chamfer等，熟練掌握這些子命令，才可以自如地編輯各類圖案8。（4）常用編輯命令幾個常用必備的編輯命令：倒角、焊接、法線反轉、連接等，掌握了這些命令，制作效果的模型一般都可以應付了，此外還有些命令：車削、布爾、鏡像等，也在效果圖制作中時有用到。掌握了幾個這樣的命令，其他的都可以完全自行學習了，但是也不必要每個都了解，畢竟有一部分極少用到的。（5）材質燈光材質、燈光是不可分割的，材質效果是靠燈光來體現的，材質也應該影響燈光效果表現。沒有燈光的世界都是黑的。材質、燈光效果是效果圖的靈魂，也是效果圖制作一個難點。如何掌握好材質燈光效果，

30、大概也有以下幾個途徑和方法：掌握常用的材質參數、貼圖的原理和應用。熟悉燈光的參數及與材質效果的關系。燈光、材質效果地表現主要是物理方面的體現，應該加強實際常識的認識和物理知識。想掌握好材質、燈光效果的控制，除了以上的幾方面，感覺也是很重要的，也是突破境界的一個瓶頸。所謂的感覺，就是藝術方面的修養，這就需要不斷加強美術方面的修養，多注意觀察實際生活中的效果，加強色彩方面的知識等9。2.3 輔助工具Photoshop CSPhotoshop CS是由Adobe公司出品，英文全稱是Adobe Systems Inc，始創于1982 年，是廣告、印刷、出版和Web領域首屈一指的圖形設計、出版和成像軟件

31、設計公司，同時也是世界上第二大桌面軟件公司。公司為圖形設計人員、專業出版人員、文檔處理機構和Web設計人員，以及商業用戶和消費者提供了首屈一指的軟件。使用 Adobe的軟件，用戶可以設計、出版和制作具有精彩視覺效果的圖像和文件。市值達數十億美元的Adobe公司20 多年來一直致力于幫助用戶和企業以更好的成本效益，通過更好的方式表達圖像、信息和思想。公司在數碼成像、設計和文檔技術方面的創新成果，在這些領域樹立了杰出的典范，使數以百萬計的人們體會到視覺信息交流的強大魅力。從功能上看，Photoshop可分為圖像編輯、圖像合成、校色調色及特效制作部分。 圖像編輯是圖像處理的基在礎，可以對圖像做各種變

32、換如放大、縮小、旋轉、傾斜、鏡像、透視等。也可進行復制、去除斑點、修補、修飾圖像的殘損等。這在婚紗攝影、人像處理制作中有非常大的用場，去除人像上不滿意的部分，進行美化加工，得到讓人非常滿意的效果。圖像合成則是將幾幅圖像通過圖層操作、工具應用合成完整的、傳達明確意義的圖像，這是美術設計的必經之路。Photoshop提供的繪圖工具讓外來圖像與創意很好地融合，成為可能使圖像的合成天衣無縫。校色調色是Photoshop中深具威力的功能之一，可方便快捷地對圖像的顏色進行明暗、色偏的調整和校正，也可在不同顏色進行切換以滿足圖像在不同領域如網頁設計、印刷、多媒體等方面應用。特效制作在Photoshop中主要

33、由濾鏡、通道及工具綜合應用完成。包括圖像的特效創意和特效字的制作，如油畫、浮雕、石膏畫、素描等常用的傳統美術技巧都可藉由Photoshop特效完成。而各種特效字的制作更是很多美術設計師熱衷于Photoshop的研究的原因。本系統中的大部分圖形處理都是通過PhotoshopCS4來完成的，在處理場景建模圖片時多用選區、圖章、圖形整形及合成等功能，而本系統中為了模型的銘牌，外部紋理全都用貼圖實現的10。第3章 鉆井遠程控制臺虛擬模型的設計3.1實現功能通過三維技術在鉆井遠程控制臺虛擬模型的應用讓操作人員反復模擬場景練習。構建控制臺三維虛擬場景，模型造型仿真度高，結構精準，復雜度適中。對鉆井遠程控制

34、臺的關鍵裝置進行構建。實現這些模型的高度仿真效果。3.2構建鉆井遠程控制臺虛擬模型的主要任務根據現場提供的照片和錄像，鉆井遠程控制臺模型的工作主要是各個部分共同工作，建模的主要工作是各個從整體場景到各個部分，再到各個部分的器械內部外部具體元件的構建。在每一個部分中都包含有很多的單個模型。整體工作量如表2-1所示。表2-1 鉆井井控虛擬場景模型構建任務遠程控制臺設備名稱設備具體建模事項井控防噴器組環形防噴器、閘板防噴器、四通等模型創建、材質調節、紋理貼圖 控制裝置蓄能器裝置 球形閥模型創建、材質調節、紋理貼圖節流與壓井管匯設備壓井管匯模型創建、材質調節、紋理貼圖 調節控制裝置三位旁通閥 二位旁通

35、閥模型創建、材質調節、紋理貼圖啟動裝置電泵 氣泵模型創建、材質調節、紋理貼圖減壓控制裝置氣手動減壓閥手動減壓閥模型創建、材質調節、紋理貼圖3.3 鉆井遠程控制臺三維虛擬模型的設計3.3.1三維模型設計目標本系統是鉆井遠程控制臺安全操作仿真模型，主要是模型展示和動畫演示等內容。利用三維建模軟件3ds Max構建各個元件的模型，通過材質、貼圖、燈光和模型優化等處理技術，真實的展現出各元件的模型結構，構建出井場的三維虛擬場景，供教學員工觀看，達到讓員工熟悉鉆井遠程控制臺整個流程及安全注意事項。最終既能夠使教學人員掌握真實操作技能，又避免現場練習操作時由于業務的生疏產生危險后果。3.3.2三維模型的構

36、建三維模型的構建是整個系統實現的基礎，每一個模型的逼真度以及對系統資源的使用都對最終合成的總場景的視覺效果和運行速度起著至關重要的作用。因此，可以說三維模型的構建是整個工作中的重中之重。整個場景被劃分為若干部分，每部分模型的制作流程都是相似的。建模流程如圖3-1所示。確定樹狀層次結構數據收集整理建模準備工作點建模工具模型優化線建模工具 幾何建模 面建模工具 體建模工具 紋理映射紋理建模 添加材質圖3-1 建模流程圖3.2.3三維模型設計該模型的一個主要功能就是進行鉆井遠程控制臺安全操作的仿真。對于初級受訓人員，主要進行安全意識教學和操作器材的認識。首先了解一下安全操作注意事項，然后認真觀察虛擬

37、工人的操作細節及相關工作原理。創 建 模 型模型優化添加材質貼圖設置燈光模型構建通過對井下作業安全操作仿真模型需求分析，首先利用3ds Max建立三維場景模型，然后添加說明性文字和語音并進行動畫的制作，最后實現模型的虛擬仿真，其結構框圖如圖3-2所示。遠程控制臺虛擬仿真動畫制作創建相機創建關鍵幀渲染動畫整合輸出圖3-2 鉆井遠程控制臺虛擬仿真三維結構框圖·34第4章 鉆井遠程控制臺虛擬場景的場景實現4.1 三維場景的構建4.1.1 數據采集系統開發的數據主要包括：各種設備的型號、位置擺設、與其它設備的連接接口以及各部分的內部結構圖和工作原理圖等。對于設備的外形主要通過現場拍照與錄像的

38、形式獲得，工作原理圖等需要現場相關負責人提供相應的圖紙。從現場拍回的照片和錄像中，詳細觀察各個器械造型細節并上網查詢內部構造，觀察每一個器械模型在整個場景當中的作用，進行細化程度的取舍，然后通過觀察具體模型再對照片進行處理，可以通過“截圖”，或是在PhotoshopCS中處理圖片。整理的目的是獲取貼圖的素材，因為在建立三維模型的過程中，紋理圖片起著至關重要的的作用，紋理應用的適當會增加模型的真實度，不過貼圖的應用如果處理的好可以大大節省資源使系統的性能和質量都有所提高，下面以控制箱為例介紹下詳細的處理過程及造型技術。4.1.2 三維模型制作4.1.2.1 主體與底座的建模過程（1）選擇右面面板

39、中的“創建”中的“幾何體”，在下拉列表中選擇“標準幾何體”，然后選擇長方體并將其變成可編輯多邊形，最后進行點線面的編輯。（2）對上一步中幾何體進行修整，通過倒角和擠出等命令細致修改完成底座結構。（3）再選如上（1）創建一個幾何體作為主體，最后把主體與底座整合在一起。如圖4-1所示。圖4-1 遠程控制臺主體與底座圖4.1.2.2 濾油器模型渲染（1）先觀察、分析遠程控制臺濾油器的各部件的構成與功能，記錄下哪些部件是固定不動的，哪些是需要做出動畫效果的。（2）選擇右面面板中的“創建”中的“幾何體”，在下拉列表中選擇“標準幾何體”，然后選擇圓柱體并將其變成可編輯多邊形，最后進行點線面的編輯。（3）對

40、上一步中圓柱體進行修整，通過倒角和擠出等命令細致修改完成濾油器圓柱體結構，并且復制一個相同圓柱體。如圖4-2所示。圖4-2 濾油器圓柱體圖（4）選擇右面面板中的“創建”中的“幾何體”，在下拉列表中選擇“標準幾何體”，然后選擇長方體方體并將其變成可編輯多邊形，最后進行點線面的編輯。如圖4-3所示。圖4-3濾油器主體圖（5）對上一步中長方體進行修整，通過倒角和擠出等命令細致修改完成濾油器主體結構，并和兩個圓柱體整合在一起。如圖4-4所示。圖4-4 濾油器整體圖4.1.2.3 蓄能器整體的模型渲染（1）先觀察、分析遠程控制臺蓄能器的各部件的構成與功能，記錄下哪些部件是固定不動的，哪些是需要做出動畫效

41、果的。（2）選擇右面面板中的“創建”中的“幾何體”，在下拉列表中選擇“標準幾何體”，然后選擇圓柱體并將其變成可編輯多邊形，最后進行點線面的編輯。（3）對上一步中圓柱體進行修整，通過拉伸和擠出等命令細致修改完成蓄能器圓柱體結構。如圖4-5所示。 圖4-5 濾油器整體圖（4）選擇右面面板中的“創建”中的“幾何體”，在下拉列表中選擇“標準幾何體”，然后選擇長方體方體并將其變成可編輯多邊形，最后進行點線面的編輯。如圖4-6所示。 圖4-6 濾油器整體圖（3）對上一步中長方體進行修整，通過倒角和擠出等命令細致修改完成濾油器主體結構，并與圓柱體整合在一起。如圖4-7所示。圖4-7 濾油器整體圖4.2 整體

42、材質調節4.2.1材質（1）材質的構成這里所謂的材質構成是用于描述材質視覺和光學上的屬性，主要包括：顏色構成、高光控制、自發光和不透明性，另外使用的Shader類型不同，標準材質的構成也有所不同。顏色構成：一個“單一顏色”的表面由于光影的作用，通常會反映出多種顏色，3ds Max中絕大部分的標準材質是通過四種顏色構成對其進行模擬。Ambient(環境色)：物體陰影區域的顏色。Diffuse(過渡色)：普通照明情況下物體的“原色”。Specular(高光色)：物體高亮照射部分的顏色。這三部分構成，分別代表著物體的三個受光區域，如圖4-2所示。此外還有Filter Color(過濾色)：光線穿過物

43、體所傳播的顏色。只有當物體的不透明屬性低于100%時才出現。高光控制：不同的Shader類型對標準材質的高光控制也各不相同，但大部分都是有多個參數進行控制的，如Glossiness(光澤度)、Specular Level(高光級別)等。自發光：自發光可以模擬物體從內部進行發光的效果。不透明性：不透明性是物體的相對透明程度，降低不透明性，物體會變得更為透明11。以上絕大部分的材質構成都可以指定貼圖，諸如過渡色、不透明性等，通過貼圖可以使材質的外觀更為復雜和真實。圖4-8 受光區域模型（2）材質編輯器的使用要在場景中使用材質，必須將材質賦予場景中的對象，下邊是3ds Max為虛擬模型添加材質的過程

44、：首先需要創建一個場景。選擇場景中的模型。在材質編輯器中選擇一個示例框，然后將材質賦予選擇物體，現在被激活的材質已經賦予模型對象了。或同時選擇場景中的物體，回到材質編輯器中選一個示例框，并直接用鼠標將材質拖到視窗中被選中的物體上，這時物體被賦予了材質。4.2.2 簡析本系統中的材質將創建好的三維模型轉換為可編輯多邊形，選擇需要附同種材質的面，點擊材質編輯器，選擇空白材質球，調節Shader Basic Parameters(明暗基本參數)和Metal Basic Parameters(金屬基本參數) 如圖4-9。圖4-9 金屬基本參數Maps(貼圖)：Reflection-Raytrace(光

45、線跟蹤)，但在渲染前，要選擇菜單欄中的“Rendering” 選項下面的“Raytracer Settings” ，在彈出的面板中，勾選“Global Ray Artialiaser”，用來進行抗鋸齒處理，如圖4-10。 圖4-10 玻璃材質4.2.3 燈光的使用通過為場景添加燈光可以增強場景的真實感，增加場景的清晰程度和三維縱深度。在沒有打燈的情況下場景會自動使用默認的照明方式，這種照明方式有兩盞不可見的燈光組成，一盞位于場景上方左側，另一盞位于場景下方右側，新創建的燈光物體會自動取代系統默認的照明方式，如果將場景中的燈光全部刪除，默認照明方式又會重新啟動。3ds Max中的照明原則是模擬自

46、然光照效果，當光線接觸到物體表面后，表面會反射或至少部分反射這些光線，這樣該表面就可以被見到了。物體表面所呈現的效果取決于接觸到表面上的光線和表面自身材質的屬性(如顏色、光滑度、不透明性等)相結合的結果。3ds Max中的Lights包括目標聚光燈(Target Spot)、自由聚光燈(Free Spot)、目標平行光(Target Direct)、自由平行光(Free Direct)、泛光燈(Omni)等。在該場景的模擬中，為了盡可能的表現真實效果，主要采用Target Spot和Omn，需要注意得使燈光不能過多，這樣會使整個場景發白，失去真實效果12。4.2.4 動畫制作該系統的動畫主要包

47、括控遠程控制臺內液壓油的流動與蓄能器油壓變化的表現。4.2.4.1 油柱的動畫制作（1）創建一個圓柱體作為一段油柱，編輯為可編輯多邊形，給選中的圓柱體一個混合（blend）材質，設置id數目為2。如圖4-11所示。 圖4-11 油柱材質（2）分別給id1和id2的漫反射上設置需要的顏色，例如id1設置為黃色，id2設置為白色，選擇圓柱體進行交互；（3）點擊圓柱體打選擇UVWMap，選擇X、Y、Z的Y選擇大小、Length，移動線框表示液體流動的的方向：（4）把id1的材質設置為白色，id2的材質設置為黃色，如圖4-12所示。 圖4-12 油柱（5）選中0幀和第10幀位置的關鍵幀，按住shift

48、鍵拍和鼠標左鍵進行拖動（6）復制，每復制一次油柱流動一次，復制多次后就會會出現流動效果。4.2.4.2蓄能器的動畫制作（1）創建一個圓柱體，編輯為可編輯多邊形，用點與面為蓄能器做一個邊框。（2）選擇材質，標準材質為淺黃色 附給油柱。如圖4-13所示。 圖4-13 蓄能器油柱（3）創建關鍵自動幀，點擊新材質球，點擊材質吸管，將顏色調為深黃。如圖4-14所示。 圖4-14 蓄能器油柱深黃色（4）將動畫幀移動到關鍵幀。將動畫幀移動到關鍵幀的顏色。如圖4-15所示。圖4-15蓄能器油柱關鍵幀4.2.4.3動畫的關鍵幀很多靜止的圖像連續快速地切換，就形成了動畫效果。而3ds Max 9制作動畫的原理是：

49、通過寄存在模型中的運動參數，模擬成真是的運動效果，并對運動過程進行錄制，最后按照上述的設定將其連續播放，也就成為了三維動畫。3ds Max 9是一個以時間為基礎的動畫制作軟件。一般情況下，動畫制作的時間以幀數來計算，制作多少幀要根據劇情的時間長短而定。3ds Max 9中的動畫是實時發生的，在制作時可以隨時更改動畫的持續時間、事件、素材等對象，并可立即觀看效果13。關鍵幀動畫是計算機動畫中應用最為廣泛的一種動畫形式。關鍵幀動畫的制作原理是根據設計需要設置好首幀與末幀的屬性，首幀與末幀就叫做關鍵幀。3ds Max 9會根據首幀與末幀的設置自動計算出中間幀，形成平滑的過渡幀。在動畫制作時，大多數情

50、況下是有規律可循的，動畫的制作步驟可以分為以下幾步。（1）首先要明確動畫需表現得內容，這些內容可以分為多個鏡頭來完成，每個鏡頭占用的時間長短通過動畫腳本提前設計。（2）創建動畫腳本所需要的實際造型，要明確動畫對象由哪些部分構成，這些物體又有哪些層次上的鏈接關系，是否需要創建輔助物體等。此外，還要設置燈光和攝像機完成整個場景的布置。（3）給場景中的每個對象制作相應的材質，并根據渲染結果調整材質的各項參數，使各個對象的材質在腳本要求的場景內能表現出十分協調的動畫。（4）設定對象的動作和場景、材質的變化，也就是設計動畫的過程。（5）進行動畫調試。（6）在動畫合成中加入相應的聲音文件。（7）將動畫轉錄

51、為視頻文件格式。在3ds Max 9中使用下列工具進行動畫編輯和制作。“曲線編輯器”按鈕：在工具欄中單擊“曲線編輯器”按鈕將彈出“軌跡視圖曲線編輯器”對話框，在如圖4-16所示的對話框中可以對動畫進行編輯和聲音合成處理等。圖4-16 曲線編輯器對話框“時間配置”按鈕：單擊此按鈕將彈出如圖4-17所示的“時間配置”對話框，在此對話框中可以設置場景中的時間長度及時間范圍。在“時間配置”對話框中“速度”欄中可以選擇動畫的播放速度，結束時間設置可以設置動畫播放時間的長短，其結束時間值越大，動畫播放的時間就越長。圖4-17時間配置對話框“運動”面板如圖4-18所示：此面板被放置在命令面板區，通過使用這個

52、命令面板可以調整變換控制器影響動畫的位置，旋轉和變形等操作。圖4-18 運動面板“層級”面板如圖4-19所示：使用此面板可以調整兩個或多個鏈接對象的所有控制參數。可以對對象的軸心點、反向動力、鏈接關系進行設置。在調整軸心時，可以在“層次”面板中單擊“僅影響抽”命令，也可以選擇“僅影響對象”命令，如果選擇“僅影響軸”命令，則在調整軸心時，被調整對象不會有任何位置的移動， 選擇“僅影響對象”命令，則只移動對象，而不會移動軸心。圖4-19 層級面板“動畫設置”按鈕：此按鈕用來對場景中對象的關鍵幀參數進行自動或手動鎖定記錄操作。“時間滑塊如圖4-20所示”：用來控制場景中當前實際位置，是設定對象關鍵幀

53、時間的依據。圖4-20 時間滑塊4.2.5 渲染場景按快捷鍵“F10”，將彈出“渲染場景”對話框，如圖4-21所示。彈出“渲染場景”對話框還可以在菜單欄中選擇“渲染”“渲染”命令。其中個參數的意義如下：時間輸出：在此區域中可以選擇動畫輸出場景中的某時間段。輸出大小：在此區域中可以選擇輸出動畫文件的尺寸。選項和高級照明：此區域中的復選項可以設置在渲染時需要的效果。在“視口”文本框設置渲染輸出視口。輸出項中“文件”按鈕，可設置動畫文件的輸出格式、路徑和名稱等。圖4-21渲染場景對話框圖4-22是未經渲染控制臺模型，略顯生澀，無光澤；而圖4-23是渲染后的控制臺模型，有金屬光澤，略顯柔和。 圖4-2

54、2 未經渲染的控制臺模型 圖4-23渲染后的控制臺效果圖4.2.6 模型優化三維動畫在視覺效果提升的同時產生了模型龐大、復雜度高的問題。隨著模型的點、線、面數量的增多會占用電腦大量的資源，渲染時所消耗的時間將會成倍增加。將模型做的盡量細致、逼真那么模型則必然會變得龐大。解決這一問題需要在三維動畫效果逼真的同時保證模型的最簡。這樣則需對模型進行優化在保證模型的渲染效果不變的前提下減少模型的點、線、面數量15。針對不同類型的模型，優化的方法也不同。控制箱的主要部件集中在同一平面內，且大多數是不可動部件，這樣在控制箱的模型優化過程中便將控制箱正面不可動的部分與箱體隔離出來，然后調節好燈光、材質，最后

55、對其正面進行渲染（為保證優化后的效果良好這里應該將渲染出圖的分辨率盡量調大）。將渲染出來的圖片保存。然后將原控制箱模型上正面的所有部件刪除，將之前保存的圖片通過貼圖的方式附著到控制箱正面的面上。由于控制箱的正面有鏤空的部分，所以需要用透明貼圖的技術將之前渲染出來的圖片先經過Photoshop進行處理，生成帶tga透明通道的黑白圖，然后將帶透明通道的圖與之前渲染出來的圖在“材質編輯器”中的“漫反射”和“不透明度”處分別導入。最后將優化后的模型與之前隔離出來的可動部件的文件合并即完成優化工作。4.2.7其他模型以上從建模到動畫輸出的全過程都是以控制箱為例進行的介紹。而實際上的鉆井井控中的部件有很多

56、。在這些部件中有一些部件只需要簡單的創建長方體模型，然后在其面上貼上圖片即可，有些部件需要一個或幾個三維建模技術相結合。整體場景構建時需要將所有模型單獨制作完成后通過3dmax自帶的“合并”功能將它們合并在一個場景中，然后整合輸出。在圖4-19中是鉆井井控中的一些單獨場景和整合之后的總體場景。 圖4-25整體場景第5章 系統的測試和使用系統測試是將已經確認的軟件、計算機硬件、外設、網絡等其他元素結合在一起，進行信息系統的各種組裝測試和確認測試，其目的是通過與系統的需求相比較，發現所開發的系統與用戶需求不符或矛盾的地方，從而提出更加完善的方案。它的的任務是盡可能徹底地檢查出程序中的錯誤，提高軟件系統的可靠性。這階段又可分為三個步驟：模塊測試，測試每個模塊的程序是否有錯誤；組裝測試，測試模塊之間的接口是否正確；確認測試，測試整個軟件系統是否滿足用戶功能和性能的要求。該階段結束應交付測試報告，說明測試數據的選擇，測試用例以及測試結果是否符合預期結果。測試發現問題之后要經過調試找出錯誤原因和位置，然后進行改正。是基于系統整體需求說明書的黑盒類測試，應覆蓋系統所有聯合的部件。系統測試是針對整個產品系統進行的測試，目的是驗證系統是否滿足了需求規格的定義，找出與需求規格不相符合或