摘  要： 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。

　　關(guān)鍵詞： 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

　　1.1 Web3D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。

　?。?）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(huà)）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(huà)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。

　　參考文獻(xiàn)[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（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：

　?。?）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)。

　?。?）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：

　?。▁，y，z）=（x′，y′，′z）·R（-α，-β，-θ）+（x1，y1，z1）（3）

　　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。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。

　?。?）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)。

　?。?）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。

　?。?）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  2 076 m，正東和正北位移達(dá)到676 m和446 m。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。

　　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(mǎn)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(mǎn)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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