摘  要： 針對基于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

　　在隨鉆測井LWD[1]過程中,，井眼軌跡的可視化是實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要手段,，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[2],。但對于顯示效率,、實(shí)時(shí)性要求較高的井眼軌跡可視化來說，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引擎對圖形圖像實(shí)時(shí)渲染,，則可有效地緩解這一問題。

　　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開發(fā)環(huán)境[4]，通過改進(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,，使測井人員隨時(shí)隨地通過瀏覽器方便快捷地對軌跡狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

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]對基于Java3D的井眼軌跡可視化過程做了詳細(xì)描述，可視化效果較為理想,，但Java3D中沒有提供基本形體,，給編程帶來不便。

　　Away3D是一個(gè)Flash平臺[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)頁上創(chuàng)建3D對象[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,。

　?。?）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,。

　　（2）良好的跨平臺性,。ActionScript3.0作為該技術(shù)的開發(fā)語言,，其文檔對象模型（SWF格式動畫）可以嵌入其他多種應(yīng)用程序，這大大優(yōu)化了該技術(shù)的跨平臺性,。利用高級語言高效的數(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)果直接傳入動畫文件進(jìn)行軌跡顯示，進(jìn)一步確保軌跡顯示的實(shí)時(shí)性,。

　?。?）容易實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)豐富效果,。Away3D提供基本形體的庫函數(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)是由測斜數(shù)據(jù)經(jīng)過井眼軌跡算法[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)算要求測點(diǎn)間隔不宜過長,，以保證離散帶來的誤差足夠?。欢绻紨?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)對測量數(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)對軌跡數(shù)據(jù)的插值處理加以改進(jìn)。算法原理簡單,、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),，通過控制點(diǎn)的滑動，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,，由于曲線只通過起止點(diǎn),，距控制點(diǎn)偏移較大[12]，會丟失大量真實(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)通過算法構(gòu)造特殊三角形，求得能反映相鄰井段彎折趨勢的三角形內(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：

　　（1）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),。

　　（3）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)過相反操作，使井段回到原來位置,。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,。精簡圖如圖2所示,，效果對比圖如圖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一般開發(fā)步驟,，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡可視化基本開發(fā)流程如下：

　?。?）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,。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VS2005平臺完成復(fù)雜的坐標(biāo)計(jì)算及轉(zhuǎn)換。Flash平臺直接讀取數(shù)據(jù)展示軌跡,。如此一來,，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)置是對軌跡的交互控制添加事件監(jiān)聽器,，通過控制旋轉(zhuǎn)、放縮,、移動參數(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡的交互式控制,。

　　（4）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 可視化效果及對比

　　下面給出一口井的實(shí)測數(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)軌跡更新也滿足實(shí)時(shí)性的要求,。

4 結(jié)論

　　本文針對網(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)勢實(shí)現(xiàn)Web井眼軌跡可視化,，過程容易快捷,，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，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中工程技術(shù)人員進(jìn)行過程監(jiān)督以及協(xié)同工作的需求,。

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