闸板防喷器三维技术开发大学论文.doc

本科生毕业设计（论文）
摘 要
随着新时代高新技术的发展，三维技术的逐步成熟，三维技术的应用越加广泛。在油田的建设中，信息化油田已经成为大势所趋，本文结合油田油井的井喷现象，针对三维技术在闸板防喷器的应用进行可行性研究，运用三维技术，将闸板防喷器的仿真效果逼真的展示出来。
三维技术的应用主要是运用三维技术建模，渲染，成图等技术对闸板防喷器数据进行展示。通过详细的问题定义与需求分析对闸板防喷器的仿真进行了合理的设计，运用3dmax开发软件进行三维建模、渲染、成图等。运用photoshop软件对模型材质进行优化以达到更加逼真的效果，运用AE和Realflow软件对模型进行最后的合成以及粒子效果演示。RealFlow流体模拟软件打破了三维动画软件中的粒子系统功能的局限性，真实模拟出设备内部流体的运动和变化，直观表现闸板防喷器开井与关井时防止井喷等较真实的特效。
通过本系统的应用，可以直观模拟作业过程，使岗位员工能够对闸板防喷器的内部结构有充分的认识，不仅降低了传统教学可能产生操作事故的危险，也降低了培训费用，得到良好的教学效果。

关键词：闸板防喷器；三维建模；渲染；粒子系统

Abstract
With the development of new high-tech in the new era, three-dimension technologies have been matured gradually and the applications in three-dimension technology is increasingly wide. In oil field construction, the information based on oil field has become the general trend. The article combined the blowout phenomenon with oil wells and oil field, aiming at the feasibility study for the application of 3D technology in ram blowout preventer, and use 3D technology to show the vivid simulating result of ram blowout preventer.
Mainly, the application of three-dimension technology is modeling by using three-dimension technology, rendering, mapping as well as other operations to display the dates of ram blow preventer. Through the detailed issue definition and analysis with requirements make reasonable design for the simulating of ram blow preventer, using 3DMAX software to process a three-dimensional modeling, making rendering and mapping and so forth. We use Photoshop software to optimizes the materials of modeling in order to achieve more realistic results, making the final conjunction of modeling and displaying the result of particle by the software of AE and Realflow. The RealFlow fluid simulation software break the particle system functionality limitations of 3D animation software, simulates the movement and changes of the fluid actually inside the device and performs directly the realistic special efficiency of oil blowout preventer when ram blowout preventer opened wells and closed wells.
By application of this system, we can simulate operation procedure intuitively, and the trainees can get a sufficient recognitions to the inside structure of ram blowout preventer. It not only reduces the danger which may occur operation accidents in the tradional teaching, but also the training fees, and we get favourable training effects.

Key words: ram blowout preventer;3D modeling;rendering;Realflow
目 录
第1章 概述 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2闸板防喷器 2
1.3我国闸板防喷器的发展方向 6
第2章 系统分析 7
2.1 闸板防喷器三维技术开发的背景和意义 7
2.2 闸板防喷器虚功能实现与仿真系统需求分析 8
第3章 闸板防喷器功能的仿真 9
3.1开发工具简介 9
3.2 闸板防喷器的设计 13
第4章 闸板防喷器功能的实现 15
4.1 三维场景的构建 15
4.2闸板防喷器Realflow制作粒子 23
结 论 30
参考文献 31
致 谢 32
I

第1章 概述
所谓三维技术就是利用计算机进行动画的设计与创作，产生真实的立体场景与动画。而动画的基本原理是利用人得视觉暂留，当许多动作连续的单张图象以至少每秒12张得速度播放，我们就认为这些图象是连续的，活动的。随着计算机的速度越来越快、图形处理、数据存储和网络功能的越来越强，电脑三维动画制作也从实验室走向应用。
一般说来，传统的手工动画制作要完成一分钟的动画制作，就得手工绘制720张以上的图片。尽管其中也有制作技巧可以节省部分工作量，但是制作过程还是相当繁琐的，一般人根本无法参与这样的动画制作活动。与传统的二维手工制作的动画相比，电脑第一次真正地使三维动画成为可能，极大地提高了工作效率，增强了动画制作效果。利用电脑进行三维动画的创作不仅使动画制作摆脱了传统的手工劳动的繁琐，把人真正地解放出来，也使动画制作跨入一个全新的时代同时使每个人都有了充分展示自己的才华、进行创造性劳动的机会，因此三维技术收到了广泛的欢迎[1]。
1.1 选题背景及意义
随着我国信息化水平的提高，以三维技术为代表的信息技术已渗透到油田的信息化建设中去了。三维技术在油田技术中的应用，是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，运用三维技术实现防喷器的信息，达到清晰直观的现场演示的情况。是油田信息化建设的一个重要组成部分。主要运用，建模，渲染，成图，切图等技术，对闸板防喷器进行直观的演示，使油田技术能够更清晰、直观、逼真的显示给油田工人。
三维技术在油田技术闸板防喷器的应用是油田信息化建设的一个重要方面，目前，世界上许多著名的大油田都实现了油田信息化的建设。随着油田开采难度的增大，钻井开发过程中的各种作业工艺越来越复杂，安全生产问题日益突出，急需开发钻井仿真系统对钻井工程技术人员和现场工作人员进行安全操作技术培训。钻井仿真系统包括硬件仿真控制台、模型计算和三维场景显示三个子系统，其中三维场景显示子系统能否逼真地再现钻井现场的实际场景，对整个培训的效果影响非常大。目前国内很多其他油田城市也实现了油田技术的数字化。
三维技术将是继多媒体、计算机网络之后，最具有应用前景的一种技术。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医学、艺术与娱乐等方面。三维技术是一项综合的技术，涉及计算机科学、电子学、心理学、计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术等。这种技术的特点在于，运用计算机对现实世界进行仿真，创建与现实社会类似的环境，使用户在该环境完成与现实环境一样的体验，从而降低在现实环境中不可避免的高成本、高危险等诸多问题。
1.2闸板防喷器
1.2.1闸板防喷器的概述
闸板防喷器是井口防喷器组的重要组成部分。利用液压推动闸板即可封闭或者打开井口。闸板防喷器的种类很多，但根据所能配置的闸板数量可分为单闸板防喷器、双闸板防喷器、三闸板防喷器；按闸板开关方式可分为液压闸板防喷器和手动闸板防喷器；按锁紧方式可分为手动锁紧闸板防喷器和页岩锁紧闸板防喷器；按侧门开关方式不同可分为旋转式侧门闸板防喷器和直线运动式侧门闸板防喷器。目前，钻进作业所用的闸板防喷器，从结构形式上有RSC型（铸造结构）和RSF型（锻造结构）两大类[2]。
国内常用的主要有但闸板防喷器与双闸板防喷器，其中双闸板防喷器应用更为普遍。
1.2.2闸板防喷器的功能
1.井内有钻具时，可用与钻具尺寸相应的半封闸板封闭井口环形空间。
2.当井内无钻具时，全封闸板能全封闭井口。
3.需将井内钻具剪断并全封井口时，可用剪切闸板剪切井内钻具全封井口。
4.某些闸板防喷器的闸板允许称重，可用以悬挂钻具。
5.闸板防喷器的壳体上有侧孔，可使用侧孔节流泄压。
6.闸板防喷器可用来长期封井。
闸板防喷器的功用虽如上述，但在具体使用时仍有所限制。剪切闸板主要用于深井、超深井、高油气比井和“三高井”。国产闸板防喷器的半封闸板，一般不能悬挂钻具。从国外进口的闸板防喷器有的允许承重，有的则不允许承重。利用壳体侧孔节流泄压时，井内高压流体将严重冲蚀壳体，从而影响壳体的耐压性能。因此，通常不使用壳体侧孔放喷，侧孔用盲板封闭。闸板防喷器的闸板分全封闸板和半封闸板。闸板防喷器应备有一副全封闸板及若干副半封闭闸板。
1.2.3闸板防喷器的工作原理
一、液压动作
闸板防喷器的关井、开井动作是靠液压实现的。关井时，来自控制系统装置的高压液压油进入两侧油缸的关井油腔，推动活塞与活塞杆，使左右闸板总成沿着闸板室内导向筋限定的轨道，分别向井眼中心移动，同时开井油腔里的液压油在活塞推动下，经液控管路流回控制系统装置油箱，实现关井。开井动作时，高压液压油进入两侧油缸的开井油腔，推动活塞与闸板迅速离开井眼中心，闸板缩入闸板室内，同时，关井油腔里的液压油则经液控管路流回控制系统装置油箱，从而实现开井。
因此，壳体的上下铰链座的液压油接头与控制系统装置的液控管线在安装连接时，不能接错，否则将导致关井、开井动作错误。
二、闸板防喷器的密封
为了保证闸板防喷器的封井效果，以下密封必须可靠：
1. 闸板与管子的密封——闸板胶芯的前部依靠活塞推力，橡胶抱紧管子从而实现密封。当橡胶严重磨损或撕裂时，井内高压流体会将此处刺漏而使关井失效。全封闸板则为闸板胶芯前部的相互密封。
2.闸板顶部与壳体的密封——闸板上平面的胶芯，在井内高压流体作用下紧压壳体凸缘，使井内高压流体不能从顶部溢出。
3.侧门与壳体的密封——侧门与壳体的接合面上装有密封圈。侧门紧固螺栓将密封圈压紧，使钻井液不能从此处泄漏。该密封圈并不磨损，但在长期使用中会老化变质，所以应定期更换。
4.侧门腔与活塞杆间的密封——侧门腔与活塞杆之间的环形空间装有密封圈。防止高压钻进液与液压油串通。当井内高压流体通过橡胶密封圈，进入油缸与液控管路，使液压油遭到污染并损伤液控阀件。闸板防喷器工作时，活塞杆做往复运动，密封圈将会因磨损导致密封失效。在关井密封圈失效时，为恢复密封功能，该处又设计有二次密封装置[3]。
三、闸板的密封原理及特点
闸板的密封是在外力作用下，胶芯被挤压变形实现密封作用的。
1.闸板浮动
闸板总成与壳体放置闸板的腔体之间有一定的间隙，同时闸板总成与活塞杆是通过“T”形槽连接的吗，这种设计允许闸板在壳体腔内上下浮动。当闸板处于常开位置时，闸板上部密封橡胶不与闸板室顶部接触。关井后，在井内压力的作用下，闸板上部密封橡胶与壳体的上密封凸台实现密封。
对于压块与闸板体分成两体的闸板总成，关闭后继续施加压力，压块与闸板体间的香蕉被挤向上突起，在闸板室顶部的凸面形成顶部密封。当开启闸板时，闸板顶部密封橡胶离开壳体内上凸面，闸板缩回到闸板腔室平面内。
闸板这种浮动的特点，既保证了密封可靠，减少了橡胶磨损，又减少了闸板移动时的摩擦阻力。
2.井压助封
井内压力作用在闸板底部，上推闸板使闸板顶部与壳体凸缘贴进。井内压力愈高，闸板顶部与壳体愈紧密，这种依靠井内压力上推闸板实现的密封称为井压助封。当井内压力很低时，闸板顶部可能是流体溢漏。为此，在现场对闸板防喷器进行试压检查时，需进行低压试验，检查闸板顶部与壳体凸缘的密封情况。井内压力也作用在闸板后部，向井眼中心推挤闸板，使前部橡胶紧抱井内管柱，这就是井压对闸板前部的助封作用。当闸板关井后，井内压力越高，井压对闸板前部的助封作用越大，闸板前部橡胶对管子封得越紧。
3.自动清砂，自动对中
防喷器闸板室底部有两条向中心倾斜的排砂槽，当闸板开关时，沉积在闸板室底部的泥砂，将被排入砂槽滑落井内。闸板防喷器的这种自动清砂作用，防止了闸板的堵塞，减少了闸板的运动阻力与磨损。
在井内有钻具的情况下使用闸板防喷器关井时，因为钻具并不处于井眼中心而无法实现封井。为解决井内钻具的对中问题，闸板压块的前方设有突出的导向块与相应的凹槽。当闸板向井眼中心移动时，导向块可迫使钻具移向井眼中心，顺利实现封井。
4．闸板防喷器的锁紧装置
闸板防喷器的锁紧装置分为手动机械锁紧装置和液压自动锁紧装置。
(1)手动机械锁紧装置的功用
手动机械锁紧装置是靠人力旋转手轮关闭锁紧闸板。其作用是：当需要较长时间关井时，液压关井后可采用手动机械锁紧装置将闸板在关闭位置，然后将液控压力油的高压卸掉，以免长期关井憋漏液控管线；控制系统装置无油压时，可以用手动机械锁紧装置推动闸板关井。
使用时需要注意：手动机械锁紧装置只能关闭闸板，不能打开闸板。若要开井，必须首先使手动机械锁紧装置解锁到位后，再用液压打开闸板，这是唯一的方法。
(2)手动机械锁紧装置的类型和组成
手动机械锁紧装置主要有两种类型，锁紧轴液压随动结构和简易式锁紧结构。
5.液压自动锁紧装置
液压自动锁紧装置是通过装于主活塞上的锁紧活塞和装于活塞径向四个扇形槽内的四个锁紧块来实现的。当液压油作用于关闭腔时，推动主活塞和锁紧活塞向闸板关闭方向运动，由于锁紧块内外圆周上都带有一定角度的斜面，内斜面与锁紧块的锁紧活塞的推动下，有向径向外部运动的趋势。一旦主活塞到达关闭位置后，锁紧块在锁紧活塞的径向力作用下，向外运动坐于液缸台阶上，实现完全锁紧。液压油泄压后仅靠锁紧活塞弹簧力的作用，仍能保证可靠的锁紧状态。打开闸板时，液压油作用于开启腔，使锁紧活塞向外运动，锁紧块外圈斜面与液缸台阶斜面相互作用，产生使锁紧块向内收缩的分力，使锁紧块实现解锁，然后主活塞带动闸板轴及闸板实现开启动作。
6.闸板防喷器的关井操作步骤
闸板防喷器关井时，其关井操作步骤应按下述顺序进行：
(1)正常液压关井
①液压关井
a．遥控操作：在司钻控制台上同时将气源总阀扳至开位，所关防喷器的换向阀扳至官位，两阀同时作用的时间不少于5s；
b．远程操作：将远程控制台上控制该防喷器的换向阀手柄迅速扳至关位。
②手动锁紧
长时间关井时，顺时针旋转两操纵杆手轮，将闸板锁住，逆时针旋转两手轮1/4~1/2圈。
(2)正常液压开井
①手动解锁
逆时针旋转两操纵杆手轮，使锁紧轴缩回到位，顺时针操作两手轮各旋转1/4~1/2圈。
②液压开井
a．遥控操作：在司钻控制台上同时将气源总阀扳和所关防喷器的换向阀扳至开位，两阀同时作用的时间不少于5s；
b．远程操作：将远程控制台上控制该防喷器的换向阀手柄迅速扳至开位。
(3)闸板防喷器的手动关井
如果需要关井，又恰逢液控装置失效来不及修复时，可以利用手动机械锁紧装置进行手动关井。
手动关井的操作步骤应按下述顺序进行：
①将远程控制台上的换向阀手柄迅速扳至关位；
②手动关井——顺时针旋转两操纵杆手轮，将闸板推向井眼中心，手轮旋转到位，再逆时针旋转1/4~1/2圈。
手动关井操作的实质即手动锁紧操作。应特别注意的是：在手动关井前，应首先使远程控制台上控制闸板防喷器的换向阀处于关位。这样做的目的是使防喷器开井油腔里的液压油直通油箱。手动关井后应及时抢修液控装置。
液控失效实施手动关井，当压井作业完毕，需要打开防喷器时，必须利用已修复的液控装置，液压开井，手动锁紧装置的结构只能允许手动关井却不能实现手动开井。
1.3我国闸板防喷器的发展方向
（1）研制超高压大通径防喷器组在目前已研制105MPa防喷器的基础上，将105MPa防喷器系列化，完善其配套工具、全封、半封及剪切闸板等的研制；在FZΦ679.45mm，额定工作压力14MPa的特大型单闸板防喷器基础上，研制21MPa、35MPa高压及多闸板特大型防喷器；研究快装卸闸板机构，提高防喷器操作的自动化程度；深入开展弹性体有限元计算分析及计算机变形仿真技术的研究；开展胶心骨架的弹性支承有限元应力应变计算，优化骨架结构设计及选材；实现陆上高压油气田及海上油田钻井防喷器的国产化。
（2）加强新材料的研究研究高强度耐腐蚀的抗H2S钢种，力争突破NACEMRO1-75标准中对结构钢硬度值HRC22及相应强度值的限制，以适应超高压防喷器生产的需要；研究新的硫化工艺及设备，使我国胶心制造技术上一个新台阶；研究适用于H2S环境的剪切闸板；研究适应高温、寒冷、海洋、沙漠等不同介质环境的密封材料，以满足各种恶劣工况。
（3）提高制造及自动化检测技术水平壳体等承压件用35000t大型水压机锻造成型或采用钢水精炼技术，努力解决承压件毛坯铸锻工艺落后问题，避免材质内部出现缺陷。考虑材质中“五害”元素的影响，满足NACEMR01-75抗硫性能的要求。对于防喷器的主要零件，采用刚度好、振动。
第2章 系统分析
2.1 闸板防喷器三维技术开发的背景和意义
2.1.1 闸板防喷器三维技术开发的背景
近年来随着计算机技术、高性能个人计算机、人机交互技术与设备以及计算机网络与通信等科学领域的突破与高速发展，虚拟现实技术也得到了突飞猛进的发展。虚拟现实以其沉浸性、交互性、构想性的特点以及“低成本，高性能” 的研究原则，已经由最初的航空航天领域扩展到了军事、科研、医学、教育文化、娱乐、产品制造、展览等各个不同的领域。
井控工作是石油与天然气勘探开发过程中的重要环节，闸板防喷器是安全生产工作中的重中之重，一直备受各界高度的关注。近年来，随着油田勘探开发领域的不断延伸扩大，油田深井、超深井、水平井、战区调开井控逐年增多，新老区块都面临着地下压力情况日趋复杂，井控风险越来越大，井控安全愈加难以保证的情况，甚至出现了井喷失控等灾难性事故，而且，“浅气层”危害的凸显也给井控工作带来了更多、更大的压力和挑战。只有充分认清井控的严峻形势，更加扎实的做好井控工作的重点——闸板防喷器的工作，才能真正实现井控的本质安全。
闸板防喷器是防喷系统中的重要组成部分，实际上也是一套非常大的液压闸阀组件。通常人们根据防喷器的密封元件的结构工作特点不同，把防喷器分为环形防喷器、闸板防喷器两大类。防喷器在钻井井控中起着至关重要的作用。液压控制系统配套使用下，当井内有钻具时，防喷器能封闭不同尺寸的环形空间；当井内无钻具时，防喷器能全封闭井口。在进行取心、测井作业时发生井喷，又能封闭方钻杆、取心工具、电缆、钢丝绳等与井筒形成的环形空间。在减压调压阀和缓冲储能器配合下，能通过18度无细扣对焊钻杆，进行强行起下钻作业。所以防喷器在井控中扮演着无可替代的角色，对其组装过程进行仿真模拟，更是井控培训的需要，势在必行。
闸板防喷器采用三维建模技术、Photoshop制作、Realflow流体等多种技术相结合的方法，对钻井井控过程中防喷器的组装环境及流程进行仿真。
2.1.2 闸板防喷器三维技术开发的意义
在钻石油井或地热井时，有时会出现井喷。为了有效地防止井喷发生,必须具备安全可靠、操作方便的井喷控制设备和有经验的现场施工人员。井喷控制设备包括井口设备、管汇、控制系统。井口设备主要有环心防喷器和闸板防喷器。管汇包括放喷管汇和压井管汇[4]。
三维技术在闸板防喷器功能的实现中能使书面理论形象化，抽象物体实体化，工艺流程系统化，培训系统数字化。这样可以使现场施工人员能更直观更立体的了解闸板防喷器的工作原理。
2.2 闸板防喷器虚功能实现与仿真系统需求分析
2.2.1系统需求
构建防喷器组装系统整个三维虚拟场景，模型造型逼真，结构准确，复杂度适中。对防喷器的组成：壳体、顶盖、球形胶芯、活塞等进行三维建模，实现防喷器组装的虚拟仿真，其过程进行互动演示，演示内容完整、准确，表现形式生动、合理[5]。
2.2.2开发工具及开发环境
开发工具：三维建模软件，Photoshop，Realflow。
开发环境：Windows98、Windows2000或WindowsXP以上。
第3章 闸板防喷器功能的仿真
3.1开发工具简介
闸板防喷器功能的仿真是通过3DMAX建模工具创建钻井井控相关模型的虚拟环境，让用户能够在所构建的相对真实的闸板防喷器的工作环境中了解闸板防喷器的工作过程。
3.1.1 建模工具—3DMAX
3DMAX，常简称为3DMAX或MAX，是Autodesk公司开发的基于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。在Windows NT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。3DMAX + Windows NT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛，首选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[6]。
一、3DMAX的特点
3DMAX系统拥有许多优良的特性，具体包括。
（1）气象万千的材质编辑器(Material Editor)。
（2）用户界面提供了强大的灵活性和工作能力。
（3）造型命令和编辑修改命令，功能相当强大。
（4）多操作系统支持，系统在Windows xp和Windows NT上都可以运行。
（5）方便控制和编辑动画顺序的对话框。
（6）和其它相关软件配合流畅。
（7）做出来的效果非常的逼真。
二、3DMAX的发展
三维软件是利用电脑制作几何模型的软件。最先只能在专业图形工作站上使用，随着PC机的飞速发展和普及，三维动画软件也纷纷被移植到PC机上。在DOS时代，美国Autodesk公司的3ds三维动画软件几乎垄断了PC机三维动画的市场。1994年Microsoft用1．3亿美元收购Softimage公司，1995年推出基于NT平台的SOFTIMAGE3D3.0版本，激荡了三维动画领域。迫于压力，为了维护3DS在三维动画领域的霸主地位，1996年Kinetix公司推出3DS的WindowsNT版本3DMAX 1．0。这个版本在操作界面、组织结构和功能上都有质的飞跃，获得了巨大的成功。1998年，Maya、Alias、Houdini相继在NT平台上出现。同年，Autodesk公司奋起迎击，推出偏重于建筑设计的3DMAXVIZ版本，该版本实际是在3DMAX的基础上进行一些增减，增加一些与建筑有关的模块，删去一些动画功能。随着三维软件应用的迅速普及，小型三维软件也如雨后春笋般涌现出来。
三、学习3DMAX应具备的能力
（1）三维空间能力
三维空间能力的锻炼，熟练掌握视图、坐标与物体的位置关系。应该要做到放眼过去就可以判断物体的空间位置关系，可以随心所欲地控制物体的位置。这是最基本的要掌握的内容，如果掌握不好，下面的所有内容都会受到影响。有了设计基础和空间能力的朋友，掌握起来其实很简单；没有基础的朋友，只要有科学的学习和锻炼方法，也可以很快地掌握。这是课程培训里的第一步，一般人第一天就可以掌握了。
（2）基本操作命令
基本的几个操作命令：选择、移动、旋转、缩放、镜像、对齐、阵列、视图工具，这些命令是最常用也是最基本的，几乎所有制作都用到。几个常用的三维和二维几何体的创建及参数，熟悉了之后，就掌握了3DMAX的基本操作习惯。
（3）二维图案编辑
二维图案的编辑，这是非常重要的一部分内容，很多三维物体的生成和效果都是取决于二维图案。主要是用“Edit Spline”来实现。对于曲线图案的点、段、线编辑主要涉及到几个常用的命令：Attach Refine Outline Boonlean Trim Weld Fillet Chamfer等，熟练掌握这些子命令，才可以自如地编辑各类图案[7]。
（4）常用编辑命令
几个常用必备的编辑命令，掌握了这些命令，制作效果的模型一般都可以应付了，此外还有些命令，也在效果图制作中时有用到。掌握了几个这样的命令，其他的都可以完全自行学习了，但是也不必要每个都了解，毕竟有一部分极少用到的。这也是之前提到的学习要分清楚方向和应用。不是眉毛胡子一把抓。
（5）材质灯光
材质、灯光是不可分割的，材质效果是靠灯光来体现的，材质也应该影响灯光效果表现。没有灯光的世界都是黑的。材质、灯光效果是效果图的灵魂，也是效果图制作一个难点。如何掌握好材质灯光效果，大概也有以下几个途径和方法：
①掌握常用的材质参数、贴图的原理和应用。
②熟悉灯光的参数及与材质效果的关系。
③灯光、材质效果地表现主要是物理方面的体现，应该加强实际常识的认识和物理知识。
④想掌握好材质、灯光效果的控制，除了以上的几方面，感觉也是很重要的，也是突破境界的一个瓶颈。所谓的感觉，就是艺术方面的修养，这就需要不断加强美术方面的修养，多注意观察实际生活中的效果，加强色彩方面的知识等[8]。
3.1.2辅助工具—Photoshop CS
Photoshop 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。市值达数十亿美元的Adobe公司20 多年来一直致力于帮助用户和企业以更好的成本效益，通过更好的方式表达图像、信息和思想。 公司在数码成像、设计和文档技术方面的创新成果，在这些领域树立了杰出的典范，使数以百万计的人们体会到视觉信息交流的强大魅力。从功能上看，Photoshop可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分。 图像编辑是图像处理的基在础，可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等。也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。这在婚纱摄影、人像处理制作中有非常大的用场，去除人像上不满意的部分，进行美化加工，得到让人非常满意的效果。图像合成则是将几幅图像通过图层操作、工具应用合成完整的、传达明确意义的图像，这是美术设计的必经之路。Photoshop提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合，成为可能使图像的合成天衣无缝。校色调色是Photoshop中深具威力的功能之一，可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色偏的调整和校正，也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。特效制作在Photoshop中主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。包括图像的特效创意和特效字的制作，如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可藉由Photoshop特效完成。而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于Photoshop的研究的原因。本系统中的大部分图形处理都是通过PhotoshopCS4来完成的，在处理场景建模图片时多用选区、图章、图形整形及合成等功能，而本系统中为了模型的名牌，外部纹理全都用贴图实现的。
3.1.3辅助工具—Realflow
RealFlow是由西班牙Next Limit公司出品的流体动力学模拟软件。它是一款独立的模拟软件，可以计算真实世界中运动物体的运动，包括液体。RealFlow提供给艺术家们一系列精心设计的工具，如流体模拟（液体和气体）、网格生成器、带有约束的刚体动力学、弹性、控制流体行为的工作平台和波动、浮力（以前在RealWave中具有浮力功能）。你可以将几何体或场景导入RealFlow来设置流体模拟。在模拟和调节完成后，将粒子或网格物体从RealFlow导出到其他主流3D软件中进行照明和渲染。
与传统认知不同，RealFlow不是一个插件。插件（可以从NextLimit网站免费下载）用来将模拟和几何体导入和导出，但是RealFlow则是一款独立的软件。RealFlow没有提供任何照明和渲染功能。你可以通过调节粒子流的UV坐标来拖拉纹理，从而创建各种纹理效果。你可以为网格创建UV坐标，并且创建“Wet Texture Maps” （打湿纹理贴图）。它可以创建非常丰富和真实的纹理效果，但不能在传统的场景中进行纹理贴图。
通过为软件重写流体解决方案，现在的模拟速度提高了20%到30%。程序可以更好地处理多处理器系统和巨大的内存分配。
最新的曲线和表达式编辑器让用户可以更加自由地调节关键帧。可以对基于表达式的条件产生“回应”，这是一个重要的改进，特别是对效果制作有明显的好处。这些主要特性也可以被整合到RealWave特性设置中。由于允许你进行某些操作，例如从一个基于表面属性的Real Wave表面上发射粒子。Real Wave具有产生波动和在几何体或粒子周围产生浮力效果的功能。
RealFlow专用于水面波浪的模拟，如海面、落入物体后水面泛起的涟漪、行驶在水中的船(包括破浪泛起的粒子水花和产生的水面拖尾)，能够完成的项目包括：物体落入水面后激起波浪，并且随水面上下波动，还能产生溅起的水花。粒子落在水面上泛起的涟漪。在水面上快速运动的物体产生尾迹、水花和波浪，常用于船只的航行模拟。表现动态、自然波动的水面，如湖泊、水池、海洋等，还能产生海水拍岸溅起海浪水花的效果。
RF制作思路是通过粒子模拟液体（气体等）的流动与碰撞，运算出正确的运动轨迹，再以质点与质点间产生平滑的多边形网格。保存序列文件后在3D软件中，如MAX中引入网格，从而达到完美的流体动画制作。RF可实现多种液体混合动画效果（水与牛奶）。
RealFlow没有提供任何照明和渲染功能。你可以通过调节粒子流的UV坐标来拖拉纹理，从而创建各种纹理效果。你可以为网格创建UV坐标，并且创建 “Wet Texture Maps”（打湿纹理贴图）。它可以创建非常丰富和真实的纹理效果，但不能在传统的场景中进行纹理贴图。通过为软件重写流体解决方案，现在的模拟速度提高了20%到30%。程序可以更好地处理多处理器系统和巨大的内存分配。最具创新性的功能是“Wet Texture Maps”（打湿纹理贴图）。当粒子碰到表面，它在物体的表面上“绘制”纹理。因此，它可以在表面上留下痕迹或者“打湿”纹理。
目前RealFlow在广告，片头动画，游戏，影视流体设计中正被广泛的应用。RealFlow应用的电影有：《冰河世纪4》，《复仇者（2012）》，《洛杉矶之战》等等大型国际电影。RealFlow是一种建立在流体动态计算技术上的物理粒子系统，它作为Windows NT/2000/XP/Vista，及其他操作系统下独立运行的程序直观的的实时OpenGL技术显示，可以很好的与3D软件相连接。
3.2 闸板防喷器的设计
3.2.1系统设计目标
本系统是钻井井控安全操作仿真系统，主要是模型展示和动画演示等内容。利用三维建模软件3DMAX构建各个元件的模型，通过材质、贴图、灯光和模型优化等处理技术，真实的描绘出各元件的模型，构建出闸板防喷器操作的三维虚拟场景，供教学员工观看，达到让员工熟悉闸板防喷器整个流程及安全注意事项。最终既能够使教学人员掌握真实操作技能，又避免现场练习操作时由于业务的生疏产生危险后果的可能[8]。
3.2.2系统设计
该系统的一个主要功能就是进行闸板防喷器操作的仿真。对于初级受训人员，主要进行安全意识教学和操作器材的认识。首先了解一下安全操作注意事项。然后认真观察虚拟工人的操作细节及相关工作原理。
通过对井下作业安全操作仿真系统需求分析，首先利用3DMAX建立三维场景模型，然后添加说明性文字和语音并进行动画的制作，最后实现系统的虚拟仿真，其结构框图如图3-1所示。
闸板防喷器功能的仿真
场
景
构建

动画制作
创 建 模 型
模型优化
添加材质贴图
设置灯光
创建相机
创建关键帧
渲染动画
整合输出
添加文字和语音

图3-1 钻井井控虚拟仿真系统结构框图
3.2.3系统模型的构建
一个三维的闸板防喷器的仿真包含有许多模型，每一个模型的逼真度以及对系统资源的使用都对最终合成的总场景的视觉效果和运行速度起着至关重要的作用。因此，可以说三维模型的构建是整个工作中的重中之重。整个场景被划分为若干部分，每部分模型的制作流程都是相似的。建模流程如图3-2所示。

除去冗余多边形
建模准备工作
几何建模
纹理建模
模型优化
线建模工具
面建模工具
体建模工具
点建模工具
添加材质
纹理映射
数据收集整理
确定树状层次结构

图3-2 建模流程图
第4章 闸板防喷器功能的实现
4.1 三维场景的构建
4.1.1 数据采集
闸板防喷器主要由壳体、侧门、油缸、活塞与活塞杆、锁紧轴、端盖、闸板等部件构成。对于设备的外形主要通过现场拍照与录像的形式获得，工作原理图等需要现场相关负责人提供相应的图纸。从现场拍回的照片和录像中，详细观察各个器械造型细节并上网查询内部构造，观察每一个器械模型在整个场景当中的作用，进行细化程度的取舍。然后通过观察具体模型再对照片进行处理，可以通过“截图”，或是在PhotoshopCS中处理图片。整理的目的是获取贴图的素材，因为在建立三维模型的过程中，纹理图片起着至关重要的作用，纹理应用的适当会增加模型的真实度，不过贴图的应用如果处理的好可以大大节省资源使系统的性能和质量都有所提高。
4.1.2 三维模型制作
一、三维模型制作闸板防喷器重要命令
3DMAX中有几个重要的命令，这也是我们在制作闸板防喷器中最需要用到的，下面，我就举例说明一下。
打开系统后，首先先构建一个圆柱体，右击物体，将其转换成“可编辑多边形”，而后进入修改面板，选择“Bevel”命令后，弹出修改器将高度和轮廓数量调整为“0.0”和“-8.0”，从而使得圆柱体上有一个小圆，再使用“Extrude”命令，将修改面板中的参数设定为“30”，此时图形就被挤出“30”个单位的厚度。此时我们得到了闸板防喷器端盖的大体外形图。接着我们需要再重新建立一个较之前小一点的圆柱体，点击工具栏中的“A