基于Web的三维实时井眼轨迹可视化方法研究与实现*

张洋弘，孙歧峰，邵　尉，段毛毛，段友祥（中国石油大学（华东）计算机与通信工程学院，山东　青岛　266580）

基于Web的三维实时井眼轨迹可视化方法研究与实现*

张洋弘，孙歧峰，邵尉，段毛毛，段友祥
（中国石油大学（华东）计算机与通信工程学院，山东青岛266580）

针对基于Web的实时三维可视化应用需求，结合邻近井段的结构形状、变化规律，改进了贝塞尔曲线拟合算法，提高了测斜数据处理速率和曲化度，并采用Away3D技术实现轨迹的三维展示。应用结果表明，轨迹绘制细腻流畅，系统具备良好的实时性。

井眼轨迹；Away3D；Web；实时；可视化

0　引言

在随钻测井LWD［1］过程中，井眼轨迹的可视化是实时监测的重要手段，也是实现轨迹控制的基础，其表现的准确性、实时性，直接影响钻井导向的决策。

随着Internet的不断普及，B/S模式Web技术成为一种流行的信息交互平台［2］。但对于显示效率、实时性要求较高的井眼轨迹可视化来说，传统B/S模式其固有的缺陷［3］使得实时数据发布受到限制。借助Web3D技术的3D引擎对图形图像实时渲染，则可有效地缓解这一问题。

根据生产实际和Web技术的特点，采用基于Web的B/S结构，借助C#.NET开发环境［4］，通过改进的轨迹优化算法，结合Web3D技术实现三维实时井眼轨迹可视化，使测井人员随时随地通过浏览器方便快捷地对轨迹状态进行准确高效的实时监测。

1　Web3D技术及平滑算法

1.1Web3D技术支持

Web3D技术主要有基于HTML5方式和基于浏览插件方式。HTML5方式中，WebGL直接以OpenGL为接口，从Web脚本生成3D图形渲染［5］，但在它安全性方面还存在缺陷，标准的制定和推广还有很大风险。

基于插件方式的Web3D技术众多。其中Java3D是Java语言在三维图形领域的扩展，提供一个高性能的面向对象编程模型。参考文献［6］对基于Java3D的井眼轨迹可视化过程做了详细描述，可视化效果较为理想，但Java3D中没有提供基本形体，给编程带来不便。

Away3D是一个Flash平台［7］的实时3D引擎技术，其基本思想是利用Flex中Stage3D API技术在网页上创建3D对象［8］。相比较于其他三维技术，借助该技术完成三维实时井眼轨迹可视化有以下技术上的优势。

（1）播放器插件。Away3D所使用的Flash Player借助硬件加速功能，使其具备较高的显示效率和超群的渲染能力，为井眼轨迹的实时渲染提供保障。同时，其普遍性保证了技术人员使用方便。

（2）良好的跨平台性。ActionScript3.0作为该技术的开发语言，其文档对象模型（SWF格式动画）可以嵌入其他多种应用程序，这大大优化了该技术的跨平台性。利用高级语言高效的数据结构进行井眼数据的复杂处理，将结果直接传入动画文件进行轨迹显示，进一步确保轨迹显示的实时性。

（3）容易实现，展现丰富效果。Away3D提供基本形体的库函数，方便基本形体的创建。此外，该技术也支持鼠标和触摸交互，提供丰富的后处理效果。

1.2井眼轨迹平滑算法

轨迹数据是由测斜数据经过井眼轨迹算法［9-10］得到的离散数据，从轨迹结构计算模型的微元分析角度看，轨迹数据进行有序排列并连接得到的是一条轨迹折线。因此，坐标增量计算要求测点间隔不宜过长，以保证离散带来的误差足够小；而如果原始数据间隔较大，则需进行插值处理增加数据点以弥补测斜数据的不足，从而提高轨迹曲化程度。

［11］提出一种三次样条插值及多项式拟合平滑方法。通过构造三次样条函数求得插值，采用多项式最小二乘拟合技术对测量数据进行平滑处理［11］。该方法处理效果明显，但计算量大，原理复杂，应用于Web井眼轨迹可视化，实时性受到影响。本文以三阶贝塞尔曲线拟合为基础对轨迹数据的插值处理加以改进。算法原理简单、计算量小、计算效率较高。

2　改进的轨迹平滑算法原理

三阶贝塞尔曲线拟合是将曲线定义为起始点、终止点以及两个控制点，通过控制点的滑动，求得圆弧所有点，完成曲线拟合。将其直接应用于井眼轨迹绘制，由于曲线只通过起止点，距控制点偏移较大［12］，会丢失大量真实井眼坐标信息，从而导致轨迹走样。因此，对控制点的选取加以改进，提出一种改进的贝塞尔曲线拟合方法。

该方法是利用轨迹坐标通过算法构造特殊三角形，求得能反映相邻井段弯折趋势的三角形内切圆圆心作为局部控制点，再利用贝塞尔曲线拟合使局部曲率半径增大，从而在保证不失真的前提下提高轨迹曲化度。具体原理如图1所示。

图1　轨迹控点提取原理图

图1（a）中，A、B、C三点为井眼轨迹坐标点。设其全局坐标为A（x1，y1，z1）、B（x2，y2，z2）、C（x3，y3，z3），获取控制点O0、O1的全局坐标的步骤如下：

（1）全局坐标转换为局部坐标。轨迹段先沿全局坐标轴（x、y、z轴）进行平移，使A点和全局坐标的原点O重合；再绕全局坐标轴逆时针旋转α、β、θ角，使平面ABC法向量与z轴正方向平行，AC线段与x轴重合［13］（如图1（b）所示）。由以上变换可得全局坐标转换为局部坐标的关系式为：

其中，x1、y1、z1是A点的全局坐标值；x′、y′、z′是局部坐标系坐标；x、y、z是全局坐标系坐标。

（2）求控制点O0、O1的局部坐标。局部坐标系如图1（b）所示，利用AC作为边，过点B作矩形，利用矩形顶点M、N，形成△AMB、△BMC。取两三角形内切圆圆心O0、O1为两井段的控制顶点，设B、C点局部坐标为B（x2′，y2′，0）、C（x3′，y3′，0），则M、N点坐标为M（0，y2′，0）、N（x3′，y2′，0），由式（2）求得O0、O1的局部坐标。

（3）控制点的局部坐标转换为全局坐标。在式（1）的基础上，经过相反操作，使井段回到原来位置。局部坐标转换为全局坐标的公式为：

求得所有单位井段控制点坐标，起止段有一个控制点，中间井段有两个控制点。为了计算的一致性，将起止段的一个控制点看作两个，并分段应用三阶贝塞尔曲线拟合绘制轨迹。精简图如图2所示，效果对比图如图3所示。

图2　改进的贝塞尔曲线拟合精简图

图3　效果对比图

3　Away3D技术实现井眼轨迹可视化

3.1可视化实现过程

井眼轨迹的形态是由坐标系统描述的。坐标系统主要包括：坐标轴、坐标刻度和轨迹。结合Away3D一般开发步骤，实现井眼轨迹可视化基本开发流程如下：

（1）基本构件设置

完成各构件参数设定，为3D展示搭建舞台。具体包括视口、灯光、摄像机等。

（2）坐标系统绘制

该部分实现分两个子模块：坐标轴及轨迹绘制、刻度值显示。坐标轴及轨迹主要由网格平面和线段构成。轨迹数据通过VS2005平台完成复杂的坐标计算及转换。Flash平台直接读取数据展示轨迹。如此一来，Away3D引擎减少了计算量，提高了轨迹可视化效率。三维字体结构复杂、显示效率低，为提高效率，刻度值显示以二维文本生成、二三维转换方式实现。

（3）轨迹控制设置

该设置是对轨迹的交互控制添加事件监听器，通过控制旋转、放缩、移动参数实现轨迹的交互式控制。

（4）渲染视口

渲染视口是将所绘制的三维坐标系统“投影”到二维屏幕上，完成三维效果展示。

3.2可视化效果及对比

下面给出一口井的实测数据：某定向井的垂深为2 076m，正东和正北位移达到676m和446m。采用上述方法进行平滑处理，并实现三维可视化。处理前后的轨迹效果分别如图4、图5所示。

图4　平滑处理前轨迹效果图

图5　平滑处理后轨迹效果图

可以看出，Away3D技术可视化效果优越，平滑处理前井眼轨迹锯齿状较明显，处理后锯齿基本消退，提高了轨迹曲化程度，同时轨迹更新也满足实时性的要求。

4　结论

本文针对网络技术发展产生的油田信息化的新的应用需求，以及传统基于Web可视化中存在的显示效率低、显示效果差等问题，提出了一种Away3D技术的三维实时井眼轨迹可视化方法。该方法使用改进的井眼轨迹平滑算法，在传统三阶贝塞尔曲线拟合的理论基础上寻找合理的局部井段控制点完成轨迹平滑处理，算法高效，效果明显。同时发挥Away3D的技术优势实现Web井眼轨迹可视化，过程容易快捷，显示细腻流畅。系统实时性好、通用性强，并具有良好的交互性，能够满足实际生产中工程技术人员进行过程监督以及协同工作的需求。

参考文献

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［5］冯科融，王和兴，连加美，等.基于HTML5的3D多人网页游戏实现方案［J］.微型机与应用，2013，32（1）：4-6.

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［13］倪明田，吴良芝.计算机图形学［M］.北京：北京大学出版社，1999.

Research and implementation of Web-based 3D real-time visualization of wellbore trajectory

Zhang Yanghong，Sun Qifeng，Shao Wei，Duan Maomao，Duan Youxiang
（College of Computer and Communication Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

This paper aims to provide a method to meet the needs of the application of Web-based real-time 3D visualization.According to the structure and change rule of neighboring well segments，we improved Bezier curve fitting algorithm and increased inclinometer data processing rate and the curve degree.Meanwhile，we used the Away3D technology to achieve a 3D visualization of trajectory.Application shows that the trajectory is delicate and smooth，and the instantaneity of this system is good.

trajectory；Away3D；Web；real time；visualization

TE928；TP391

A

1674-7720（2015）16-0074-03

张洋弘，孙歧峰，邵尉，等.基于Web的三维实时井眼轨迹可视化方法研究与实现［J］.微型机与应用，2015，34（16）：74-76.

2015-03-24）

张洋弘（1990-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：随钻数据可视化。E-mail：zyh@s.upc.edu.cn。

中央高校基本科研业务费专项资金（14CX02138A）