海洋石油設備三維模型靜態質感表現剖析及模型制作實例

何玉慶，陳玉山，楊 琳，符仁杰

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

0 引 言

仿真工業模型具有直觀、形象、易理解、便于攜帶等優點，適用于機械設備競標、宣傳、展示，也有助于研發和教學。依托數字化技術的仿真工業模型可以讓企業在同行競爭中更好地突顯產品的優勢和價值，因此倍受青睞。本文以石油設備為例，闡述不同技術的仿真表現差異［1］。

1 仿真三維模型的創建

1.1 仿真三維模型制作工具的優缺點

市場上主流的三維模型制作軟件包括3DMAX和MAYA，但在制作仿真工業三維動畫或模型時，大多數從業者更喜歡使用3DMAX，這是因為3DMAX更適合工業設備模型的制作。MAYA操作煩瑣、工具較為隱蔽，但角色動畫功能較為突出，更適合制作影視動畫［2］。UV展開插件unfold3D也是制作過程中常用的工具之一，與3DMAX的兼容更加出色。

1.2 仿真三維模型及貼圖制作

在制作任何領域的作品時，模型的創建都是核心和基礎。無論是在傳統制作領域還是仿真制作領域，模型的創建是最先進行的步驟。石油工業設備是一步步搭建而成，使用精細的制作技巧才能顯示設備模型的特征。

制作石油設備三維模型首先需要收集CAD圖紙和各個角度的實物照片，以1:1 比例還原實物。制作過程中，通常使用多邊形建模方法進行模型堆疊，并使用二維樣條線制作部分特殊部件，然后依據設備照片提取涂裝、標識、磨損和劃痕等元素信息。展開模型UV后，首先導入Photoshop軟件中，對UV貼圖進行繪制，將各個信息元素放在對應的UV上。最后將UV貼圖正確投射到模型物體表面。這樣制作的設備模型非常接近真實物體，并可以完美展現其細節和特征。

2 不同貼圖方式的對比

進行模型貼圖的關鍵命令是UVW Map 和Unwrap UVW。通過UVW Map面板中的7 種投射類型，實現模型物體的精準貼圖，其中Box投射方式在工業動畫中使用最廣泛（圖1），可以快速實現貼圖對模型的整體覆蓋［3］。但是如果需要更加精確的貼圖表現，則需要使用Unwrap UVW修改器來實現精準貼圖對位。

圖1 立方體貼圖投射貼圖Fig.1 Cube map projection map

Unwrap UVW 修改器是MAX 中內置的強大的UV展開系統（圖2），可以編輯多邊形物體的點、邊和面的貼圖分布。此外，還有UV展開插件unfold3D，可在局部松弛的情況下使其更加平展。兩者在實際中都有應用。

圖2 UV展開投射貼圖Fig.2 UV unfold projection map

3 石油設備三維模型制作實例

3.1 聚晶金剛石復合片鉆頭（PDC鉆頭）模型

3.1.1 PDC鉆頭設備整體分析

PDC鉆頭是地質鉆探常用的鉆井工具，制作前需要確定單位大小，并建立場景空間，以導入的圖紙作為模型比例標準（圖3）。在制作過程中，需要分析鉆頭特點，并確定布線方案（圖4），以確保刀翼和胎體成為一個整體模型（圖5）。接著需要在模型上添加PDC切削齒，并保證各部件比例精準，以體現設備的真實感（圖6）。在此基礎上，拆分整理UV，預先對模型進行一級圓滑，以避免UV接縫處的過度變形。為了體現出設備的特殊質感，使用UV插件unfold3D進行模型拆分。在制作過程中，反復觀察各部件比例關系，精確制作模型，并進行UV整理，以確保最終生成的模型具有高度真實感。

圖3 PDC鉆頭圖紙Fig.3 PDC bit drawing

圖4 圖紙導入Fig.4 Drawing import

圖5 模型合理布線Fig.5 Model reasonable wiring

圖6 鉆頭完整模型Fig.6 Complete model of drill bit

3.1.2 PDC鉆頭UV展開和貼圖繪制

為了展現PDC鉆頭的結構形狀，進行UV切割操作，并將切割線埋放在隱蔽的部位，避免接縫處過多暴露在外。選定好切割部位后，將其全部斷開（圖7），并使用UV展開命令將鉆頭完全鋪平。通過一張正方形的UV貼圖測試，確保每個格子大小一致，以達到展開UV的最佳狀態。最后合理擺放UV，以有效利用空間，并方便后期的貼圖繪制（圖8）。

圖7 UV切割線Fig.7 UV cut line

圖8 UV展開狀態Fig.8 UV unfold status

首先將從3D建模軟件MAX中導出的UV圖導入到Photoshop中。在實物照片的基礎上，修飾固有色、破損和油污等，并沿著相應的UV 線進行刻畫。接著應用繪制好的固有色貼圖貼到鉆頭的3D模型上，觀察繪制效果。PDC鉆頭的本體由金屬、漆面等不同材質組成，需繪制黑白貼圖作為遮罩，以區分質感顏色。完成這些步驟即可得到一個完整的PDC鉆頭模型（圖9）。

圖9 鉆頭貼圖及最終效果Fig.9 Bit mapping and final effect

3.1.3 PDC鉆頭項目場景運用

在地層類動畫場景中，通常使用鉆頭類模型（圖10），以展示裸眼井的開鉆和不同種類鉆頭的介紹。通過這些模型，快速了解其功能和作用。相較于傳統的PPT文本和圖片介紹，三維展示在產品快速認知方面具有巨大優勢（圖11）。此外，這些模型也可被導入虛擬軟件中，并結合程序進行鉆頭鉆進過程的轉井模擬。

圖10 地層鉆進Fig.10 Formation drilling

圖11 鉆頭多維度展示Fig.11 Multidimensional display of drill bits

3.2 海洋石油708 勘探船模型

3.2.1 海洋石油708 勘探船整體分析

海洋石油708 深水工程勘探船是全球首艘將鉆井、海上工程和勘探功能集于一體的3 000 m深水工程勘察船，是中國海油深海油氣開發“五型六船”之一。

制作船體前，需要對其尺寸、比例、各個功能區及設備有大致了解。船體是由多層甲板構成的，圖紙也要逐層擺放并一一對應，4 個角度的視圖均需按標準比例調整（圖12），同時設定好船體的整體框架。在制作過程中，應不斷觀察實物照片、打磨船體形態，以確保準確性。最終制作出來的船模型應相對真實，且與其他模型合并時不會出現比例上的差異。

圖12 圖紙導入制作船體Fig.12 Drawing import for hull fabrication

3.2.2 大型設備的UV與貼圖

展開UV時，需考慮船舶為大型物體，應具有多種顏色和質感。合理利用UV資源，以保證輸出清晰度，放大相對面積大的物體、縮小相對面積小的物體。對稱形狀的船體下部只需展開一半，并分開對稱物體，以避免重復帖圖效果（圖13）。

圖13 船體UV貼圖Fig.13 Hull UV map

繪制船體貼圖時，需參考大量照片素材，以制作出船體在使用過程中的各種破舊效果。如果照片清晰，則可直接采用作為貼圖素材，以獲得更真實的效果，從而更容易融入各場景（圖14）。

圖14 海洋石油708 三維模擬船最終效果Fig.14 Final effect of offshore oil 708 3D simulation ship

3.2.3 船舶項目的實際運用

在大多數深海作業項目中，使用船舶是必不可少的。海上開采、鉆井、安裝、修井等項目都需要使用大型船舶。可以利用此方法制作不同種類的船舶，其中常見的有海洋石油981、最新投產的深海一號及一些拖航的船舶。介紹船舶時，可分別介紹船體各層和每個設備，有助于石油工人直觀了解船舶的整體結構，對安全培訓也會有很大幫助。

4 結 語

隨著石油工業的不斷發展，對三維模型基礎模型的需求也日益擴大。通過創建三維模型，結合當前廣泛使用的動畫和虛擬制作軟件，各種工業場景生動再現。在人員培訓項目中，三維可視化工具突出體現了對企業降本增效方面的貢獻，縮短了培訓時間，降低了培訓成本，節省了物力［4-5］。精細且直觀的模型在工業市場競爭中發揮了極大作用，而工業本身的進步與創新是三維可視化技術前進道路上的重要基石。■