海洋石油设备三维模型静态质感表现剖析及模型制作实例

何玉庆，陈玉山，杨 琳，符仁杰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

0 引 言

仿真工业模型具有直观、形象、易理解、便于携带等优点，适用于机械设备竞标、宣传、展示，也有助于研发和教学。依托数字化技术的仿真工业模型可以让企业在同行竞争中更好地突显产品的优势和价值，因此倍受青睐。本文以石油设备为例，阐述不同技术的仿真表现差异［1］。

1 仿真三维模型的创建

1.1 仿真三维模型制作工具的优缺点

市场上主流的三维模型制作软件包括3DMAX和MAYA，但在制作仿真工业三维动画或模型时，大多数从业者更喜欢使用3DMAX，这是因为3DMAX更适合工业设备模型的制作。MAYA操作烦琐、工具较为隐蔽，但角色动画功能较为突出，更适合制作影视动画［2］。UV展开插件unfold3D也是制作过程中常用的工具之一，与3DMAX的兼容更加出色。

1.2 仿真三维模型及贴图制作

在制作任何领域的作品时，模型的创建都是核心和基础。无论是在传统制作领域还是仿真制作领域，模型的创建是最先进行的步骤。石油工业设备是一步步搭建而成，使用精细的制作技巧才能显示设备模型的特征。

制作石油设备三维模型首先需要收集CAD图纸和各个角度的实物照片，以1:1 比例还原实物。制作过程中，通常使用多边形建模方法进行模型堆叠，并使用二维样条线制作部分特殊部件，然后依据设备照片提取涂装、标识、磨损和划痕等元素信息。展开模型UV后，首先导入Photoshop软件中，对UV贴图进行绘制，将各个信息元素放在对应的UV上。最后将UV贴图正确投射到模型物体表面。这样制作的设备模型非常接近真实物体，并可以完美展现其细节和特征。

2 不同贴图方式的对比

进行模型贴图的关键命令是UVW Map 和Unwrap UVW。通过UVW Map面板中的7 种投射类型，实现模型物体的精准贴图，其中Box投射方式在工业动画中使用最广泛（图1），可以快速实现贴图对模型的整体覆盖［3］。但是如果需要更加精确的贴图表现，则需要使用Unwrap UVW修改器来实现精准贴图对位。

图1 立方体贴图投射贴图Fig.1 Cube map projection map

Unwrap UVW 修改器是MAX 中内置的强大的UV展开系统（图2），可以编辑多边形物体的点、边和面的贴图分布。此外，还有UV展开插件unfold3D，可在局部松弛的情况下使其更加平展。两者在实际中都有应用。

图2 UV展开投射贴图Fig.2 UV unfold projection map

3 石油设备三维模型制作实例

3.1 聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）模型

3.1.1 PDC钻头设备整体分析

PDC钻头是地质钻探常用的钻井工具，制作前需要确定单位大小，并建立场景空间，以导入的图纸作为模型比例标准（图3）。在制作过程中，需要分析钻头特点，并确定布线方案（图4），以确保刀翼和胎体成为一个整体模型（图5）。接着需要在模型上添加PDC切削齿，并保证各部件比例精准，以体现设备的真实感（图6）。在此基础上，拆分整理UV，预先对模型进行一级圆滑，以避免UV接缝处的过度变形。为了体现出设备的特殊质感，使用UV插件unfold3D进行模型拆分。在制作过程中，反复观察各部件比例关系，精确制作模型，并进行UV整理，以确保最终生成的模型具有高度真实感。

图3 PDC钻头图纸Fig.3 PDC bit drawing

图4 图纸导入Fig.4 Drawing import

图5 模型合理布线Fig.5 Model reasonable wiring

图6 钻头完整模型Fig.6 Complete model of drill bit

3.1.2 PDC钻头UV展开和贴图绘制

为了展现PDC钻头的结构形状，进行UV切割操作，并将切割线埋放在隐蔽的部位，避免接缝处过多暴露在外。选定好切割部位后，将其全部断开（图7），并使用UV展开命令将钻头完全铺平。通过一张正方形的UV贴图测试，确保每个格子大小一致，以达到展开UV的最佳状态。最后合理摆放UV，以有效利用空间，并方便后期的贴图绘制（图8）。

图7 UV切割线Fig.7 UV cut line

图8 UV展开状态Fig.8 UV unfold status

首先将从3D建模软件MAX中导出的UV图导入到Photoshop中。在实物照片的基础上，修饰固有色、破损和油污等，并沿着相应的UV 线进行刻画。接着应用绘制好的固有色贴图贴到钻头的3D模型上，观察绘制效果。PDC钻头的本体由金属、漆面等不同材质组成，需绘制黑白贴图作为遮罩，以区分质感颜色。完成这些步骤即可得到一个完整的PDC钻头模型（图9）。

图9 钻头贴图及最终效果Fig.9 Bit mapping and final effect

3.1.3 PDC钻头项目场景运用

在地层类动画场景中，通常使用钻头类模型（图10），以展示裸眼井的开钻和不同种类钻头的介绍。通过这些模型，快速了解其功能和作用。相较于传统的PPT文本和图片介绍，三维展示在产品快速认知方面具有巨大优势（图11）。此外，这些模型也可被导入虚拟软件中，并结合程序进行钻头钻进过程的转井模拟。

图10 地层钻进Fig.10 Formation drilling

图11 钻头多维度展示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 勘探船整体分析

海洋石油708 深水工程勘探船是全球首艘将钻井、海上工程和勘探功能集于一体的3 000 m深水工程勘察船，是中国海油深海油气开发“五型六船”之一。

制作船体前，需要对其尺寸、比例、各个功能区及设备有大致了解。船体是由多层甲板构成的，图纸也要逐层摆放并一一对应，4 个角度的视图均需按标准比例调整（图12），同时设定好船体的整体框架。在制作过程中，应不断观察实物照片、打磨船体形态，以确保准确性。最终制作出来的船模型应相对真实，且与其他模型合并时不会出现比例上的差异。

图12 图纸导入制作船体Fig.12 Drawing import for hull fabrication

3.2.2 大型设备的UV与贴图

展开UV时，需考虑船舶为大型物体，应具有多种颜色和质感。合理利用UV资源，以保证输出清晰度，放大相对面积大的物体、缩小相对面积小的物体。对称形状的船体下部只需展开一半，并分开对称物体，以避免重复帖图效果（图13）。

图13 船体UV贴图Fig.13 Hull UV map

绘制船体贴图时，需参考大量照片素材，以制作出船体在使用过程中的各种破旧效果。如果照片清晰，则可直接采用作为贴图素材，以获得更真实的效果，从而更容易融入各场景（图14）。

图14 海洋石油708 三维模拟船最终效果Fig.14 Final effect of offshore oil 708 3D simulation ship

3.2.3 船舶项目的实际运用

在大多数深海作业项目中，使用船舶是必不可少的。海上开采、钻井、安装、修井等项目都需要使用大型船舶。可以利用此方法制作不同种类的船舶，其中常见的有海洋石油981、最新投产的深海一号及一些拖航的船舶。介绍船舶时，可分别介绍船体各层和每个设备，有助于石油工人直观了解船舶的整体结构，对安全培训也会有很大帮助。

4 结 语

随着石油工业的不断发展，对三维模型基础模型的需求也日益扩大。通过创建三维模型，结合当前广泛使用的动画和虚拟制作软件，各种工业场景生动再现。在人员培训项目中，三维可视化工具突出体现了对企业降本增效方面的贡献，缩短了培训时间，降低了培训成本，节省了物力［4-5］。精细且直观的模型在工业市场竞争中发挥了极大作用，而工业本身的进步与创新是三维可视化技术前进道路上的重要基石。■