OpenGL 在油气藏开发管理GIS 系统中的应用

谢青,陈伟,黄诚,段永刚
(西南石油学院,四川南充637001)

摘要: OpenGL 是一种三维图形开发标准,是从事三维图形开发工作的必要工具,其稳定性、可靠性、可扩展性等特点,赋予了其强大的生命力和应用前景,OpenGL 已经广泛应用于在CAD/ CAM/ CAE、医学图像处理、虚拟现实、娱乐、广告等领域。OpenGL 同样可以应用于油藏开发这类特殊的三维问题表示,油藏本身是一种时空系统,通过油藏动态监测数据的分析和地质统计学方法的应用,实现油藏的动静态描述;利用OpenGL 技术,能够将地下油藏的内部状态形象直观地呈现给油田管理层和技术人员,显著提高工作效率。阐述了OpenGL 的基本概念、特点、原理、工作流程及其绘制流程,基于OpenGL 技术开发油气藏构造三维可视化工具,嵌入到油气藏开发管理GIS 系统中,扩展了目前GIS系统欠缺的三维空间描述能力。
<p>关键词: OpenGL ;虚拟现实;油藏管理;地理信息系统
<p>中图分类号: TE32 ; TE407. 22 　　　　　　　　　文献标识码: A
<p>引　言
<p>　　目前,计算机图形学技术已经进入到了三维真实动感图形时代。在三维绘图蓬勃发展的过程中,计算机公司推出了大量的三维绘图软件。其中SGI 公司推出的OpenGL ,作为一个性能优越的图形应用程序设计界面(API) 异军突起,取得了很大的成就。它以高性能的交互式三维图形建模能力和易于编程开发,得到了Microsoft 、IBM、DEC、Sun、HP等大公司的认同。因此,OpenGL 已经成为一种三维图形开发标准,是从事三维图形开发工作的必要工具。基于OpenGL 开发的大量三维图形应用软件已广泛应用于虚拟现实(Virtual Reality) 、可视化、CAD/ CAM、仿真、GIS、娱乐、医学等领域。OpenGL 技术应用于虚拟现实系统中可以构造更逼真的虚拟场景[5 ] 。虚拟现实系统是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体。虚拟环境由计算机生成,通过视、听、触觉等作用于人,使人产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实系统的基本特点可以简单的归纳为“3 I”,即浸入( Immersion) 、交互( Interaction) 、构想( Imagination) 。构造一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能的计算机软硬件以及各种先进的传感器,去创造一个使参与者处于一个具有身临其境的沉浸感、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境。
<p>　　OpenGL 作为一个优秀的三维图形接口,它能够较好地帮助开发者应用几何建模技术构造虚拟场景的方法来构造高度真实感的虚拟场景。它首先为虚拟场景中的物体构造三维几何模型,然后根据观察点的位置和观察方式进行变换和投影,最后光栅化几何图元并实时绘制场景。
<p>1 　OpenGL 的特点及基本原理
<p>1. 1 　OpenGL 的特点[1 ,2 ]
<p>( 1 ) 图形质量高、性能好。在CAD/ CAM/CAE、医学图像处理、虚拟现实、娱乐、广告等不同的领域中,开发人员可以利用OpenGL 的这些能力自由发挥自己的创造性。
(2) 标准化。OpenGL 是唯一真正开放的,独立于供应商的,跨平台的图形标准。
(3) 稳定性。OpenGL 已经在各种平台上应用了7 年多的时间,它具有明确而控制良好的规范,并具有向后兼容性,使现有的应用程序不会失效。
(4) 可靠性和可移植性。在OpenGL 兼容的任何硬件上,不管使用什么操作系统,同一个应用程序的显示结果均相同。
(5) 可扩展性。通过OpenGL 扩展机制,可以利用API 进行功能扩充。
(6) 可缩放性。基于OpenGL 的应用程序可以在各种系统上运行,其范围从家用电器到PC 机,从工作站到超级计算机。也就是说,OpenGL 应用程序可以适应开发人员选择的各种目标平台。
(7) 易用性。OpenGL 具有良好的结构,直观的设计和逻辑命令。与其它图形程序包相比,OpenGL应用程序的代码行数少。此外,OpenGL 封装了有关基本硬件的信息,使开发人员无需针对具体的硬件进行专门的设计。
(8) 文档丰富。有关OpenGL 的资料有许多,并有大量可用的代码,便于开发人员参考。
<p>1. 2 　OpenGL 的基本原理
<p>1. 2. 1 过程性而非描述性
　　OpenGL 非常直接的指定变换矩阵、光照、反走样方法等的参数,来绘制二维、三维图形。但是,它不提供对复杂几何对象的描述或建模的手段。因此,发布OpenGL 命令就是要指定怎样产生一个特定的结果, 而不是确切说明结果应该如何, 即OpenGL 是过程性的而非描述性的。
1. 2. 2 执行模式
<p>　　OpenGL 命令的解释模式是客户/ 服务器模式的,即由客户(应用程序) 发布命令,命令由OpenGL服务器解释和处理。服务器可以运行在与客户相同的或不同的计算机上。基于这一点,OpenGL 是网络透明的。
1. 2. 3 图元与命令
<p>　　OpenGL 能够绘制的图元包括点、线段和多边形。OpenGL 可以在这几种图元模式之间选择,而且设定一种模式不会影响其他模式。OpenGL 的命令总是顺序处理,也就是说,先定义的图元必须画完之后,才会执行随后的命令。
<p>1. 2. 4 绘制方式
<p>　　OpenGL 主要提供了以下对三维物体的绘制方式:线框绘制方式、深度优先线框绘制方式、反走样线框绘制方式、平面明暗处理方式、光滑明暗处理方式、加阴影和纹理的方式、运动模糊绘制方式、大气环境效果、深度域效果,等等。
<p>2 　OpenGL 工作流程与绘图流程
<p>　　OpenGL 被设计成建立于硬件、以流水线的方式工作,工作流程如图1 所示[2 ] 。OpenGL 工作流程的输入端可以是图像或几何图元,但最终结果都是光栅化后的图像。这些图像进入帧缓冲区后,由硬件显示在输出设备上。OpenGL 的所有绘图对象(包括几何图元和图像) 既可以存储在显示列表中(延迟模式) ,也可以立即处理(立即模式) 。对于图像, OpenGL 首先通过像素解包把其像素格式转换成OpenGL 内部格式,然后通过像素操作后直接光栅化输出或作为其它物体的表面纹理。

<CENTER><IMG src="http://www.86vr.com/news/upload/200412271032411.jpg" border=0></IMG></CENTER>
<p>　　对于几何图元,OpenGL 中的所有几何图元都是用顶点来描述的。OpenGL 首先通过顶点解包将不同格式的顶点数据转化为内部的标准格式,然后对顶点及其相关数据(坐标、颜色、法向量、纹理坐标、边
标识等) 进行操作,再进行光栅化,最终得到可见的图像。OpenGL 绘图流程步骤如下:
(1) 设置像素格式—主要包括建立OpenGL 绘制风格、颜色模式、颜色位数、深度位数等;
<p>(2) 建立三维模型—构造几何要素(点、线、多边形、图像和位图) ,创建对象的数学描述;
(3) 舞台布景—在三维空间上的适当位置放置对象,选择有利的场景观察点;
(4) 效果处理—设置物体对象的材质(颜色、光学性能及纹理映射等) ,加入光照及光照条件;
(5) 光栅化—把对象的数学描述和颜色信息转化为可在计算机上显示的像素信息。

3 　OpenGL 在油田开发生产管理GIS 系统中的应用
　　油田的开发生产管理过程中涉及到多种信息来源,按照信息的组成和结构特点,可以划分为三大类:属性类信息、空间类信息、空间属性类信息。属性类信息包括:油井的生产数据、设备监控数据、井深剖面数据等。空间类信息主要是二维地图类信息,包括:油田地理分布、地面管网与站场分布、电力供应网络与设备分布等。空间属性类信息主要是连续参数分布类信息,包括储层的井间剖面结构、层位分布、油藏体的三维结构和参数分布。其中空间属性类信息在油田开发中显得尤其重要[3 ] 。 <p>　　油藏是一种不可直接观测的复杂时空系统,只能在通过生产井进行监测,获得井筒附近的储层物性参数和近井地带的流体分布,需要利用井筒观测数据进行空间推断,刻画油藏的内部状态分布及其变化。一方面需要应用油藏工程方法分析油井生产动态数据,另一方面需要应用地质统计学方法进行空间插值,获得油藏整体描述。把地下油藏的具体情况在现于开发者面前,这需要在三维空间中描述油藏。而OpenGL 之类的三维图形开发工具能够很好的描述空间属性类信息,输出三维构造图、剖面图等。利用OpenGL 还可以实现在油藏中的虚拟漫游,通过改变空间视点的位置可以实现对油藏的360 度环视、仰视和俯视,以及放大和缩小。再加上一些虚拟现实系统中常用的头盔显示器、数据手套等工具,使油田开发生产管理者沉浸于逼真的地下油藏虚拟环境中,有身临其境的感觉。更有利于管理团队了解油藏的内部状态分布,进行空间分析和对比,设计合理的油田开发方案。采用3OD 虚拟技术和大屏幕,油田开发生产管理者可以在虚拟的地下油藏环境中上下走动来寻找也许忽略掉了的详细信息,并识别到潜在的安全问题,这将使得大家对最初的开采方案做进一步的修改,在项目上可以节省上千万元[6 - 8 ] 。 <p>　　在一副公共视图中显示不同类型的信息,可以分析出数据之间的复杂关系,使开发者更容易理解,并更准确地作出决定。设想在地震和解释数据面前,计划一口井,钻井记录和地质横截面和油层模型可以都放在这一视图中。这样,可以很容易地分析出断层、油层性能和地震特征间的复杂关系。而数据是可以自由地添加或删除的,并且视图可以自由的移动,从而可以很容易的从不同的视点位置来探索它们之间的空间关系。我们需要找到3OD 地震和解释数据与地下地质构造与流体之间的关系,并设计出一种把地下油藏内部状态分布及其变化状态呈现于人们面前的方法。可视化解释工具可以做到这一点。 <p><CENTER><img src="http://www.86vr.com/news/upload/200412271036532.jpg"></IMG></CENTER><p>　　目前,我们已经应用OpenGL 技术开发出油气藏构造三维可视化工具,嵌入到油气藏开发管理GIS 系统中,利用GIS 系统二维地图的构造深度等值线图、砂体厚度等值线图绘制出三维地质构造图(如图2 、图3) 。这在很大程度上弥补了目前GIS 系统欠缺的三维空间描述与分析能力[5 ] 。 <p>4 　结　论
(1) OpenGL 是一种三维图形开发标准,是从事三维图形开发工作的必要工具(2) OpenGL 的稳定性、可靠性、可扩展性等特点,赋予了其强大的生命力和应用前景;
(3) 实现利用OpenGL 技术,结合油藏的动静态描述的成果,能够将地下油藏的内部状态形象直观地呈现给管理层和技术人员,显著提高工作效率;
(4) 基于OpenGL 技术开发油气藏构造三维可视化工具,嵌入到油气藏开发管理GIS 系统中,大大扩展了现有GIS 系统欠缺的三维空间描述能力。 <p>
参考文献:
[1 ] 　Richard S Wright ,J r Michael Sweet . OpenGL 超级宝典[M] . 北京:人民邮电出版社,2001. 6.
[2 ] 　乔林,费广正. OpenGL 程序设计[M] . 北京:清华大学出版社,2000. 4.
[3 ] 　陈伟,李允,黎明,等. 地理信息系统与油田开发管理[J ] . 西南石油学院学报,2001 ,23 (1) :34 - 36 ,63.
[4 ] 　Joe Gradecki. The Virtual Reality Construction Kit 虚拟现实系统制作指南[M] . 1996. 11.
[5 ] 　吴信才. 地理信息系统的基本技术与发展动态[J ] . 地球科学,1998 , (4) :1 - 3.
[6 ] 　Jeff Coffman. 3OD immersion enhances productivity[J ] .The American Oil ; Gas Reporter ,November 1999.
[7 ] 　Michael J Zeitlin. How 3OD visualization will change in2　terpretation strategies in future oil companies [ J ] . The　Leading Edge , December 2001 :54.
[ 8 ] 　Louis Liro , Kimberly Cline , Mary Kadri. A new　paradigm for data integration and collaboration using 3D visulization technology [ J ] . The LeadingEdge , December 2001 :60