異種油藏網(wǎng)格模型三維可視化優(yōu)化方法研究

申 皓,劉青昆,龔蔚青,胡國棟

(1.遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116081;2.中石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.北京華盛海天科技發(fā)展有限公司,北京 100191)

三維可視化技術(shù)日趨成熟，其在石油勘探領(lǐng)域的應(yīng)用越來越重要,目前主要常見于國外主流商業(yè)化油藏三維地質(zhì)建模、油藏?cái)?shù)值模擬等大型專業(yè)軟件中，如PETREL和ECLIPSE等[1]。為了能對主流商業(yè)軟件地質(zhì)研究成果加以研究和利用，需要能夠加載不同軟件的模型成果文件。但不同的軟件網(wǎng)格描述方式不同，需要分別編寫相應(yīng)的處理程序，增加分析工具的研發(fā)成本。同時大規(guī)模油藏模型對計(jì)算機(jī)的存儲容量、處理速度、繪制速度等都提出了很高的要求[2-3]，當(dāng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作時運(yùn)算數(shù)據(jù)量大，會出現(xiàn)速度緩慢、顯示不連續(xù)等問題。因此，本文提出異種油藏網(wǎng)格模型三維可視化優(yōu)化方法。該方法能夠加載不同描述方式的異種網(wǎng)格模型，同時在不影響油藏模型顯示效果的前提下，對網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度地減少原始模型的網(wǎng)格和頂點(diǎn)的數(shù)目，進(jìn)而使得優(yōu)化后的網(wǎng)格模型能進(jìn)行快速實(shí)時繪制，提高了網(wǎng)格規(guī)模的擴(kuò)展性。

1 異種網(wǎng)格模型及特點(diǎn)

矩形和角點(diǎn)是目前使用較多的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以用I、J、K定義每個網(wǎng)格的位置。矩形網(wǎng)格主要用DX、DY、DZ關(guān)鍵字來描述,角點(diǎn)網(wǎng)格主要用COORD、ZCORN關(guān)鍵字來描述，它們的網(wǎng)格存儲格式不同[4-5]。此外，不同軟件導(dǎo)出的網(wǎng)格模型可能存在I、J增量方向的差異，其網(wǎng)格排序也不同。本文把不同存儲格式、不同排序的網(wǎng)格模型統(tǒng)稱為異種網(wǎng)格模型。

2 異種網(wǎng)格模型繪制方法研究

2.1 統(tǒng)一網(wǎng)格存儲格式研究

將統(tǒng)一網(wǎng)格存儲格式的方法定義為兩個函數(shù)接口，在對各自模型成果文件進(jìn)行讀取時，只需提供這兩個接口函數(shù)，便可獲取各結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型各網(wǎng)格8個頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

兩個接口函數(shù)為：一個是網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)獲取接口GetVertice()，通過唯一頂點(diǎn)索引index可以得到對應(yīng)唯一頂點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)，即不重復(fù)的網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)都有一個唯一索引標(biāo)簽與之對應(yīng)；另一個是網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)索引獲取接口GetHexahedron()，用于獲取(i,j,k)網(wǎng)格 8個頂點(diǎn)的坐標(biāo)索引值，此索引值與網(wǎng)格頂點(diǎn)獲取接口參數(shù)索引值index相同。

2.2 統(tǒng)一網(wǎng)格排序研究

網(wǎng)格排序存在差異是指I、J增量方向不同，如圖1、圖2所示。進(jìn)行網(wǎng)格遍歷時，I方向，(i+1,j,k)網(wǎng)格相對于當(dāng)前(i,j,k)網(wǎng)格可能在右或在左，如果(i+1,j,k)網(wǎng)格為無效網(wǎng)格或與(i,j,k)網(wǎng)格相鄰面的4個頂點(diǎn)不重合，需保存兩個網(wǎng)格相鄰面的4個頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)I增量向右，則保存(i,j,k)網(wǎng)格右平面4個頂點(diǎn)數(shù)據(jù)；當(dāng)I增量向左，則保存(i,j,k)網(wǎng)格左平面4個頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。J方向也如此。為了識別網(wǎng)格模型I、J增量方向及方便后續(xù)網(wǎng)格模型優(yōu)化，本文通過設(shè)置頂點(diǎn)標(biāo)記索引和網(wǎng)格頂點(diǎn)相對索引來實(shí)現(xiàn)。

定義所有網(wǎng)格 8個頂點(diǎn)的標(biāo)記索引為 0、1、2、3、4、5、6、7。通過獲取I正方向鄰接面頂點(diǎn)關(guān)系表(I，I+1網(wǎng)格相鄰面)、J正方向鄰接面頂點(diǎn)關(guān)系表(J，J+1網(wǎng)格相鄰面)，即相鄰面 8個頂點(diǎn)標(biāo)記索引，來判定網(wǎng)格模型I、J增量方向，并設(shè)置對應(yīng)的頂點(diǎn)相對索引。

I、J方向識別算法基本步驟如下：

(1)初始化相對索引數(shù)組RI，RI(i)=-1，其中，i=0,1,…,7;

圖1 I方向示例圖

圖2 J方向示例圖

(2)獲取I正方向鄰接面頂點(diǎn)關(guān)系表;

(3)獲取J正方向鄰接面頂點(diǎn)關(guān)系表;

(4)判斷I方向相鄰面頂點(diǎn)標(biāo)記索引與J方向相鄰面頂點(diǎn)標(biāo)記索引關(guān)系，以此確定I、J增量方向;

(5)根據(jù)步驟(4)獲取的I、J增量方向，設(shè)置對應(yīng)的頂點(diǎn)相對索引數(shù)組RI。

3 網(wǎng)格模型消隱算法實(shí)現(xiàn)

針對大規(guī)模油藏網(wǎng)格模型會占用大量存儲空間、運(yùn)算量大、降低模型繪制速度的問題，本文實(shí)現(xiàn)模型消隱算法對模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，只繪制表層油藏網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型消隱算法基本步驟如下：

(1)獲取相對索引數(shù)組RI。

(2)遍歷每個單元網(wǎng)格 Girdi,j,k(i=1,…,NX;j=1,…,NY;k=1,…,NZ)。

(3)判斷當(dāng)前網(wǎng)格是否為有效網(wǎng)格。若滿足要求，進(jìn)行下一步；否則跳至步驟(2)。

(4)獲取當(dāng)前網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)索引GIi,j,k。

(5)判斷相鄰網(wǎng)格GirdI,J,K(I=i,i-1或i+1;J=j,j-1或j+1;K=k,k-1或k+1)(判斷相鄰網(wǎng)格順序：上方向、下方向、左方向、右方向、前方向、后方向)是否為有效網(wǎng)格。若滿足要求，進(jìn)行下一步;若不滿足且當(dāng)前判斷為后方向相鄰網(wǎng)格，跳至步驟(2)，否則跳至步驟(5)，繼續(xù)判斷其他相鄰網(wǎng)格。

(6)獲取當(dāng)前網(wǎng)格相鄰網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)索引GII,J,K。

(7)根據(jù)步驟(4)、(6)獲得的坐標(biāo)索引 index判斷(i,j,k)網(wǎng)格與其相鄰(I,J,K)網(wǎng)格相鄰面 4個頂點(diǎn)是否重合。若不滿足要求，進(jìn)行下一步;若滿足且當(dāng)前判斷為后方向相鄰網(wǎng)格，跳至步驟(2)，否則跳至步驟(5)，繼續(xù)判斷其他相鄰網(wǎng)格。

(8)根據(jù)網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)索引接口獲取當(dāng)前(i,j,k)網(wǎng)格8個頂點(diǎn)坐標(biāo)索引數(shù)組VI(i),其中,i=0,1,…,7，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)格相鄰面4個頂點(diǎn)相對索引獲取4個頂點(diǎn)坐標(biāo)。

(9)依次判斷4個頂點(diǎn)是否已經(jīng)保存進(jìn)表層頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組SV中。若已經(jīng)保存，則返回已保存頂點(diǎn)坐標(biāo)索引，即SV數(shù)組下標(biāo);否則保存,并返回新頂點(diǎn)坐標(biāo)索引，進(jìn)行下一步。

(10)將步驟(9)獲取的4個頂點(diǎn)坐標(biāo)索引保存在表層四邊形頂點(diǎn)索引數(shù)組SQVI中，如果當(dāng)前相鄰網(wǎng)格為后方向相鄰網(wǎng)格，進(jìn)行下一步；否則跳至步驟(5)。

(11)若 i≤NX,j≤NY,k≤NZ，跳至步驟(2);否則結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Inter(R)Core(TM)i5-3450@3.10 GHz CPU，3.48 GB內(nèi)存，基于 MFC應(yīng)用程序框架和OSG三維引擎進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

4.1 繪制效果測試

實(shí)驗(yàn)采用了Eclipse導(dǎo)出的 (NX,NY,NZ)=(20，20，10)規(guī)則矩形 網(wǎng)格 模 型和(NX,NY,NZ)=(119，57，10)角點(diǎn)網(wǎng)格模型，兩種結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型在 E-clispe軟件中繪制的效果如圖3所示,通過本文方法進(jìn)行網(wǎng)格模型繪制，其效果圖如圖4所示。

圖3 Eclipse繪制的模型圖

圖4 基于本文方法繪制的模型圖

對比圖3和圖4可知，基于本文方法繪制的模型圖與Eclispe繪制的一樣，證明了本文方法能夠兼容不同格式的網(wǎng)格模型。

4.2 繪制性能測試

實(shí)驗(yàn)分別采用 4 000、10萬、50萬、100萬、500萬個規(guī)則矩形網(wǎng)格模型進(jìn)行優(yōu)化前和優(yōu)化后性能測試，結(jié)果如表 1、表 2所示(表中旋轉(zhuǎn)縮放效果好、差分別代表：模型能實(shí)時繪制、顯示連續(xù)順暢，模型不能實(shí)時繪制、顯示不順暢）。

從表1和表2可以看出，優(yōu)化后的網(wǎng)格模型較優(yōu)化前的網(wǎng)格模型存在諸多優(yōu)勢，網(wǎng)格規(guī)模越大，優(yōu)化效果越明顯，極大地提高了網(wǎng)格規(guī)模的擴(kuò)展性和系統(tǒng)性能需求，充分證明了本方法具有很高的可行性。

針對實(shí)時繪制大規(guī)模網(wǎng)格模型存在速度慢、效果差以及油藏網(wǎng)格模型存在描述方式不同等問題，本文提出了異種網(wǎng)格模型三維可視化優(yōu)化方法，并通過不同網(wǎng)格模型、不同規(guī)模模型測試對比，證明了該方法是可行的，能夠兼容不同軟件不同描述格式的地質(zhì)研究成果，其應(yīng)用在大規(guī)模網(wǎng)格模型實(shí)時繪制方面性能有很大提升，且效果顯著。

表1 模型消隱前實(shí)驗(yàn)值

表2 模型消隱后實(shí)驗(yàn)值

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