CN100538744C - 虚拟油层自然模拟的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟油层自然模拟的系统和方法。该方法包括初始化油层L的三个参数(41)：随机高度范围，平滑系数W和含油量系数R；建立一个长宽大于油层L的最小的2的指数的高度场M，使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值(42)；将高度场M的高度值赋给虚拟油层L，舍弃那些不属于油层的高度场(43)；生成油层的不规则效果(44)和遍历虚拟油层L，计算任一点的随机颜色值(45)，这样就可以得到一个符合自然分布的虚拟油层并在显示器上绘制出来(46)。基于该方法，可以快速真实地实现地下油层的自然模拟。

Description

虚拟油层自然模拟的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟油层自然模拟的系统和方法。

背景技术

开发油场环境的虚拟现实系统，可以提高油田的数字化程度，使设计施工开发人员摆脱低水平制图、施工，方便石油勘探、设计、钻井开发等一系列生产过程，从而加速石油开发生产速度。

油场环境包括地下地层、油区、钻进靶标、钻进轨迹等三维信息，其中地下油区分布是最为重要的一个环节。众所周知，由于石油都埋藏地下，油区的具体分布和压力情况很难被探测或者识别，所以虚拟油层的模拟也就不可能利用已知真实数据来还原油层，这就要求本发明通过仿真方式来合成自然、合理的地下油区分布。因此，地下油区模拟的难点就是对其自然、合理的模拟和仿真。

石油在地下的分布具有随机性，然而由于石油的流体特性，石油会根据地质状况不同，在某些地方汇聚在一起。因此通常的随机模拟的方式——建立一个普通地层，然后通过产生随机高度和随机颜色来生成虚拟油层的方法，虽然可以实现虚拟油层的基本模拟，但是油层中油块的显示比较杂乱无章，效果并不理想，无法实现油层的仿真和真实再现。

发明内容

因此，需要一种用于对虚拟油层的自然模拟的系统和方法，通过该系统和方法能够快速逼真地实现虚拟油层的仿真和再现效果。

为解决上述技术问题，通过对已探明的油场的观测发现，油场的分布在统计意义上有很强的自相似性，因此针对油场的特点，采用分形几何中的Diamond-Square中点平移算法，并改进了Diamond-Square中点平移算法，开发出虚拟油层的快速生成算法，取得了很好的模拟效果，同时算法的复杂度达到线性，这也是本发明的优点。

作为本发明的一种改进，原始的Diamond-Square算法约定高度场的长宽一致，都为2的指数，本发明突破了这个限制，要求长宽为2的指数，但可以互不相同。

作为本发明的另一种改进，通过设计合理的数据结构来隐藏一定高度以下的地层，从而实现虚拟油层的不规则效果。

本发明公开了一种虚拟油层自然模拟的方法，该方法包括如下步骤：

初始化步骤，初始化油层L的三个参数(41)随机高度范围、平滑系数W和含油量系数R；

随机高度值生成步骤，建立一个长宽大于油层L的最小的2的指数的高度场M，使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值；

高度场选择步骤，将高度场M的高度值赋给虚拟油层L，舍弃那些不属于油层的高度场；

绘制步骤，生成油层的不规则效果(44)和遍历虚拟油层L，计算任一点的随机颜色值，这样就可以得到一个符合自然分布的虚拟油层并在显示器上绘制出来。

上述方法使用了一维Diamond-Square算法。

上述方法中的原始的高度场的长宽要求为2的指数，但可以互不相同。

上述方法中在生成油层的不规则效果时使用了不规则的三角面片划分。

上述方法中生成虚拟油层的每一个节点存储高度、可见性标志和颜色值、纹理坐标等数据。

上述方法可以将那些不需要显示的节点设为不可见，如果一个节点被设为不可见，则它周围的四个三角面片就都是不可见的。

上述方法使用线性插值来计算任一点的颜色值。

本发明公开了一种虚拟油层自然模拟的系统，该系统包括：

初始化装置，该装置初始化油层L的三个参数随机高度范围、平滑系数W和含油量系数R；

随机高度值生成装置，该装置建立一个长宽大于油层L的最小的2的指数的高度场M，使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值；

高度场选择装置，该装置将高度场M的高度值赋给虚拟油层L，舍弃那些不属于油层的高度场；

绘制装置，该装置生成油层的不规则效果和遍历虚拟油层L，计算任一点的随机颜色值，这样就可以得到一个符合自然分布的虚拟油层并在显示器上绘制出来。

随机高度值生成装置使用了一维Diamond-Square算法建立高度场M。

随机高度值生成装置建立的原始的高度场的长宽要求为2的指数，但可以互不相同。

绘制装置将那些不需要显示的节点设为不可见，如果一个节点被设为不可见，则它周围的四个三角面片就都是不可见的。

绘制装置使用线性插值来计算任一点的颜色值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为二维Diamond-Square算法的流程图。

图2为改进的二维Diamond-Square算法的流程图。

图3为二维Diamond-Square算法迭代的结果。

图4为虚拟油层生成算法的流程图。

图5为不规则地层的三角面片划分示意图。

图6为一般随机函数生成的虚拟油层效果图。

图7为本发明生成的虚拟油层效果图。

具体实施方式

图1是本发明中的二维Diamond-Square算法的流程图。二维Diamond-Square算法约定二维数组的个数长宽相等且为2^N+1+1(如33*33)。首先初始化(11)：在四个角设定初始高度值，设置随机高度范围(h，H)和平滑系数W，取值为(0.0，1.0)，设置随机数因子factor＝1(12)；其次递归细分过程：

1.diamond步(13)：取四个点的正方形，在正方形中点生成一个随机值(两对角线交点)。中点值是四个角点平均值再加上随机量rand(h，H)×factor计算得到的。其中rand(h，H)表示范围在(h，H)的随机数。

2.square步(14)：取每个四点形成的棱锥，在棱锥的中心生成一个随机值，大小为四个角点平均值再加上随机量rand(h，H)×factor，计算出每条边中点值。这样又得到一个正方形。

3.减小随机数因子(15)：factor＝factor×2^-W，重复步骤1，直到达到给定迭代次数(16)。

这样递归下去，一个正方形经过单独一次细分过程将得到四个正方形。第二次经过该过程得到16个正方形，第I次得到正方形数目等于2¹⁺²。

图2是改进的二维Diamond-Square算法的流程图。原始的Diamond-Square算法约定高度场的长宽一致，都为2的指数，本发明对算法进行了改进，要求长宽为2的指数，但可以不相同。设长宽分别为2^m和2ⁿ，设m>n(21)，首先本发明应用一维中点平移算法，计算点列(i2ⁿ，0)，i＝0...2^m-n-1(22)和点列(i2ⁿ，2ⁿ)，i＝0...2^m-n-1的高度值(23)。这样就生成了2^m-n个边长为2ⁿ高度场(24)，对这2^m-n个高度场分别应用二维Diamond-Square算法(25)，得到本发明初始的随机高度场。

图3是二维Diamond-Square算法分别经过1次(31)，2次(32)和5次(33)迭代的结果。

图4是本发明的虚拟油层生成算法的流程图。本发明通过改进的Diamond-Square中点平移算法生成出一个随机地层，然后隐藏一定高度以下的地层，之后将随机高度转化为对应的随机颜色，就可以得到一个符合自然分布的虚拟油层。设虚拟油层L的长宽分别为width和height，设置虚拟油层生成的三个参数(41)：随机高度范围(-h，h)，平滑系数W，取值为(0.0，1.0)和含油量系数R，取值(0.0，1.0)。具体方法如下：

1.建立一个长宽分别为大于width和height的最小的2的指数的高度场M(42)，使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值。

2.将高度场M的高度值赋给虚拟油层L(43)。L(i，j)＝M(i，j)，i＝0...width-1；j＝0...height-1。

3.生成油层的不规则效果(44)。令h_m＝h×(0.5-R)，遍历虚拟油层L，如果L(i，j)<h_m，则将该点置为不可见。

4.计算随机颜色值(45)。设渐变色的起始颜色col₁和终止颜色col₂，遍历虚拟油层L，任一点的颜色值 $\mathrm{col}(i,j)={\mathrm{col}}_1\&times;(1-\frac{L(i,j)}{h})+{\mathrm{col}}_2\&times;\frac{L(i,j)}{h}.$

如果平滑系数越大，生成的虚拟油层的起伏变化越平缓，反之越剧烈。含油量系数越大，则油层的面积越大，若R＝0，则高度场中每一个节点都是不可见的，即生成一个没有油的油层，若R＝1，则每一个节点都可见，生成的虚拟油层就是一个规则的矩形高度场。在实际应用中一般R取值为0.4。

图5为不规则地层的三角面片划分。与不同地层的高度场表示方式类似，本发明仍使用一个二维数组表示虚拟油层，数组的每一个节点包含高度、可见性标志和颜色值、纹理坐标等数据。如果一个节点被设为不可见，则它周围的四个三角面片就都是不可见的，本发明通过这种办法实现虚拟油层的不规则效果。图中由于节点(51)被设为不可见，则这个网格的三角面片划分就可以简化为三角面片(52，53，54，55)来表示。

图6利用一般随机函数生成的虚拟油层的效果图(61，62)。图7为本发明生成的虚拟油层效果图(71，72，73)。可以看出：利用一般随机函数虽然实现了地下油层随机分布的显示效果，但是油层中油块的显示比较杂乱无章，这是由于油区在整个油层中的随机分布过于平均，没有形成大的油块区，效果并不令人满意。而利用本发明生成的单一虚拟油层，油层中油块虽然相对集中，但是分布又均匀，完全没有杂乱无章的感觉；压力颜色过渡自然、合理，真正实现了油层的仿真和真实再现。

Claims (8)

1、一种虚拟油层自然模拟的方法，其特征在于包括如下步骤：

初始化步骤，初始化虚拟油层L的三个参数(41)：随机高度范围、平滑系数W和含油量系数R；

随机高度值生成步骤，建立一个高度场M，该高度场M的长宽分别为大于虚拟油层L长宽的最小的2^k，并使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值(42)，其中所述改进的Diamond-Square算法如下：设高度场的长宽分别为2^m和2ⁿ，设m>n，首先应用一维中点平移算法，计算点列(i2ⁿ，0)，i＝0，...，2^m-n-1和点列(i2ⁿ，2ⁿ)，i＝0，...，2^m-n-1的高度值，这样就生成了2^m-n个边长为2ⁿ的高度场，对这2^m-n个高度场分别应用二维Diamond-Square算法，得到随机高度值；

高度场选择步骤，将高度场M的高度值赋给虚拟油层L，舍弃那些不属于虚拟油层L的高度场(43)；

绘制步骤，生成虚拟油层L的不规则效果(44)和遍历虚拟油层L，计算任一点的随机颜色值(45)，这样就得到一个符合自然分布的虚拟油层并在显示器上绘制出来(46)。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于：在生成虚拟油层L的不规则效果时使用了不规则的三角面片划分(52，53，54，55)。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于：生成虚拟油层L的每一个节点的存储高度、可见性标志、颜色值和纹理坐标数据。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于：将那些不需要显示的节点设为不可见，如果一个节点(51)被设为不可见，则它周围的四个三角面片就都是不可见的。

5、根据权利要求1的方法，其特征在于：使用线性插值来计算任一点的颜色值(45)。

6、一种虚拟油层自然模拟的系统，其特征在于包括：

初始化装置，该装置初始化虚拟油层L的三个参数(41)：随机高度范围、平滑系数W和含油量系数R；

随机高度值生成装置，该装置建立一个高度场M，该高度场M的长宽分别为大于虚拟油层L长宽的最小的2^k，并使用改进的Diamond-Square算法生成随机高度值(42)，其中所述改进的Diamond-Square算法如下：设高度场的长宽分别为2^m和2ⁿ，设m>n，首先应用一维中点平移算法，计算点列(i2ⁿ，0)，i＝0，...，2^m-n-1和点列(i2ⁿ，2ⁿ)，i＝0，...，2^m-n-1的高度值，这样就生成了2^m-n个边长为2ⁿ的高度场，对这2^m-n个高度场分别应用二维Diamond-Square算法，得到随机高度值；

高度场选择装置，该装置将高度场M的高度值赋给虚拟油层L，舍弃那些不属于虚拟油层L的高度场(43)；

绘制装置，该装置生成虚拟油层L的不规则效果(44)和遍历虚拟油层L，计算任一点的随机颜色值(45)，这样就得到一个符合自然分布的虚拟油层并在显示器上绘制出来(46)。

7、根据权利要求6的系统，其特征在于：绘制装置将那些不需要显示的节点设为不可见，如果一个节点(51)被设为不可见，则它周围的四个三角面片就都是不可见的。

8、根据权利要求6的系统，其特征在于：绘制装置使用线性插值来计算任一点的颜色值(45)。

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