油田采油系统启停流程培训的设计与实现毕业设计
油田采油系统启停流程培训的设计与实现
摘要
虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是计算机领域的一项新技术，目前已经广泛应用于各个领域并且取得了很好的效果。本文首先介绍了虚拟现实技术，以油田采油系统抽油机启停流程培训的制作为例，介绍了基于虚拟现实技术的设计和实现方法。
本系统用3ds Max2009进行了油田采油系统抽油机的三维建模，展示了三维模型的构建、三维场景的合成，通过后期的优化和合成，使模型达到了理想的真实效果；并用Virtools进行了启停流程培训的制作，完成了油田采油系统抽油机启停流程培训系统的整个运行过程的模拟。本文再现了油田采油系统抽油机启停培训系统的制作和编排等内容。系统中实现了视点前进、后退、左右平移、运动路线、操作提示等控制功能，为用户提供了较好的交互性。
关键词：虚拟现实；三维建模；培训系统；启停流程
Abstract
Virtual reality is a kind of computer system which can create and experience the virtual world, virtual reality is a new technique in the field of computer. It has been widely used in various fields and has achieved very good results. In this thesis, The technology of virtual reality was introduced first .Then took the start-stop flow training of oil pumping unit of production system in oilfieldas an example to introduce the design method and implementation method which are based on virtual reality technology.
With 3ds Max2009, 3D modeling of oil pumping machine was made in the system , demonstrated the synthesis of 3D modeling and 3D scene .Then through the optimization and synthesis, the model achieved the real effect better. And finally the production was sent into Virtools for the training of start-stop process.The reproduction of the production and programming of the start-stop system in oil pumping unit of production system in oilfield was shown in this thesis.The view forward , the movement route and backward ,the left and right translation of the visual human and machine is systemized.
Key words：Virtual reality ; 3D modeling ;Training system ; Start-stop process
目录
第1章绪论 (1)
1.1 虚拟现实技术简介 (1)
1.2 虚拟现实的关键技术 (3)
1.3 虚拟现实的发展趋势 (4)
第2章开发工具简介 (6)
2.1 3ds Max2009 简介 (6)
2.2 Virtools5.0简介 (7)
第3章采油启停流程培训系统分析及设计 (9)
3.1构建虚拟场景的主要任务 (9)
3.2启停流程培训系统设计 (10)
3.3启动抽油机脚本编写 (11)
3.4停运抽油机脚本编写 (12)
第4章抽油系统启停流程操作的实现 (13)
4.1 抽油系统三维模型制作 (13)
4.2 抽油系统模型优化 (16)
4.3 Virtools环境下启动流程演示的制作 (18)
4.4 Virtools环境下停运流程演示的制作 (24)
4.5 系统测试 (27)
结论 (28)
参考文献 (29)
致谢 (30)
第1章绪论
1.1 虚拟现实技术简介
1.1.1 虚拟现实技术的概念
虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术，提供了一种实时的、三维的虚拟环境（Virtual Environment），使用者完全可以进入虚拟环境中，观看计算机产生的虚拟世界，听到逼真的声音，在虚拟环境中交互操作，有真实感[1]。虚拟现实的出现实际是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等技术交叉与综合的结果。
以虚拟现实技术为代表的新型人机交互技术旨在探索自然和谐的人机关系，使人机界面从以视觉感知为主发展到包括视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉和动觉等多种感觉通道感知；从以手动输入为主发展到包括语音、手势、姿势和视线等多种效应通道输入。虚拟现实就是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。由这种系统生成的各种虚拟环境，而所谓虚拟世界则是虚拟环境或给定仿真对象的集合。它不仅仅是一种界面，更主要的部分是内部的模拟。人机交互界面采用虚拟现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和响应模拟环境的各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流，使用户产生身临其境的感觉。
1.1.2 虚拟现实基本特征
从技术的角度来说，虚拟现实系统着重强调了在虚拟现实技术中的人的主导作用。传统的交互人只能从计算机系统的外部去观测处理的结果，是一种被动的接受信息的方式。现在虚拟现实的发展已经使得人能够“沉浸”到计算机系统所创建的环境中。在过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字信息发生作用，现在技术的发展已经使得人能够用多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；在过去的人只能以定量计算为主的结果中启发从而加深对事物的认识，而现在已经发展到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感知和理性的认识从而深化概念和萌发新意。
总之，在虚拟系统中，人们的目的是使这个由计算机及其它传感器及其他设
备所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不是很亲切的计算机系统，实现人和系统的交互。虚拟现实系统具有下面三个基本特征：即三个“I”：immersion，interaction，imagination（沉浸，交互，想象）。
（1）沉浸性
沉浸性又称浸入性，是指用户感觉到好像完全置身于虚拟世界中一样，被虚拟世界所包围。虚拟现实技术的主要技术特征就是让用户觉得自己是计算机系统所常见的虚拟世界中的一部分，是用户由被动的观察者编程主动的参与者，沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动。虚拟系统是的沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，包括我们常见的视觉感知，触觉感知，运动感知，味觉感知，嗅觉感知，身体感觉等。由于目前科学技术的局限性，在虚拟现实系统中，研究与应用比较成熟或者相对成熟的主要是视觉沉浸，听觉沉浸，触觉沉浸和嗅觉沉浸，有关味觉等其他感知的技术正在研究中。
（2）交互性
在虚拟现实系统中，交互性的实现和传统的多媒体技术有所不同。传统的多媒体技术中，人际之间的交互工具从计算机发明到现在，主要是通过键盘与鼠标进行一维、二维的交互。虚拟现实系统强调人与虚拟现实世界之间要以自然的方式进行交互，如人的走动，头的转动，手的移动等，通过这些，用户与虚拟世界进行交互，并且借助于虚拟现实系统中特殊的硬件设备（如数据手套，力反馈设备等），以自然的方式与虚拟世界进行交互，使之产生和在真实世界中一样的感知，甚至连用户本人都意识不到计算机的存在。它的特点是虚拟环境中的人参与反馈，人机交互的有效性、实时性。
（3）想象性
想象性是指虚拟环境是人想象出来的，同时这种想象体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。所以说虚拟现实技术不仅仅是一个媒体或一个高级用户界面，它同时还可以为解决工程问题，医学问题，军事等方面的问题而由开发者设计出来相应的软件或系统，通常它以夸大的形式反映设计者的思想，虚拟现实系统的开发是虚拟现实技术与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。
总之，虚拟现实技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的手法与手段，可以使人类突破时间和空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事情，可以使人类进入宏观或微观的世界进行研究和探索，也可以完成那些因为某些条件限制难以完成的事情。
1.1.3虚拟现实的发展历程
早在20世纪50年代中期就有人提出了虚拟现实的设想，但当初并没有引起人们的注意。当时由于计算机普及程度以及电子技术发展的限制，导致虚拟现实的发展缺乏相应的技术支持，缺少合适的产波载体以及硬件处理设备。直到20世纪80年代末，随着计算机技术的高速发展与互联网技术的普及，虚拟现实技术得到了广泛的应用[4]。在本次学习期间，老师为我们介绍了虚拟现实技术发展的三大阶段：
（1）20世纪50年代到20世纪70年代，是虚拟现实技术的探索阶段；
（2）20世纪80年代初期到20世纪80年代中期，是虚拟现实技术系统化，从实验室走向实用的阶段；
（3）20世界80年代末期到本世纪初期，是虚拟现实技术高速发展的阶段。
1.2 虚拟现实的关键技术
虚拟现实技术的应用见仁见智，关键技术主要有以下几个方面：环境建模技术，立体声合成和立体显示技术，触觉反馈技术，交互技术，系统集成技术。
（1）环境建模技术
主要指基于图像的虚拟环境建模技术。随着计算机技术的发展,虚拟场景的绘制技术已经成为虚拟现实研究的重要组成部分。传统的虚拟场景造型方法是基于几何的，其研究是以计算机图形学为基础,其特点是便于用户与虚拟场景中的对象进行交互,并能直接获取虚拟形体的深度信息,且视点自由,但由于该方法的研究对于场景的几何复杂度具有依赖性,难以在普通的硬件平台上实现。而基于图像的虚拟场景绘制方法是利用图像像素作为基本的绘制元素,绘制速度独立于场景复杂性,仅与图像的分辨率有关。所以,当前针对虚拟场景建模方法的研究主要集中在图像建模领域,尤其是基于图像的绘制（IBR）技术和基于图像的建模（IBM）技术。
（2）立体声合成和立体显示技术
在水平方向上，我们靠声音的相位差及强度的差别来确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，所以会产生一种方向感，形成立体声。而立体显示技术则是利用双目立体视觉的原理：用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，用户可以通过头部的
运动去观察环境，感觉更加逼真。
（3）触觉反馈技术
触觉反馈技术是触觉学科的一种，是指通过与计算机进行互动来实现虚拟触觉。利用特殊的计算机输入/输出设备（如游戏杆、数码手套或者其他设备），用户可以通过与计算机程序交互来获得真实的触觉感受。目前应用最广泛的是触屏手机的触觉反馈技术，而应用更为深入的技术的发展还有待提高。
（4）交互技术
交互技术（Human-Computer Interaction Techniques）是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题等。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。
（5）系统集成技术
系统集成技术是指将不同的系统，根据应用需要，有机地组合成一个一体化的、功能更加强大的新型系统的过程和方法。具体地说，所谓系统集成（SI，System Integration），就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备（如个人电脑）、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理。系统集成应采用功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。系统集成实现的关键在于解决系统之间的互连和互操作性问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这需要解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的一切面向集成的问题。
1.3 虚拟现实的发展趋势
随着虚拟现实技术在城市规划、军事等方面应用的不断深入，在建模与绘制方法、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势[2]。主要表现在以下方面：（1）动态环境建模技术
虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。
（2）实时三维图形生成和显示技术
三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。
（3）适人化、智能化人机交互设备的研制
虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。
（4）大型网络分布式虚拟现实的研究与应用网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机产生多维的、适用于用户（即适人化）应用的、相关的虚拟情景环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实系统必须支持系统中多个用户、信息对象（实体）之间通过消息传递实现的交互。分布式虚拟现实可以看作是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。目前，分布式虚拟现实系统已成为国际上的研究热点，相继推出了相关标准，在国家“八六三”计划的支持下，由北京航空航天大学、杭州大学、中国科学院计算所、中国科学院软件所和装甲兵工程学院等单位共同开发了一个分布虚拟环境基础信息平台，为我国开展分布式虚拟现实的研究提供了必要额网络平台和软硬件基础环境。
第2章开发工具简介
随着虚拟现实技术的发展，现在已有很多技术和软件可以实现虚拟场景的构建，主要的软件有3ds Max、VRML、MAYA等，近年提出了一种基于3D和VIRTOOLS 技术的虚拟开发方法，即用3ds Max构建3D虚拟场景、制作3D动画；以VIRTOOLS 技术为平台将3D模型转化为可用键盘和鼠标控制的全方位浏览和实景漫游系统。这种方法具有真实性、交互性、简单和易实现等特点，并已被广泛使用。
2.1 3ds Max2009 简介
3ds Max是Autodesk出品的一款3D动画软件，现已成为世界上应用最广的三维建模、动画、渲染工具，并且广泛应用于游戏开发、角色动画、电影电视视觉效果和设计行业等领域，完全满足制作高质量动画、最新、设计效果的需要[5]。它的主要特点有：
（1）功能强大，扩展性好：建模功能强大是3ds Max被用于虚拟现实系统构建的重要原因，另外在角色动画方面具备很强的优势，此外丰富的插件也是其一大亮点
（2）操作简单，容易上手：与其强大的功能相比，3ds Max可以说是最容易上手的3D软件。
（3）和其它相关软件配合流畅：3ds Max2009较强的多方兼容性也使得它的制作与表现方式更加多样化，为更多的用户提供了学习与创作的机会。因此本系统采用了3ds Max2009作为开发工具。其中最新的3ds Max2009还提供了新的接口技术和优化，极大改进了交互，明显提高了操作速度。
3ds Max2009界面组成有以下几部分：
①标题栏；
②菜单栏；
③工具栏；
④命令面板；
⑤绘图区域；
⑥视图控制区；
⑦动画控制区。
2008年2月12日，Autodesk,Inc.(NASDAQ:ADSK)宣布推出Autodesk 3ds Max 2009 软件，同时也首次推出3ds Max Design2009 软件，这是一款专门为建筑师、设计师以及可视化专业人士而量身定制的3D应用软件。Autodesk 3ds Max提供了新的渲染功能、增强了与包括Revit软件在内的行业标准产品之间的互通性，以及更多的节省大量时间的动画和制图工作流工具。3ds Max Design2009还提供了灯光模拟和分析技术。
2.2 Virtools5.0简介
Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司Virtools开发，其三维引擎已经成为微软XBox认可系统。其特点是方便易用，应用领域广。Virtools是一套整合软体，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools不是3D Engine，Virtools是一套具备丰富的互动行为模组的即时3D环境虚拟实境编辑软体，可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网路、电脑游戏、多媒体、建筑设计、互动式电视、教育训练、模拟与产品展示等。Virtools 除了有编辑制作的界面外，也包含了SDK，可供程式设计人员开发新的功能、新的硬体驱动程式或是将内容编译成执行档等。Virtools独特而成熟的开发系统，将3D对象作为单独的组件，并可以使与3D对象相关联的数据同样地分离出来作为单独的组件，进行制作任务的分配和重复使用[14]。
Virtools开放的架构，极其的灵活，允许开发者使用BuildingBlocks（行为交互模块，简称BB）构成的脚本，方便有效地进行对象的交互设计和管理。普通的开发者可以用鼠标拖放脚本的方式，通过人机交互图形化用户界面，将BB赋予在适当的对象和虚拟角色上，以流程图的方式，决定BB的前后处理顺序，从而实现可视化的交互脚本的设计，逐渐编辑成一个完整的交互式虚拟世界。而作为高端的开发者，可以利用SDK（Software DevelopmentKit，软件开发工具包）和VSL （Virtools Scripting Language，Virtools专用脚本语言），通过相应的API接口，创建自定义的交互行为脚本和应用程序。
可以看到，通过Virtools的可视化流程图式脚本制作界面，在不使用第三方技术的情况下，用户同样可以进行高级互动模块的熟练使用，比如Physics（物理学）、AI（Artificial Intelligence，人工智能）和Multi-users（多用户）制作和执行环境。Virtools5.0平台还集成了强大Render engine渲染引擎，它可以让开发者制作出更多令人震撼的视觉特效，使用更多高级的面画渲染技术（Shaders 支持Shader 3.0，HLSL 和CgFX；图形加速使用：DX 9.c和OpenGL 2.0）。2004年Virtools公司推出了Virtools Dev2.1实时三维互动媒介创建工具，随即被引进到中国台湾地区，并
在台湾地区得到迅速发展，并引进到中国大陆。目前全世界有超过270所大学使用Virtools ,Virtools已经获得许多媒体技术学系学生的肯定和支持，越来越多的多媒体技术公司开始应用Virtools开发其产品。
2.2.1 Virtools 成分
Virtools 在3D互动展示方面是一种强大的技术。Virtools 有很完善的组成：一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web 播放器、一个软件开发工具包（SDK）。Virtools Dev是一个创作应用程序，一款允许你快速简单建立3D 内容的应用程序。Virtools Dev不是一款建模软件，但是，类似摄影机、灯光、曲线、界面组件和3D结构等简单的媒体能通过点击一个图标建立一个动作引擎。Virtools 是一个动作引擎、Virtools 是一个渲染引擎，那是因为Virtools 处理动作。有一个渲染引擎来绘制你在Virtools Dev 3D 设计中的图像。Virtools 是一个Web 播放器。提供一个免费的Web 播放器，能被任何人下载使用。Virtools Dev 是一个软件开发工具包，包括一个能访问动作的某个部分和渲染过程的软件开发工具包。
2.2.2Virtools 模块
Virtools 除了自身的3D／VR开发平台Virtools Dev以外，还有五个可选模块：物理属性模块（Virtoo1s Physics Pack for Dev）、沉浸式平台（Virtoo1s VR Pack for Dev）、人工智能模块（Virtoo1s AI Pack for Dev）、Xbox 开发模块（Virtoo1s Xbox Kit for Dev）和网络服务器模块（Virtoo1s Server）。
2.2.3Virtools 特征
Virtools能用来制作具有沉浸感的虚拟环境，它能帮助参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉，是一种新发展的、具有新含义的一种人—机交互系统，可以制作出不同用途的3D产品，如：网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等等。相对于其他相关虚拟现实技术，采用Virtools还具有减小开发难度、降低开发周期、真实性好、交互性强等特点，因此，此油田采油系统启停流程培训的设计与实现采用了Virtools技术。
第3章采油启停流程培训系统分析及设计
抽油机是抽油机—深井泵抽油系统中的主要地面设备。游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备、辅助设备等四大部份组成。工作时，动力机将高速旋转通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄轴做低速旋转运动，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下往摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作上下往复运动[10]。
抽油机是开采石油的一种机器设备，通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时，油管弹性收缩向上运动，带动机械解堵采油器向上运动，撞击滑套产生振动；同时，正向单流阀关闭，变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时，油管弹性伸长向下运动，带动机械解堵采油器向下运动，撞击滑套产生振动；同时，反向单流阀部分关闭，变径活塞总成仍然封堵油套环形油道，使反向单流阀下方区域形成高压区。
3.1构建虚拟场景的主要任务
根据现场提供的照片和录像，抽油机启停系统的工作主要是各个部分共同工作，建模的主要工作是各个从整体场景到各个部分，再到各个部分的器械内部外部具体元件的构建。在每一个部分中都包含有很多的单个模型。整体工作量如表3-1所示。
表3-1 抽油机虚拟场景模型构建任务
3.2启停流程培训系统设计
本系统是抽油机启停安全操作仿真系统，主要是模型展示和动画演示等内容。利用三维建模软件3ds Max构建各个元件的模型，通过材质、贴图、灯光和模型优化等处理技术，真实的展现出各元件的模型结构，构建出三维虚拟场景，供教学员工观看，达到让员工熟悉抽油机启停整个流程及安全注意事项。既能够使教学人员掌握真实操作技能，避免现场练习操作时由于业务的生疏产生危险后果。
该系统的一个主要功能就是进行抽油机启停操作的仿真。对于初级受训人员，主要进行安全意识教学和操作环节的熟悉。首先了解一下安全操作注意事项。然后认真观察虚拟工人的操作细节及相关工作原理。通过对抽油机启停操作仿真系统需求分析，首先利用3ds Max建立三维场景模型，最后利用Virtools实现系统的虚拟仿真。设计如图3-1所示。
图3-1 流程设计图
系统模型的构建是整个系统实现的基础，每一个模型的逼真度以及对系统资源的使用都对最终合成的总场景的视觉效果和运行速度起着至关重要的作用。因此，可以说三维模型的构建是整个工作中的重中之重。整个场景被划分为若干部分，每部分模型的制作流程都是相似的。
3.3启动抽油机脚本编写
表3-2启动抽油机脚本
3.4停运抽油机脚本编写
表3-3停运抽油机脚本
第4章抽油系统启停流程操作的实现
4.1 抽油系统三维模型制作
4.1.1 抽油系统数据采集
系统开发的数据主要包括：各种设备的型号、位置摆设、与其它设备的连接接口以及各部分的内部结构图和工作原理图等。对于设备的外形主要通过现场拍照与录像的形式获得，工作原理图等需要现场相关负责人提供相应的图纸。从现场拍回的照片和录像中，详细观察各个器械造型细节并上网查询内部构造，观察每一个器械模型在整个场景当中的作用，进行细化程度的取舍。然后通过观察具体模型再对照片进行处理，可以通过“截图”，或是在PhotoshopCS中处理图片。整理的目的是获取贴图的素材，因为在建立三维模型的过程中，纹理图片起着至关重要的的作用，纹理应用的适当会增加模型的真实度，不过贴图的应用如果处理的好可以大大节省资源使系统的性能和质量都有所提高。
4.1.2模型制作
（1）模型制作步骤：
①先观察、分析各部件的构成与功能，记录下哪些部件是固定不动的，哪些是需要做出动作效果的。
②使用3ds Max创建模型时，需要设置合适的系统单位，这样可以保证创建的模型与现实世界中的物体尺寸一致。根据不同的设计要求，可将单位设置为毫米、厘米或英寸等。
③选择右面面板中的“创建”中的“几何体”，在下拉列表中选择“标准几何体”，然后选择立方体并将其变成可编辑多边形，最后进行点线面的编辑。
④对上一步中几何体进行修整。选择该可编辑多边形上面的面并通过挤出命令将其挤出至适当高度。
⑤由于开关是需要活动的，所以开关的模型要单独制作，并且不可以与模型塌陷在一起。制作开关，用右面面板中的“创建”中的“几何体”，在下拉列表中选择“标准几何体”，然后选择立方体并将其变成可编辑多边形，然后选中其中的几条线，用“连接”命令在选中的线中间连接出一些线，然后结合“挤压”命令和“光滑”命令将开关做出弧面效果。
⑥打开“材质编辑器”，选中一个空白的材质球，然后点开环境色，在如图4-1的环境色面板中调出适当的颜色，最后选择在场景中选择控制箱箱体，通过“材质编辑器”中的“指定材质给当前选择”命令和“在视口中显示贴图”命令完成外观处理。
（2）建模部分过程如下：
①减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。减速机中发动机和皮带制作模型[14]。如图4-1所示，图4-1(b) (c)为电动机模型：
图4-1(a) 减速系统模型图4-1(b)发动机正视图图4-1(c)发动机左视图在模型制作中，为了实现系统的真实性，需要赋予它接近实物的颜色和材质。将发动机正面赋予材质。如果没有效果与实物完全贴近的颜色，将照片中的效果经过PhotoshopCS修改后赋予到模型上，使制作好的物体看起来更具真实感，更直观地被工作人员接受。
②抽油机驴头
抽油机驴头的作用主要是保证抽油杆在上下运动时保持在井口原点上，其实际是一个以回转点为圆心的一个弧状结构。
抽油机驴头做成弧形的，是为了保证游梁在上下摆动过程中，负荷挂在驴头上的光杆始终对准井口中心，它是以中轴为圆点，游梁前臂长为半径，画圆得到的弧。如图4-2所示：
图4-2(a) 驴头模型（正视图）图4-2(b) 驴头模型（左视图）
③管道
当抽油机上冲程时，油管弹性收缩向上运动，带动机械解堵采油器向上运动，撞击滑套产生振动；同时，正向单流阀关闭，变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时，油管弹性伸长向下运动，带动机械解堵采油器向下运动，撞击滑套产生振动；同时，反向单流阀部分关闭，变径活塞总成仍然封堵油套环形油道，使反向单流阀下方区域形成高压区，这一运动又对地层内的油流通道产生一种反向的冲击力。如图4-3所示：
图4-3(a) 管道正视图4-3(b) 管道侧视图管道的制作，可以直接用二维线画任意方向延伸，根据需要修改颜色和粗细打开修改面板的渲染，在视口中启用，最后把所有线条都附加起来。
④曲柄部分
曲柄部分有曲柄销子、曲柄平衡块、连杆、后支架等组成[14]。曲柄销是游梁式抽油机的关键连接点，同时又是薄弱环节，一旦发生断脱等失效会导致游梁翻转、连杆变形，严重损坏井口设备，造成抽油机1／3-2／3的部件损坏，甚至会危及人身安全。如图4-4,4-5所示：
图4-4 曲柄图4-5 曲柄
4.2 抽油系统模型优化
4.2.1系统材质调节
（1）材质的构成
这里所谓的材质构成是用于描述材质视觉和光学上的属性，主要包括：颜色构成、高光控制、自发光和不透明性，另外使用的Shader类型不同，标准材质的构成也有所不同。
颜色构成：一个“单一颜色”的表面由于光影的作用，通常会反映出多种颜色，3ds Max中绝大部分的标准材质是通过四种颜色构成对其进行模拟。
①Ambient（环境色）：物体阴影区域的颜色。
②Diffuse（过渡色）：普通照明情况下物体的“原色”。
③Specular（高光色）：物体高亮照射部分的颜色。
这三部分构成，分别代表着物体的三个受光区域，如图4-6所示。
图4-6 受光区域模型
此外还有Filter Color（过滤色）：光线穿过物体所传播的颜色。只有当物体的不透明属性低于100%时才出现。
高光控制：不同的Shader类型对标准材质的高光控制也各不相同，但大部分都是有多个参数进行控制的，如Glossiness（光泽度）、Specular Level（高光级别）等。
自发光：自发光可以模拟物体从内部进行发光的效果。
不透明性：不透明性是物体的相对透明程度，降低不透明性，物体会变得更为透明[11]。
以上绝大部分的材质构成都可以指定贴图，诸如过渡色、不透明性等，通过贴图可以使材质的外观更为复杂和真实。
（2）材质编辑器的使用
要在场景中使用材质，必须将材质赋予场景中的对象，下面是3ds Max为虚拟模型添加材质的过程：
①首先需要创建一个场景。
②选择场景中的模型。
③在材质编辑器中选择一个示例框，然后将材质赋予选择物体，现在被激活的材质已经赋予模型对象了。
④或同时选择场景中的物体，回到材质编辑器中选一个示例框，并直接用鼠标将材质拖到视窗中被选中的物体上，这时物体被赋予了材质。
4.2.2 简析本系统中的材质
将创建好的三维模型转换为可编辑多边形，选择需要附同种材质的面，点击材质编辑器，选择空白材质球，调节Shader Basic Parameters（明暗基本参数）和Metal Basic Parameters（金属基本参数）[7]如图4-7所示。
图4-7 金属基本参数图4-8 玻璃材质Maps（贴图）：Reflection-Raytrace（光线跟踪），但在渲染前，要选择菜单栏中的“Rendering”选项下面的“Raytracer Settings”，在弹出的面板中，勾选“Global Ray Artialiaser”，用来进行抗锯齿处理，如上图4-8所示。
4.2.3 抽油系统模型优化
三维动画在追求视觉效果的同时还有一个不得不面对的问题，就是模型的点、线、面过多的话对电脑的资源是个很大损耗，渲染起来的话也非常的费时间。而如果把模型做的尽量细致的话，模型过于庞大又是必然的结果。为了将这个问题解决，我们就要尽量做到三维动画具有良好的视觉效果的同时保证模型的最简单化。这样的话我们就需要对模型进行优化，在保证模型的效果不变的前提下减少模型的点、线、面。针对不同类型的模型，优化的方法也不同。
在图4-9、图4-10中是抽油机系统中的一些单独场景和整合之后的总体场景。