三维物理模型制作方法及系统与流程

本发明涉及地震物理模拟研究技术领域，具体地，涉及一种三维物理模型制作方法及系统。

背景技术：

地震物理模拟实验是将野外实际地下的地层形态及阻抗关系按照物理、几何的相似性原理，依据一定的比例因子在实验室内制作出相似的物理模型，利用超声波场对物理模型进行探测，根据已知模型中地震波场的传播规律，即可建立起介质的模型结构、构造、物理性质及其变化规律与地震波场的特征与其之间的对应关系。利用这一关系，就可以利用实际地震工区探测的地震波场对实际的地下特征进行研究与探测，因而地震物理模拟实验将直接或间接地服务于地下结构的调查研究、油气资源等探测方面。

作为地震物理模拟实验的基础，物理模型的设计与制作至关重要。物理模型的制作，一方面要保证制作的每一套模拟地层的形态与设计形态满足几何相似性原理，另一方面，每一套地层模拟材料的速度、密度、衰减等参数需和实际介质之间满足物理相似性原理。

传统方式制作的三维物理模型一方面需要手工制作三维模具，耗费了大量的人力物力，另一方面对于三维复杂模型，人工制作模具难度极大，工作人员不得不将复杂的模型尽可能的简化；再者，手工制作三维模具的精度较差，很难保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种三维物理模型制作方法及系统，以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，简便、快捷、精准地制作了物理模型，降低了制作成本，提高了制作效率。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种三维物理模型制作方法，包括：

根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位；

根据三维层位面数据生成三维层位体数据；

在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具；

将反向模具转换为切片文件；

打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；

获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离；

根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架；

将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

本发明实施例还提供一种三维物理模型制作系统，包括：

三维层位模型单元，用于根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位；

三维层位体数据单元，用于根据三维层位面数据生成三维层位体数据；

反向模具单元，用于在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具；

切片文件单元，用于将反向模具转换为切片文件；

打印单元，用于打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；

垂直距离获取单元，用于获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离；

定位单元，用于根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架；

三维物理模型单元，用于将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现所述的三维物理模型制作方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现所述的三维物理模型制作方法的步骤。

本发明实施例的三维物理模型制作方法及系统先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例中三维物理模型制作方法的流程图；

图2是本发明第二实施例中三维物理模型制作方法的流程图；

图3是本发明实施例中导出的地层解释层位的示意图；

图4是本发明实施例中三维点云数据体的示意图；

图5是本发明实施例中三维层位面数据的示意图；

图6是本发明实施例中三维层位模型的示意图；

图7是本发明实施例中反向模具正面和背面的示意图；

图8是本发明实施例中三维物理模型制作系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

鉴于现有技术很难保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，耗费了大量的人力物力，本发明实施例提供一种三维物理模型制作方法，以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，简便、快捷、精准地制作了物理模型，降低了制作成本，提高了制作效率。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明第一实施例中三维物理模型制作方法的流程图。如图1所示，三维物理模型制作方法包括：

s101：根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位。

具体实施时，可以选用magics等3d打印机打印预处理软件对stl格式的三维层位面数据进行修复，可解决层面破边、破洞、面片重叠等问题，将上界面的层位体与下界面的形态相结合，即可获得对应地层的层位体数据，得到三维层位模型。

s102：根据三维层位面数据生成三维层位体数据。

具体实施时，可以赋予三维层位面数据一个3mm-5mm的厚度值，即可得到具有实际厚度的三维层位体数据，可用于控制模型的表面形态。

s103：在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具。

其中，背面的方向为预定义的与实际制作的模型相反的方向。支架为间隔100mm*100mm的井字型支架，厚度为2mm，为高50mm-100mm。反向模具可大幅减少模具制作材料的用料，节约制作成本，且背面采用框架结构可大幅提高反向模具的强度。

s104：将反向模具转换为切片文件。

一实施例中，s104包括：将反向模具按一定的角度旋转并且保证其顶面向上，然后在反向模具的下方添加打印支撑；将反向模具和打印支撑转换为3d打印机可识别的切片文件。添加打印支撑可以确保反向模具能够一次性完整打印。

s105：打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具。

s106：获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离。

其中，垂直距离包括：三维层位的每个顶角距底面的垂直距离和三维层位的每个边界的中心点距底面的垂直距离。

s107：根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架。

s108：将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

具体实施时，可以从三维物理模型的最底层开始制作，根据物理模型中模拟地层的材料配比，将配制好的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，待三维层位模型固化后对模具脱模即可完成一层三维层位模型的制作。利用上一层三维层位模型的顶界面和下一层三维层位模型的反向模具形态，在上一层三维层位模型的顶面可进行下一层三维层位模型的制作。从底层至顶层逐层进行各个三维层位的浇筑与制作，即可得到完整的三维物理模型。本发明以模型底界面作为测量基准面，可以避免模型浇筑中逐层测量产生累积误差。

图1所示的三维物理模型制作方法的执行主体可以为计算机。由图1所示的流程可知，本发明实施例的三维物理模型制作方法先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

图2是本发明第二实施例中三维物理模型制作方法的流程图。如图2所示，在执行s101之前，三维物理模型制作方法还包括：

s201：导出大地坐标系下的地层解释层位，得到三维点云数据。

其中，大地坐标系的界面高度为海拔高层。

s202：将三维点云数据加密生成三维点云数据体。

具体实施时，可以利用三维插值软件(如petrel等)将稀疏的三维点云数据加密成至少15m(x)*15m(y)间隔的三维点云数据体，此时需确保从顶至底所有层位的断裂、走向的相互关系保持一致。

s203：将大地坐标系下的三维点云数据体转换为模型坐标系下的三维点云数据体。

具体实施时，可以选择x方向最小值和y方向最小值作为工区基准原点，将大地坐标系下的所有三维点云数据体转换为模型坐标系下的三维点云数据体，再按照模拟相似比原则将三维点云数据体缩放到模型尺度下。

s204：将三维点云数据体转换为三维层位面数据。

具体实施时，可以利用三维点云处理软件(如geomagic等)将离散的三维点云数据体转换为连续的三维层位面数据(三点相连形成三角面片，最终形成一个完整的面)，再将三维层位面数据导出成3d打印机可识别的stl格式文件。

本发明实施例的具体流程如下：

1、导出大地坐标系下的地层解释层位，得到三维点云数据。

图3是本发明实施例中导出的地层解释层位的示意图。

2、将三维点云数据加密生成三维点云数据体。

图4是本发明实施例中三维点云数据体的示意图。

3、将大地坐标系下的三维点云数据体转换为模型坐标系下的三维点云数据体。

4、将三维点云数据体转换为三维层位面数据。

图5是本发明实施例中三维层位面数据的示意图。

5、根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；根据三维层位面数据生成三维层位体数据。

图6是本发明实施例中三维层位模型的示意图。

6、在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具。

图7是本发明实施例中反向模具的正面和背面示意图。

7、在反向模具的下方添加打印支撑，将反向模具和打印支撑转换为切片文件；3d打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具。

8、获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架。

9、将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

综上，本发明实施例的三维物理模型制作方法先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

本发明得到的三维物理模型的误差可控制在0.5mm以内，人力消耗降低十倍以上，材料用量降低五倍以上，制作效率提高一倍以上。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种三维物理模型制作系统，由于该系统解决问题的原理与三维物理模型制作方法相似，因此该系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图8是本发明实施例中三维物理模型制作系统的结构框图。如图8所示，三维物理模型制作系统包括：

三维层位模型单元，用于根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位；

三维层位体数据单元，用于根据三维层位面数据生成三维层位体数据；

反向模具单元，用于在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具；

切片文件单元，用于将反向模具转换为切片文件；

打印单元，用于打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；

垂直距离获取单元，用于获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离；

定位单元，用于根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架；

三维物理模型单元，用于将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

在其中一种实施例中，还包括：

三维点云数据单元，用于导出大地坐标系下的地层解释层位，得到三维点云数据；

加密单元，用于将三维点云数据加密生成三维点云数据体；

坐标系转换单元，用于将大地坐标系下的三维点云数据体转换为模型坐标系下的三维点云数据体；

三维层位面数据单元，用于将三维点云数据体转换为三维层位面数据。

在其中一种实施例中，切片文件单元具体用于：

在反向模具的下方添加打印支撑；

将反向模具和打印支撑转换为切片文件。

在其中一种实施例中，垂直距离包括：三维层位的每个顶角距底面的垂直距离和三维层位的每个边界的中心点距底面的垂直距离。

综上，本发明实施例的三维物理模型制作系统先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时可以实现三维物理模型制作方法的全部或部分内容，例如，处理器执行计算机程序时可以实现如下内容：

根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位；

根据三维层位面数据生成三维层位体数据；

在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具；

将反向模具转换为切片文件；

打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；

获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离；

根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架；

将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

综上，本发明实施例的计算机设备先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可以实现三维物理模型制作方法的全部或部分内容，例如，处理器执行计算机程序时可以实现如下内容：

根据预先获取的三维层位面数据生成三维层位模型；三维层位模型包括多个三维层位；

根据三维层位面数据生成三维层位体数据；

在三维层位体数据的背面添加支架，得到反向模具；

将反向模具转换为切片文件；

打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；

获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离；

根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架；

将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型。

综上，本发明实施例的计算机可读存储介质先生成三维层位模型和三维层位体数据，再在三维层位体数据的背面添加支架并转换为切片文件，然后打印制作切片文件，得到多个三维层位实体反向模具；接着获取三维层位模型中每个三维层位距底面的垂直距离，根据每个三维层位距底面的垂直距离对该三维层位对应的三维层位实体反向模具进行定位，得到模型浇筑框架，最后将预先配置的模拟材料浇筑到模型浇筑框架中，得到三维物理模型，可以保证各个地层之间的三维构造关系具有良好的一致性，降低了制作成本，提高了制作效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogicalblock)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元，或装置都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(asic)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于asic中，asic可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(dsl)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、dvd、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。