三維動畫技術(shù)在鉆機施工仿真中的應用研究

梁艷霞+陳功+賈振+陳建海

摘要：為探究三維動畫技術(shù)在重型機械產(chǎn)品工作仿真中的實際應用，在分析研究三維動畫仿真原理基礎上，針對DTR2005H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鋼管柱垂直插入施工工法，設計出了一套適合鉆機施工工法動畫仿真的思路和流程。研究了鉆機施工工法動畫設計制作的流程和關(guān)鍵技術(shù)，將動畫仿真過程分為前期規(guī)劃、中期制作和后期合成三大階段，以3ds max軟件為核心，綜合運用多種軟件，探索出了一套效果良好并切實可行的鉆機施工工法三維動畫仿真制作流程。解決了鉆機施工工法動畫仿真面臨的現(xiàn)實問題，為相關(guān)機械產(chǎn)品動畫設計與制作提供了案例啟發(fā)和技術(shù)示范。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設計；三維動畫設計；3ds max軟件；鉆機；施工仿真

中圖分類號：TV43-39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0106-03

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機以其新型、高效、環(huán)保的鉆進技術(shù)，在城市地鐵、高鐵、城建樁施工、水庫水壩加固， 以及廢樁和地下障礙的清理等項目中得到了廣泛的應用。由徐州盾安重工研制的DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機，實現(xiàn)了施工人員在卵、漂石地層、含溶洞地層、厚流沙地層、強縮徑地層、各類樁基礎、鋼筋砼結(jié)構(gòu)等障礙還沒有清除的情況下就可以進行灌注樁、置換樁、地下連續(xù)墻的施工以及頂管、盾構(gòu)隧道無障礙穿越各類樁基礎的可能，為各種大型工程項目的高效、環(huán)保實施起到了至關(guān)重要的作用[1]。由于盾安重工DTR全套管全回轉(zhuǎn)鉆機是大型工程機械，其重量因型號不同可達25～55噸，因而產(chǎn)品在營銷推廣和人員培訓等方面面臨難以展示實物，以及難以表達清楚工作原理等困難，而計算機三維動畫技術(shù)則可以彌補此方面的不足。本項目即對DTR2005H系列鉆機鋼管柱垂直插入施工工法[2-3]進行三維動畫仿真與研究。

1 鉆機施工仿真動畫設計思路及流程

三維動畫是近年來隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興技術(shù)，它可以非常形象地表現(xiàn)產(chǎn)品的外觀、性能、用途及結(jié)構(gòu) [4]。而工業(yè)三維動畫是指制造業(yè)中用于展示工業(yè)制造與設備的科技、工法、材料先進性的三維演示動畫，目前廣泛應用于石油、礦藏開采、原材料、電力、化工產(chǎn)品的制造及加工、機械設備制造、輕工業(yè)制造，以及醫(yī)療設備與教學研究等領(lǐng)域。對于工業(yè)企業(yè)來講，工業(yè)三維動畫主要可用于展會、培訓、網(wǎng)站，以及項目匯報、行業(yè)會議、獎項申報、項目競標、售后維護等方面[5]。

在項目合作初期，經(jīng)與企業(yè)領(lǐng)導和相關(guān)人員的溝通，企方認為對于很多客戶來講，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機的施工工法難以理解，是企業(yè)與客戶溝通的重點和難點，因此，針對此實際需求，本項目著重對DTR2005H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鋼管柱垂直插入施工工法流程進行了三維動畫設計與仿真。

在充分研究工作對象后，將鉆機動畫仿真過程劃分為三個階段，即前期、中期和后期。前期是整個動畫作品的規(guī)劃階段，在此階段要對DTR2005H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機的工作原理、施工工藝流程、關(guān)鍵部件工作過程、以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)造型和具體尺寸有著非常清楚到位的理解與把握，該階段工作準備是否充分直接關(guān)系到后續(xù)工作進展的順利與否，在充分準備的基礎上規(guī)劃、設計分鏡頭腳本。中期則根據(jù)前期規(guī)劃好的分鏡頭角本，開始著手進行三維動畫的設計與制作，該階段的主要工作是對各相關(guān)軟件的熟練應用。后期主要進行非線性編輯工作，包括加入特效、音效和字幕等內(nèi)容。其中要注意的是，前期是對動畫效果的構(gòu)思和整體把握，基本決定了動畫的畫面風格和節(jié)奏；中期主要選取合適的動畫制作軟件，本項目選取了3ds Max軟件；后期在進行動畫編輯時，要兼顧動畫的節(jié)奏[6]。產(chǎn)品仿真動畫設計流程見圖1。

2 鉆機施工仿真動畫設計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 前期規(guī)劃與準備

確定設計對象之后，經(jīng)項目組成員反復討論、溝通，擬定出動畫腳本。根據(jù)該施工工法流程，從動畫設計角度可劃分為10組鏡頭，每組鏡頭表現(xiàn)施工過程中的一個環(huán)節(jié)。在動畫時間分配上，重點放在了鋼管柱的主要工作——下壓過程，該部分時長約占動畫總長的三分之一，其它流程依據(jù)其重要程度分別給予適當?shù)臅r間分配。在畫面表現(xiàn)上，根據(jù)不同的工作進程，靈活采用了攝影機拉近、推遠，以及俯視、平視、仰視等不同視角，以表現(xiàn)不同的場景和對象?？傊?，整體規(guī)劃體現(xiàn)出主次分明、重點突出、靈活表現(xiàn)的設計思路和風格。分鏡頭設計見表1。

2.2 中期動畫設計制作

2.2.1 模型制作

由于整套系統(tǒng)模型非常復雜，因此企業(yè)提供了Pro/ENGINEER軟件繪制的鉆機總裝CAD模型，將此模型進行文件轉(zhuǎn)換，導入到3ds Max軟件中，并進行調(diào)整和優(yōu)化；此外，根據(jù)場景需要，在3ds Max軟件中建立了全新的產(chǎn)品模型如：吊車、鋼立柱、動力站系統(tǒng)、大小鋼筋籠、水泥灌注成套裝置，以及場景類模型如：施工場地、樁孔、建筑物等，整體模型如圖2所示。

2.2.2 材質(zhì)貼圖和燈光設置[7]

為了讓三維場景更加真實、美觀，在3ds Max軟件中給系統(tǒng)的各個部分分別賦予相應的材質(zhì)或貼圖，包括：鉆機系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、灌注設備、砂石、水泥、建筑場景等。燈光采用了3ds Max系統(tǒng)自帶的燈光系統(tǒng)，并進行適當調(diào)節(jié)。

2.2.3 分鏡頭制作與調(diào)試

分鏡頭的制作根據(jù)分鏡頭腳本要求來進行。根據(jù)鉆機工作的工法流程，整個過程共設計了10個分鏡頭，主要包括：吊裝過程動畫、定位過程動畫、鉆機工作動畫、鋼立柱動作動畫、基礎樁砼動畫、回填過程動畫、灌注過程動畫、夾緊過程動畫、攝影機變換動畫及產(chǎn)品進出動畫等。制作時，先要在3ds Max 中加入攝影機，其中絕大多數(shù)鏡頭都需要移動攝影機位置，為某一鏡頭攝影機設置位置關(guān)鍵幀，固定鏡頭的攝影機設置只需調(diào)整其畫面位置。時間配置器選擇PAL制式，根據(jù)需要調(diào)整動畫時長。每一個分鏡頭制作完成后將其文件單獨保存。總之，分鏡頭制作就是先設置攝影機，后設置動畫制式時長和關(guān)鍵幀，最后保存文件的過程。endprint

2.2.4 關(guān)鍵幀渲染與輸出

針對每一分鏡頭，對3ds Max文件中的一些相關(guān)參數(shù)進行設置后再渲染輸出[8]。在渲染命令面板中主要設置動畫的渲染器、時間輸出范圍、輸出大小、分辨率以及文件保存位置等信息，設置完成后即可進行渲染輸出。由于整個系統(tǒng)場景宏大，模型復雜，因此渲染相當費時，在一個中型工作站上連續(xù)渲染了36小時才完成。

2.3 后期合成與編輯

將分鏡頭的圖片以TIFF 序列圖片格式導入到After Effects[9]軟件中，After Effects是Adobe公司推出的一款專業(yè)視頻特效編輯軟件。在After Effects中，為合成動畫加入片頭、片尾、字幕、背景音樂及特殊效果。建立新的合成組時，要注意基本參數(shù)要和視頻一致，將序列圖片動畫放入合成組，在畫面合適的位置為畫面添加文字旁白，調(diào)節(jié)透明度，使文字在畫面中漸顯漸隱，同時為每個分鏡頭之間的切換添加轉(zhuǎn)場效果。根據(jù)分鏡頭腳本為每個分鏡頭添加文字旁白和特效[10 ]后，將制作好特效的分鏡文件輸出圖片序列。最后為整個動畫添加音效，播放動畫時根據(jù)音效的起伏略微調(diào)整分鏡的長短，調(diào)整好后設置視頻輸出路徑和輸出編碼格式，完整的DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鋼立柱垂直插入工法動畫制作完成。最終制作成的動畫局部截圖如圖3所示。

3 結(jié)語

本文基于DTR2005H系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機鋼立柱垂直插入工法動畫實際項目，對工業(yè)三維動畫制作思路與流程進行了研究與探索，將動畫仿真過程分為前期規(guī)劃、中期制作和后期合成三大階段，以3ds max軟件為核心，并綜合運用Pro/ENGINEER、After Effects、Photoshop等多種軟件，探索出了一套效果良好并切實可行的鉆機施工工法三維動畫仿真制作流程，制作出了長約3分鐘的動畫短片，該短片已被企業(yè)用于官方網(wǎng)站、手機場景秀以及電商平臺，對企業(yè)在客戶交流、產(chǎn)品宣傳、人員培訓等方面起到了至關(guān)重要的作用。項目為重型工業(yè)產(chǎn)品動畫設計與制作探索出了一套效果較好、切實可行的三維動畫仿真流程，解決了重型機械動畫制作面臨的問題，為后續(xù)的重型機械產(chǎn)品動畫研究提供案例借鑒和示范，具有較好的推廣應用價值。目前我們國家在工業(yè)三維動畫方面與發(fā)達國家還存在著較大差距，相信隨著中國工業(yè)不斷產(chǎn)生更多領(lǐng)先企業(yè)和中國會展業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)三維動畫制作行業(yè)也必然進入行業(yè)快速成長期。

參考文獻

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