CINEMA 4D在工業(yè)仿真動(dòng)畫中的應(yīng)用

栗世堯++周雪飛++李波

摘 要：工業(yè)仿真動(dòng)畫是以三維動(dòng)畫的形式將產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的意圖表達(dá)出來，具有展現(xiàn)產(chǎn)品功能突出產(chǎn)品特點(diǎn)的作用。CINEMA 4D是德國(guó)Maxon公司研發(fā)的3D繪圖動(dòng)畫軟件，可用于三維動(dòng)畫的制作和渲染。通過運(yùn)用軟件的快速渲染引擎AdvanceRender和節(jié)點(diǎn)的積木XPresso表達(dá)式，解決了傳統(tǒng)三維仿真動(dòng)畫中關(guān)鍵幀設(shè)置繁瑣及3D渲染效率低的問題，并且介紹了一種制作工業(yè)仿真動(dòng)畫的方式。

關(guān)鍵詞：CINAME 4D 工業(yè)仿真 三維動(dòng)畫

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0012-04

Abstract： Simulation of industrial action in the form of three-dimensional animation to express the product designer's intent with outstanding product features. CINEMA 4D is Germany's Maxon company developed 3D graphics animation software for three-dimensional animation and rendering. By using XPresso expression fast rendering engine AdvanceRender and node building blocks XPresso expression， to solve the traditional three-dimensional simulation animation key frame settings cumbersome and low rendering efficiency of the problem.

Key Words： CINAME 4D； Industrial simulation； 3D animation

工業(yè)仿真動(dòng)畫是指采用三維動(dòng)畫技術(shù)模擬機(jī)械的外形、材質(zhì)、零部件和內(nèi)部構(gòu)造，把機(jī)械的設(shè)計(jì)原理、工作過程、性能特征、使用方式等一系列真實(shí)的事物以動(dòng)態(tài)視頻的形式演示出來[1]。隨著人們對(duì)可視化要求的提高，傳統(tǒng)的平面靜態(tài)講解圖逐漸被三維動(dòng)態(tài)演示視頻即工業(yè)仿真動(dòng)畫所取代。軟件CINEMA 4D有著易學(xué)易用的特點(diǎn)，本文將主要講解如何運(yùn)用CINEMA 4D的Advance Render渲染器和XPresso系統(tǒng)來提高工業(yè)仿真動(dòng)畫的制作效率。

1 基于CINEMA 4D的工業(yè)仿真動(dòng)畫開發(fā)流程

如圖1所示為工業(yè)仿真動(dòng)畫制作流程。CINEMA 4D與3Dmax、Maya等軟件都屬于三維后期軟件，但CINEMA 4D更偏重于動(dòng)畫制作與渲染，它提供了非常便捷的三維動(dòng)畫制作手段，以及高效的3D渲染器Advance Render，這使得CINEMA 4D在三維動(dòng)畫制作方面比其他同類型軟件更有優(yōu)勢(shì)。

2 運(yùn)用CINEMA 4D提高工業(yè)仿真動(dòng)畫制作效率

三維動(dòng)畫的制作可簡(jiǎn)單概括為四個(gè)方面：建造模型、賦予材質(zhì)、動(dòng)畫設(shè)置、渲染輸出。因?yàn)橹黧w模型是直接導(dǎo)入的，工業(yè)仿真動(dòng)畫的模型材質(zhì)也相對(duì)簡(jiǎn)單；所以我們主要以提高渲染輸出的速度、減少動(dòng)畫設(shè)置的步驟來實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫制作效率的提高。

2.1 運(yùn)用AdvanceRender提高視頻渲染的速度

提高視頻制作效率最簡(jiǎn)單的方法就是提高渲染效率。Cinema 4D內(nèi)置基于Ray-Trace（光影追蹤）的AdvanceRender（高級(jí)渲染器），其Scanline（掃描線）渲染方式至今仍然是世界上速度最快、真實(shí)感最強(qiáng)、操作最簡(jiǎn)單的非GI（非全局照明）渲染解決方案。AdvanceRender（高級(jí)渲染器），這個(gè)引擎具備強(qiáng)大的渲染能力而又具有多樣性，包括許多重要的功能，如環(huán)境吸收、全局照明、焦散、光能傳遞、HDRI、3S等[2]。在對(duì)硬件的需求上，它比其它的三維軟件要求要低，但是卻能取得更好的渲染效果。圖2所示為幾款主流渲染器渲染耗時(shí)[3]，可見在相同畫質(zhì)要求下對(duì)同一物體進(jìn)行單幀渲染CINEMA 4D無疑是最快的。

在對(duì)做好的動(dòng)畫進(jìn)行渲染時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：

（1）Cinema 4D渲染輸出的默認(rèn)幀頻是30幀/s，而國(guó)內(nèi)視頻用25幀/s輸出即可，這樣不僅滿足了國(guó)內(nèi)視頻格式的要求還減少了渲染輸出的時(shí)間。

（2）對(duì)于一些專門用于表現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系的仿真動(dòng)畫應(yīng)當(dāng)盡量減少渲染負(fù)擔(dān)，如全區(qū)光照、抗鋸齒等用于提高畫面品質(zhì)的選項(xiàng)設(shè)置可不使用。

（3）在渲染輸出時(shí)應(yīng)以單幀圖片的形式渲染輸出，當(dāng)全部幀都渲染完后再將這些序列圖片轉(zhuǎn)換為視頻格式。這樣的好處是如果一個(gè)4s（100幀）的視頻渲染中途（45幀）軟件停止運(yùn)行了，繼續(xù)渲染時(shí)可以從上一幀（45幀）的位置開始渲染，而不用重頭渲染。

2.2 運(yùn)用XPresso減少動(dòng)畫設(shè)置的步驟

動(dòng)畫設(shè)置是三維動(dòng)畫制作的核心環(huán)節(jié)，在這一步不僅需要對(duì)靜態(tài)的模型賦予運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為了最佳效果還需要對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。傳統(tǒng)的動(dòng)畫設(shè)置方法操作繁瑣不易修改，而Cinema 4D的XPresso節(jié)點(diǎn)積木系統(tǒng)簡(jiǎn)化了動(dòng)畫設(shè)置的步驟、降低了動(dòng)畫修改的難度，這里將通過兩個(gè)事例來展示XPresso節(jié)點(diǎn)積木系統(tǒng)是如何提高動(dòng)畫設(shè)置效率的。

2.2.1 通過 “腳本語言”實(shí)現(xiàn)對(duì)物體間邏輯關(guān)系的控制

三維軟件基本上都有相應(yīng)的腳本語言。比如3DMAX中的maxscript，Maya中的Mel，在大家熟知的AE中也有腳本語言，可見語言無處不在。MAXON開發(fā)的XPresso是C4D使用的一種基于節(jié)點(diǎn)的編程語言，允許您動(dòng)態(tài)鏈接對(duì)象屬性。它比其他的三維軟件的腳本語言相比，它是模塊圖形化的，不需要用鍵盤打英文代碼，記住那么多的函數(shù)公式，它使你能直觀的看到各個(gè)模塊是如何交互。endprint

圖3所示為xpresso控制齒輪連動(dòng)，從圖中可以看出只有主動(dòng)輪（15齒）做了動(dòng)畫設(shè)置，分別是在第0幀0°第40幀-60°第80幀110°，而對(duì)于從動(dòng)輪1與從動(dòng)輪2未做任何動(dòng)畫設(shè)置。但兩個(gè)從動(dòng)齒輪依然產(chǎn)生了動(dòng)畫，并且符合主動(dòng)齒輪的傳動(dòng)關(guān)系。

實(shí)現(xiàn)這種效果的具體方法是：將三個(gè)齒輪放入XPresso的編輯器中，以旋轉(zhuǎn)角度B為輸入輸出端。通過乘法運(yùn)算器使 從動(dòng)輪1的旋轉(zhuǎn)角度=主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度×-0.75 ，從動(dòng)輪2的旋轉(zhuǎn)角度=從動(dòng)輪1的旋轉(zhuǎn)角度×-0.625，這樣就完成了齒輪傳動(dòng)的關(guān)系設(shè)置。最后回到主界面對(duì)主動(dòng)輪進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)置。

這么做的意義在于：如果物體間存在連動(dòng)關(guān)系，那么只要對(duì)主動(dòng)件做動(dòng)畫設(shè)置就能實(shí)現(xiàn)一系列的傳動(dòng)變化。設(shè)想一個(gè)復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，如果運(yùn)用傳統(tǒng)方法設(shè)置動(dòng)畫就需要反復(fù)的給各個(gè)物體設(shè)置關(guān)鍵幀，這樣制作動(dòng)畫效率很低且容易出錯(cuò)。而運(yùn)用xpresso系統(tǒng)能省去在此傳動(dòng)鏈中除主動(dòng)件以外所有物體的關(guān)鍵幀設(shè)置。

2.2.2 整合所有控制點(diǎn)位

在xpresso中物體的變化量既可以當(dāng)做輸入也可以當(dāng)作輸出，但要注意的是變化量并非必須是物體自身的固有屬性。通過人為定義用戶數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)物體屬性的自定義，將這些數(shù)據(jù)放置在一個(gè)界面中就能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制點(diǎn)位的整合。

整合控制點(diǎn)位的好處是：如圖4機(jī)械手的動(dòng)作變化和圖5機(jī)械手局部動(dòng)畫設(shè)置，在工業(yè)仿真動(dòng)畫中有時(shí)需要對(duì)模型做非常繁復(fù)的動(dòng)畫設(shè)置。而且這些運(yùn)動(dòng)元件相互獨(dú)立，不存在傳動(dòng)關(guān)系。傳統(tǒng)的設(shè)置方法是逐層逐步去做動(dòng)畫。方法為：找到對(duì)應(yīng)文件所屬目錄并在其中找到所要做動(dòng)畫的模型或模型組，確定其所要變化的屬性例如旋轉(zhuǎn)。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)1定義其旋轉(zhuǎn)屬性數(shù)值，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)2確定其旋轉(zhuǎn)屬性的變化值并再次定義，如果后續(xù)還有變化則依次定義其變化值。完成一個(gè)模型的動(dòng)畫設(shè)置后去尋找下一個(gè)需要做動(dòng)畫的模型，直到所有需要做動(dòng)畫的模型都完成動(dòng)畫設(shè)置。如果模型目錄很長(zhǎng)有很多層的子集，那么設(shè)置過程就很繁瑣復(fù)雜。

而運(yùn)用xpresso配合用戶數(shù)據(jù)去做動(dòng)畫設(shè)置可以將所有的變化量集中到一個(gè)界面進(jìn)行操作控制。免去了翻目錄樹尋找控制對(duì)象和控制屬性的過程，這樣就不僅操作直觀而且不易出錯(cuò)便于修改。

用戶數(shù)據(jù)界面的設(shè)置方法為：在根目錄下選中所要做設(shè)置的對(duì)象，進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)選擇增加用戶數(shù)據(jù)。對(duì)存在的運(yùn)動(dòng)關(guān)系做出定義。將對(duì)象以及其它運(yùn)動(dòng)元件放入XPresso的編輯器中進(jìn)行關(guān)系建立，具體方法如2.2.1中所介紹的。

3 結(jié)語

現(xiàn)在工業(yè)仿真動(dòng)畫在企業(yè)投標(biāo)、產(chǎn)品銷售、產(chǎn)品檢測(cè)分析等方面越來越受到重視，也有也來越多的人開始學(xué)習(xí)三維動(dòng)畫軟件。對(duì)于一般工業(yè)仿真動(dòng)畫的制作思路可概括為：理解所需制作的模型都有哪些展示要求，對(duì)所需展示的結(jié)構(gòu)和功能安排時(shí)間順序。對(duì)模型賦予材質(zhì)使其更加真實(shí)形象，布置簡(jiǎn)單的環(huán)境場(chǎng)景。找到所需變化的屬性項(xiàng)并根據(jù)事先安排的時(shí)間順序做動(dòng)畫設(shè)置。在所有動(dòng)畫設(shè)置都完成后輸出視頻，通過后期軟件做進(jìn)一步的優(yōu)化。本文希望通過介紹Cinema 4D來給工業(yè)仿真動(dòng)畫的初學(xué)者提供一些思路和方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 新視覺數(shù)碼.工業(yè)仿真動(dòng)畫處于一個(gè)成長(zhǎng)期[EB/OL]. http：//www.newsight.cn/newsDetail.php？cid=55&id=500，2016-07-23/2017-04-15.

[2] idlch.最詳細(xì)的C4D介紹[EB/OL].http：//bbs.jcwcn.com/thread-86595-1-1.html，2007-05-17/2017-04-15.

[3] 黑桃魚.淺析_CINEMA 4D軟件各大主流渲染器[EB/OL].http：//www.zcool.com.cn/work/ZMTc1MzE4OTY=/1.html，2016-08-01/2017-04-15.endprint