耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫仿真

辛海霞，金玉盟，吳 瑕

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461）

耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫仿真

辛海霞，金玉盟，吳 瑕

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461）

為促進三維動畫技術在疏浚行業中的廣泛應用，具體介紹了三維建模、材質貼圖、燈光、特效、攝影機、動畫、渲染等三維動畫關鍵技術，并以應用廣泛的耙吸挖泥船的疏浚施工三維動畫制作為例，詳細說明了運用這些技術進行三維動畫制作的具體方法和過程。

三維動畫技術；三維建模；關鍵幀；渲染；耙吸挖泥船

Biography：XIN Hai-xia（1979-），female，engineer.

隨著計算機技術的快速發展，三維動畫技術已廣泛應用于工程、影視、廣告、工業設計、建筑設計等多個領域。在疏浚行業中，利用三維動畫技術可以精確地建立各種疏浚設備的三維模型，真實地模擬水下作業環境，直觀、形象地反映各種疏浚施工過程。許多國際疏浚企業如波斯卡利斯、范奧德、德米、揚德努等，很早就采用三維動畫技術來制作介紹挖泥船疏浚施工過程和宣傳企業疏浚設備和技術實力等方面的三維動畫視頻影像，并且獲得了很好的反響與收益。與國際疏浚企業相比，國內疏浚企業在應用三維動畫技術方面起步較晚，對于挖泥船施工過程的三維動畫模擬成果相對較少。因此，為了更直觀、更全面、更形象地向觀者說明各種挖泥船的施工過程，更好地彰顯疏浚企業設備和技術的競爭優勢，利用三維動畫技術制作挖泥船施工過程三維動畫是非常必要的。目前實現三維動畫仿真的軟件工具有多種如 OpenGL［1-2］、DirectX、PROE［3］、AutoCAD［4］、3ds max［5］、maya等，其中 OpenGL、Direct算法比較復雜，編程工作量大，PROE、AutoCAD 主要功能是建模，maya系統比較復雜，主要用于影視和動漫，而3ds max具有強大的三維建模、材質、燈光、動畫、渲染等功能，是目前應用最為廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件之一。本文將以應用廣泛的耙吸挖泥船為例，具體介紹基于3ds max運用三維動畫技術制作挖泥船疏浚施工三維動畫的方法和過程。

1 三維動畫技術應用原理

三維動畫技術是一門綜合利用計算機圖形圖像學、數學、物理學、藝術和其他相關學科知識，利用三維動畫軟件在計算機中設計出實物模型、材質、紋理、環境、燈光、動態和特效，并生成連續的具有虛擬真實感畫面的高新技術。

1.1 三維動畫制作流程圖

三維動畫制作是一個復雜的過程，制作流程如圖1所示。

1.2 技術方案

1.2.1 三維建模

三維建模是三維動畫制作的基礎環節，只有建立準確、逼真的模型，才能進行下面的工作，才能為模型賦予材質和設置燈光、特效等操作。目前最常用的建模方法有3種，分別是多邊形建模、NURBS建模和細分曲面建模［6］。多邊形建模的思想很簡單，就是先用三角形、矩形或其他多邊形來創建基礎面，再通過擠出、車削、倒角、FFD等變形工具制作出各種形狀的三維物體。NURBS建模是一種以數學方程式來定義曲線的方式，由曲線組成曲面，再有曲面組成立體模型，曲線有控制點可以控制曲線曲率、方向、長短［7］。細分曲面建模是一種新發展起來的建模技術，可對多邊形進行多次細分，從而達到光滑細膩的效果，有些類似于對多邊形進行NURBS曲面的建模操作［8］。多邊形建模的主要優點是簡單、方便和快速，適合于構造具有規則形狀的物體。NURBS建模是一種專門創建曲面物體的建模方法。細分曲面建模適合完成三維人物或卡通角色的建模。

1.2.2 材質貼圖三維模型創建完成后，必須設置適當的材質才能使對象看起來更加真實。材質是指對真實材料視覺效果的模擬，具體體現在物體的顏色、質感、反射、折射、表面粗糙程度以及紋理等特性上。應用貼圖，可以將圖像、圖案，甚至表面紋理添加至對象，可以增加材質外觀的真實感和復雜度。三維動畫軟件包含多種材質和貼圖類型，其中標準材質是默認的材質類型，它提供了一種比較簡單、直觀的方式來描述模型表面屬性，如果不使用貼圖，標準材質將使物體顯示單一的顏色。目前最常用2種貼圖方式分別是2D貼圖和3D貼圖。

1.2.3 燈光、特效

圖1 三維動畫制作流程圖Fig.1 3D animation making process

設置燈光，能夠達到照明場景、烘托環境氣氛、增強物體表面的光澤、色彩以及亮度等多種效果。設置特效，目的是實現對各種光、霧、火等自然特效的真實模擬。通常采用三光源設置法：主體光、輔助光與背景光。主體光用來照亮場景中的主要對象與其周圍區域，亮度最高。輔助光又稱補光，用來填充陰影區以及被主體光遺漏的場景區域，亮度只有主體光的50%～80%。背景光作用是增加背景的亮度，從而襯托主體，并使主體對象與背景相分離，亮度宜暗不可太亮。

1.2.4 攝影機

攝影機決定畫面的構圖，能夠從特定的觀察點表現場景。依照攝影原理在三維動畫軟件中使用攝影機工具，能夠實現動畫設計的分鏡頭展示效果。攝影機分為兩種，一種是目標攝影機，另一種是自由攝影機。目標攝影機用于觀察目標對象周圍的區域，包括攝影機、目標兩部分，可以單獨進行控制調整，并分別設置動畫。自由攝影機用于觀察攝像機方向內的場景內容。當攝影機的位置沿一個路徑設置動畫時，使用自由攝影機更方便。

1.2.5 動畫

動畫設置是整個三維動畫制作的重點和核心，根據動作設計，在三維動畫制作軟件中運用已建立的模型制作出一個個動畫片段。動作與畫面的變化通過關鍵幀來實現，設定動畫的主要畫面為關鍵幀，關鍵幀之間的過渡由計算機來完成。設置動畫，首先要創建記錄每個動畫序列起點和終點的關鍵幀，然后通過三維動畫軟件計算并補每個關鍵幀之間的插值，從而生成完整的動畫。三維動畫軟件制作動畫的種類大致分為五類：基本變換動畫、參數動畫、角色動畫、粒子動畫和動力學動畫。

1.2.6 渲染

渲染，是指根據場景的設置、賦予物體的材質和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動畫。三維動畫必須渲染才能輸出。渲染是由渲染器完成，渲染器有線掃描方式、光線跟蹤方式以及輻射度渲染方式等。V-Ray是目前最流行的一款渲染器，操作方便、易于掌握，在全局光照、光線跟蹤、光能傳遞方面算法合理、先進，擁有速度和質量上的雙重優勢。可以根據不同的要求使用不同的渲染器進行渲染。通常輸出為JPEG格式和TIFF格式的圖片文件以及AVI格式的視頻文件。

1.2.7 后期編輯合成

各個三維動畫片段制作完成后，將之前所做的動畫片段、聲音等素材，按照前期規劃設計，通過影片編輯軟件編輯，最終生成三維動畫影視文件。具體工作流程為采集影片素材、剪輯動畫片段、設置轉場效果、添加字幕標題、進行配音配樂、輸出影片。

2 耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫制作

2.1 總體思路

耙吸挖泥船是主要疏浚設備之一，具有自航、自挖、自載和自卸等多種性能，被廣泛應用于港口、航道疏浚及吹填工程。耙吸式挖泥船的結構和疏浚過程都非常復雜，因此制作形象、直觀的耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫應用于疏浚行業的市場經營、企業宣傳及施工教學等各個領域是非常必要的。

選擇3ds max作為耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫制作軟件。耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫的具體制作思路為：首先，分析施工場景中耙吸挖泥船、天空、海水、泥面等各個物體的結構特征，分別選擇適當的建模方法進行三維建模；然后對場景中的三維模型進行材質貼圖，增強物體的真實感；在場景中設置燈光、特效增強環境的真實感；設置攝影機，實現下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等分鏡頭效果；根據耙吸挖泥船的施工過程對三維模型設置下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等動畫；最后，選擇合適的渲染器把整個動畫內容渲染出來；用影片編輯軟件編輯生成挖泥船施工動畫視頻文件。

2.2 耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫制作方法和過程

2.2.1 三維建模

本三維動畫制作首先需要建立耙吸挖泥船及施工場景兩大類三維模型。耙吸式挖泥船主要由船體、船樓、泥艙、泥泵、耙吸管、耙頭、吊架、絞車、溢流系統、泥門等部件組成［9］。施工場景主要包括天空、海水、泥面等三維模型。

完成三維建模主要經過2個步驟：第一步，首先分析耙吸挖泥船及施工場景中各個物體的結構特征，針對不同造型的物體采用不同的建模方法。耙吸挖泥船的船體是由結構復雜的曲面組成的，采用NURBS建模方法進行三維建模。船樓、泥艙、耙頭等采用多邊形建模法進行三維模型。由于AUTOCAD繪圖軟件有其他繪圖軟件無法比擬的精確性，傳統的做法是先把AutoCAD軟件中的耙吸挖泥船平面圖導入到3ds max中，各個物體再分別采用不同的建模方法結合擠出、車削、倒角、FFD等變形工具生成三維模型。天空、海水、泥面等施工場景可以通過直接利用3ds max中的基本幾何體建立三維建模。第二步，耙吸挖泥船和施工場景三維模型全部建立完后將這些部件放置在合適的空間位置，最后組成一個完整的耙吸挖泥船施工三維場景。圖2為耙吸挖泥船施工三維場景。

2.2.2 進行材質貼圖

完成三維建模后，根據耙吸挖泥船的實際顏色，對耙吸挖泥船上的各種設備分別設定相應的單一顏色的標準材質來實現挖泥船真實的顏色效果。根據實際的施工場景，對水面設置噪波貼圖來實現水面真實的波動效果，對泥面設置位圖貼圖來實現真實的泥面效果。

2.2.3 設置燈光、特效

3ds max內置有泛光燈、聚光燈、平行光等多種類型的標準燈，其中泛光燈向四周發射光線，能產生均勻的照射效果，能夠投射陰影，可以用來模仿太陽等發光對象，在室外環境中應用較多。在耙吸挖泥船施工三維場景中，利用泛光燈分別創建主體光、輔助光與背景光，通過逼真的照明效果來增強場景的真實感。

3ds max提供了火、霧、體積霧、體積光等特殊的環境效果。在耙吸挖泥船施工三維場景中對水面設置霧來實現真實的霧茫茫的大氣效果，對天空設置體積霧來實現真實的云霧效果。

圖2 耙吸挖泥船施工三維場景Fig.2 3D dredging scene of trailing suction hopper dredger

2.2.4 設置攝影機

在耙吸挖泥船施工三維場景中通過設置多個目標攝影機實現下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等局部動作展示效果；通過設置多個自由攝影機實現耙吸挖泥船整體結構、管線輸泥以及施工場景展示效果。

2.2.5 設置動畫

設置動畫之前，需要對耙吸挖泥船整個施工過程進行分析，以確定施工三維動畫的制作步驟及方法。

耙吸挖泥船的疏浚過程：耙吸挖泥船航行至接近挖泥區時，降低航速，通過吊架把耙吸管擺動到船舷以外，利用絞車下放耙吸管，直到耙吸管后端的耙頭下放至泥面。挖泥船邊航行邊拖曳耙頭前移，耙松和挖掘水下土層的泥沙，在泥泵的抽吸作用下將泥漿吸入耙頭、耙吸管，再經泥泵和船上管路排送到泥艙內。泥沙在泥艙內沉淀，隨著進入艙內泥沙量的增加，泥漿液面逐漸升高，當升高至與溢流口的高度一致時開始溢流，將一些低濃度的泥漿溢流出船舷外［8］。當泥艙裝滿后，停止挖泥作業，提升耙吸管和耙頭航行至指定地點拋泥。拋泥可通過3種方式進行：第一種是通過泥艙底部所設置的泥門，自行將艙內泥沙卸空；第二種是在船艏的連接設備上接上排泥管線，通過泥艙所設置的吸泥管，用船上的泥泵將泥漿吸出，經排泥管線將泥漿輸送到吹填區；第三種與第二種類似，只是不接管線，啟動水泵和泥泵，將泥漿從船艏的噴嘴噴射到吹填區。拋泥完畢后再返回挖泥區，進行下一循環挖泥施工。

通過分析耙吸挖泥船的整個施工過程，需要在3ds max中依次制作出耙吸挖泥船下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等各個施工過程的動畫片段。在制作下耙、挖泥、提耙等施工動畫前，先要對動作部件——船體與吊架、吊架與耙吸管、耙吸管與耙頭建立父子從屬關系，再對各部件分別設置相應的旋轉或移動等基本變換動畫關鍵幀。每一個動作根據持續時間的長短分別設置不同的幀數。同時，通過設置粒子動畫和動力學動畫來真實表現裝艙、拋泥的施工過程。另外，為了更好地突出動畫的主題，通過變焦或移動攝影機的位置及角度使其產生穩定、流暢的動畫效果。

2.2.6 渲染輸出動畫文件

將下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等各個施工過程的動畫全部設置完成后，使用3ds max的自帶渲染器進行渲染并得到相應的動畫片段文件。與其他渲染器相比，3ds max的自帶渲染器具有渲染速度快、集成性能好的特點，適合大型三維動畫仿真渲染［10］。圖3為施工過程渲染圖：3-a下耙、3-b挖泥、3-c裝艙、3-d泥門、3-e泄泥管線吹泥、3-f直接拋泥。

2.2.7 后期編輯合成

圖3 施工過程Fig.3 Dredging process

耙吸挖泥船整個施工過程的三維動畫片段渲染輸出后，再通過后期影片編輯軟件進行采集影片素材、剪輯動畫片段、設置轉場效果、添加字幕標題、配音配樂，最終生成完整的耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫影視文件。

3 工程應用

本成果已經在多個項目的宣傳演示中應用，而且其三維動畫制作技術也得以在其他挖泥船疏浚施工三維動畫制作中推廣。如在天津航道局港珠澳疏浚項目中，制作了砂樁船施工三維動畫、耙吸船施工三維動畫、整平船施工三維動畫、鋼板樁施工三維動畫，為施工生產提供了有力的影像技術支持。在鲅魚圈疏浚項目的施工培訓中采用了絞吸挖泥船標準化三維動畫，對全面提高挖泥船施工管理水平和生產效率產生了積極的作用。申報2010年度水運工程工法期間，應用了濱海型絞吸挖泥船“單樁雙錨四纜”、絞吸船變管徑、軟土基大管徑管線架設、耙吸船主動耙頭調整活動罩對地角度、耙吸挖泥船S型施工、真空預壓工程坡向地形地基處理和耙吸船雙耙掛鏈掃淺總共7個施工工法的三維動畫，形象、直觀地反映了各個工法的實際施工工藝流程，為天津航道局成功申報2010年度水運工法起到了很好的輔助作用。

4 結語

本文具體介紹了三維建模、材質貼圖、燈光、特效、攝影機、動畫、渲染等關鍵的三維動畫技術，并以耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫的制作方法和過程為例，說明三維動畫技術在疏浚行業中的具體應用，從而為其他挖泥船施工三維動畫制作提供借鑒。同時，最終生成的耙吸挖泥船疏浚施工三維動畫影視文件為疏浚企業提供了一個形象、直觀的可視化宣傳途徑，可廣泛應用于市場經營、企業宣傳、施工教學等多個領域。因此，三維動畫技術在疏浚行業中具有很大的應用價值和推廣價值。

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3D animation simulation of dredging process of trailing suction hopper dredger

XIN Hai-xia，JIN Yu-meng，WU Xia
（CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection and Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300461，China）

To promote the application of 3D animation technology in dredging industry，some key points of 3D animation technology were described，including 3D modeling，materials，mapping，lighting and special effect，camera，animation and rendering.And then by the example of the making of 3D animation of the dredging process of widely used trailing suction hopper dredger，the specific methods and processes to make 3D animation were illustrated in detail by using these technologies.

3D animation technology；3D modeling；key frame；rendering；trailing suction hopper dredger

TP 311；TV 52

A

1005-8443（2012）03-0264-06

2012-02-20；

2012-03-09

辛海霞（1979-），女，山東省泰安人，工程師，主要從事三維動畫仿真技術研究。