基于3ds Max的大型有色礦山破碎系統三維仿真動畫

王靜婕, 林乙丑, 殷立濤, 高 杰, 劉 秀

(1.洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司,河南 洛陽 471003;2. 礦山重型裝備國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

0 前 言

機械類產品在設計及生產的過程中通常以二維圖紙為依據和媒介.為了把這些產品的結構、特點、功能和工作原理在生產前更形象、更直觀地通過動畫形式立體呈現出來,可以利用3ds Max和Premiere軟件的巧妙銜接使用來實現[1].通過三維動畫多角度、全方位的演示,突破了以前無法拍攝產品內部結構、單靠文字和CAD圖紙說明的瓶頸,結合人機工程學原理、色彩構成原理和營銷心理學原理等盡可能地將整體場景完美地呈現給客戶.本文以大型有色礦山破碎系統及其主要設備半移動式旋回破碎站和高壓輥磨站為例進行具體分析.

1 軟件平臺簡介

3ds Max擁有強大的三維可視化平臺.在模擬生產線的整體場景中,可以對研究對象進行實體建模、真實光線模擬、攝像機設置、材質設置、動畫設置與渲染,并可通過查看運動軌跡及時對模型運動效果進行修正,從而把模擬結果用直觀、可視化的形式展示出來[2].

動態模擬效果可以基于3ds Max的動態模擬系統reactor進行直觀模擬,也可利用其大量的插件及腳本進行模擬.3ds Max 2013中完善的reactor系統可以更好地將不同自然屬性的物體參數設置得更加詳盡,以達到更真實的模擬效果.產品、環境的材質設置在3ds Max中的vray渲染器支持下,可模擬出真實狀態下的視覺效果.

3ds Max是世界上使用最廣泛、功能最強大的動畫制作軟件之一,充分利用好其在機械產品動畫中的優勢,可以向用戶及設計人員展現出整套生產線近乎完全真實的可視化效果.

2 模型的建立及基本參數設置

2.1 3ds Max與Autodesk CAD相結合進行三維建模

圖1為3ds Max與Autodesk CAD相結合進行三維建模的過程示意圖.首先在Autodesk CAD中將產品的二維圖進行簡單的前期處理,然后將其三視圖按比例分別導入3ds Max的三個視圖內,并將三個視圖內二維圖的相對位置調整好,如圖1(a)所示.高壓輥磨機機架的二維圖導入,接著利用3ds Max的建模系統進行產品的部件建模,如圖1(b)所示.然后利用同樣的方式進行高壓輥磨機整機的建模,如圖1(c)所示.

2.2 3ds Max進行產品及環境的材質、燈光設置

利用3ds Max中的材質編輯器與GroundWiz山體插件進行產品及環境的顏色及材質設置,如圖2、圖3所示.在3ds Max的VraySun中對模擬實際光線效果進行設置,如圖4所示.最終達到了所需效果,如圖5(a)和5(b)所示.

圖1 3ds Max與Autodesk CAD相結合進行三維建模

圖2 產品的材質設置

圖3 山體插件的應用

圖4 環境的光線設置

圖5 最終模擬效果圖

3 利用3ds Max進行動畫制作

3ds Max中動畫制作可以通過創建子父對象、制作關鍵幀、reactor系統、粒子系統和軌跡視圖、腳本等來實現[3-4].

3.1 利用關鍵幀進行動畫制作

首先對子父對象及關鍵幀進行設置,再進行軌跡圖的調試,進而完成產品單機動畫的制作,如圖6所示.

圖6 高壓輥磨機動畫關鍵幀的制作

3.2 利用粒子系統進行動畫制作

在3ds Max中利用粒子系統制作動畫的例子有很多,例如噴泉、下雪、瀑布等的制作,但由于這些動作的特點多是以無規則、飛濺效果居多,因此制作相對容易且效果明顯.而礦山處理系統中,物料經過機器的破碎、碾壓等過程卻都有機架的范圍約束,粒子的下落速度不均、下落路徑受機架內壁約束、下落過程中體積不斷變化,因此在制作該動畫的過程中,花費了大量的時間模擬物料在機器中下落破碎的運動情況,并取得了十分逼真的模擬效果.

物料自由下落經過機器破碎碾壓過程的制作方法主要有5個步驟.通過這5個步驟的設置,最后能夠獲得理想的效果,如圖7所示.

(1) 將機架剖視,使之能看到動錐、偏心套和齒輪的運動狀態.制作這三者的關鍵幀動畫.

(2) 根據動錐的運動軌跡,創建樣條線,勾畫出粒子的下落路徑,如圖7(a)所示.

(3) 根據機器破碎物料的原理,分兩段創建粒子云系統,并設置路徑跟隨,如圖7(b)所示.

(4) 設置粒子云系統中的粒子生成、粒子類型、旋轉和碰撞卷展欄中的參數,如圖7(c)和圖7(d)所示.

(5) 根據機器動畫修正粒子的相關參數.

圖8為機器開始工作的渲染后動畫.圖8(a)為物料下落瞬間的渲染后動畫;圖8(b)為物料經過動錐與機架內壁相互擠壓破碎后的渲染后動畫.

3.3 利用腳本進行動畫制作

在3ds Max中如果利用關鍵幀來制作履帶的動畫效果會非常的復雜,而利用履帶腳本Pedrail Maker制作該動畫,就會顯得非常簡單[5].

圖7 物料自由下落經過機器破碎碾壓過程

履帶車載著破碎站一起移動的動畫制作方法,主要步驟:

(1) 建立一節履帶模型,如圖9(a)所示.

圖8 渲染后動畫

圖9 履帶車載著破碎站一起移動的動畫制作

(2) 根據履帶車的結構,建立兩條樣條線路徑,如圖9(b)所示.

(3) 運行履帶腳本,分別拾取路徑和履帶節,設置相關參數,生成履帶,如圖9(c)所示.

(4) 履帶生成動畫,根據場景需要有針對性地調整履帶腳本內的相關參數,如圖10(a)和10(b)所示.

圖10 半移動式旋回破碎站履帶車動畫效果圖

4 設置攝像機鏡頭

在3ds Max中制作完成所有的動畫后,根據動畫的時間設置建立攝像機,分鏡頭表現生產系統中不同設備的工作狀況及設備之間的相互聯系.

對攝像機進行關鍵幀設置,利用軌跡線對其進行調整,如圖11所示.

圖11 攝像機關鍵幀設置及軌跡

5 利用Premiere進行后期剪輯及編輯

在3ds Max中所有的動畫和攝像機都設置完成后,分別對各個鏡頭進行批量渲染,渲染格式為.tga.渲染完成后,在Premiere中建立項目,并導入所有相關素材.

在Premiere中進行后期剪輯、編輯的制作,主要有以下幾個步驟:

(1) 新建項目中設置的視頻尺寸應和3ds Max中渲染的動畫幀尺寸相同,如果標準尺寸中沒有所需尺寸,則可選擇“常規”工具欄下編輯模式中的桌面編輯模式對視頻畫面大小進行相應調整,如圖12(a)所示.

(2) 導入素材.其中在導入3ds Max渲染后的.tga格式素材時應先選擇第一個文件,并在序列圖像上打勾,如圖12(b)所示.

(3) 在序列中進行素材的剪輯,增加字幕等,如圖12(c)所示.

(4) 添加轉場效果,如圖12(d)所示.

(5) 進行完一系列的剪輯和編輯后,對素材進行視頻輸出,如圖12(e)所示.

采用3ds Max進行產品及整個生產系統真實工作狀況的仿真模擬,利用Premiere對3ds Max渲染的素材進行后期剪輯及視頻文件的輸出,可以進一步增加廠家的綜合效益.

6 結 論

本文制作了大型礦山破碎系統中重要的三大部分——半移動式旋回破碎站、圓錐破碎站、高壓輥磨站的仿真動畫及整體場景動畫,對旋回破碎站、圓錐破碎機、高壓輥磨機的運動情況進行了詳細研究說明.充分應用了3ds Max和Premiere的各自優勢,制作出反應產品的真實工作狀況的影片.可以向用戶提前展示產品各方面的優良特性,讓用戶有一個更為直觀的視覺概念,大大提高了用戶對產品的認識度.

產品組裝動畫在安裝及售后服務方面,為技術人員提供了更加便捷的方法向客戶說明安裝方法、問題所在.單機動畫和場景動畫的演示,以更加直觀的方式展示廠家產品和成套項目的整體效果,使客戶在購買產品前有更鮮明的視覺感觸.在與國外客戶的洽談中,三維仿真動畫演示能夠逾越語言和文化的鴻溝,快速地讓客戶了解廠家的實力和水平,從而接受廠家的產品,形成有效營銷.

圖12 在Premiere中進行后期剪輯、編輯的制作流程

參考文獻:

[1] 徐柏濤.VRay超級寫實渲染完全解析[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2] 陳維俊.3ds Max/VRay印象效果圖光與材質表現技法[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3] 周青.建筑漫游動畫制作高級技法[M].北京:機械工業出版社,2002：299-314.

[4] 盧正剛.水晶石技法3ds Max建筑動畫制作[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[5] 彭國華.3ds Max三維動畫制作技法[M].北京:電子工業出版社,2009.