三維動畫技術(shù)在鉆機(jī)施工仿真中的應(yīng)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(jī)械產(chǎn)品工作仿真中的實(shí)際應(yīng)用，在分析研究三維動畫仿真原理基礎(chǔ)上，針對DTR2005H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鋼管柱垂直插入施工工法，設(shè)計出了一套適合鉆機(jī)施工工法動畫仿真的思路和流程。研究了鉆機(jī)施工工法動畫設(shè)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(yùn)用多種軟件，探索出了一套效果良好并切實(shí)可行的鉆機(jī)施工工法三維動畫仿真制作流程。解決了鉆機(jī)施工工法動畫仿真面臨的現(xiàn)實(shí)問題，為相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品動畫設(shè)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(shè)計；三維動畫設(shè)計；3ds max軟件；鉆機(jī)；施工仿真

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

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)以其新型、高效、環(huán)保的鉆進(jìn)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(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。由徐州盾安重工研制的DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了施工人員在卵、漂石地層、含溶洞地層、厚流沙地層、強(qiáng)縮徑地層、各類樁基礎(chǔ)、鋼筋砼結(jié)構(gòu)等障礙還沒有清除的情況下就可以進(jìn)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(chǔ)的可能，為各種大型工程項(xiàng)目的高效、環(huán)保實(shí)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(jī)是大型工程機(jī)械，其重量因型號不同可達(dá)25～55噸，因而產(chǎn)品在營銷推廣和人員培訓(xùn)等方面面臨難以展示實(shí)物，以及難以表達(dá)清楚工作原理等困難，而計算機(jī)三維動畫技術(shù)則可以彌補(bǔ)此方面的不足。本項(xiàng)目即對DTR2005H系列鉆機(jī)鋼管柱垂直插入施工工法[2-3]進(jìn)行三維動畫仿真與研究。

1 鉆機(jī)施工仿真動畫設(shè)計思路及流程

三維動畫是近年來隨著計算機(jī)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(shè)備的科技、工法、材料先進(jìn)性的三維演示動畫，目前廣泛應(yīng)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(jī)械設(shè)備制造、輕工業(yè)制造，以及醫(yī)療設(shè)備與教學(xué)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(xùn)、網(wǎng)站，以及項(xiàng)目匯報、行業(yè)會議、獎項(xiàng)申報、項(xiàng)目競標(biāo)、售后維護(hù)等方面[5]。

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

在充分研究工作對象后，將鉆機(jī)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(jī)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(zhǔn)備是否充分直接關(guān)系到后續(xù)工作進(jìn)展的順利與否，在充分準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上規(guī)劃、設(shè)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(jìn)行三維動畫的設(shè)計與制作，該階段的主要工作是對各相關(guān)軟件的熟練應(yīng)用。后期主要進(jìn)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(fēng)格和節(jié)奏；中期主要選取合適的動畫制作軟件，本項(xiàng)目選取了3ds Max軟件；后期在進(jìn)行動畫編輯時，要兼顧動畫的節(jié)奏[6]。產(chǎn)品仿真動畫設(shè)計流程見圖1。

2 鉆機(jī)施工仿真動畫設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 前期規(guī)劃與準(zhǔn)備

確定設(shè)計對象之后，經(jīng)項(xiàng)目組成員反復(fù)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(shè)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(diǎn)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(dāng)?shù)臅r間分配。在畫面表現(xiàn)上，根據(jù)不同的工作進(jìn)程，靈活采用了攝影機(jī)拉近、推遠(yuǎn)，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。總之，整體規(guī)劃體現(xiàn)出主次分明、重點(diǎn)突出、靈活表現(xiàn)的設(shè)計思路和風(fēng)格。分鏡頭設(shè)計見表1。

2.2 中期動畫設(shè)計制作

2.2.1 模型制作

由于整套系統(tǒng)模型非常復(fù)雜，因此企業(yè)提供了Pro/ENGINEER軟件繪制的鉆機(jī)總裝CAD模型，將此模型進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到3ds Max軟件中，并進(jìn)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(shè)置[7]

為了讓三維場景更加真實(shí)、美觀，在3ds Max軟件中給系統(tǒng)的各個部分分別賦予相應(yīng)的材質(zhì)或貼圖，包括：鉆機(jī)系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、灌注設(shè)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(jìn)行適當(dāng)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(jìn)行。根據(jù)鉆機(jī)工作的工法流程，整個過程共設(shè)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(jī)工作動畫、鋼立柱動作動畫、基礎(chǔ)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(jī)變換動畫及產(chǎn)品進(jìn)出動畫等。制作時，先要在3ds Max 中加入攝影機(jī)，其中絕大多數(shù)鏡頭都需要移動攝影機(jī)位置，為某一鏡頭攝影機(jī)設(shè)置位置關(guān)鍵幀，固定鏡頭的攝影機(jī)設(shè)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(dú)保存。總之，分鏡頭制作就是先設(shè)置攝影機(jī)，后設(shè)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(jìn)行設(shè)置后再渲染輸出[8]。在渲染命令面板中主要設(shè)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(shè)置完成后即可進(jìn)行渲染輸出。由于整個系統(tǒng)場景宏大，模型復(fù)雜，因此渲染相當(dāng)費(fèi)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(dǎo)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(shè)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(jī)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(jī)鋼立柱垂直插入工法動畫實(shí)際項(xiàng)目，對工業(yè)三維動畫制作思路與流程進(jìn)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(yùn)用Pro/ENGINEER、After Effects、Photoshop等多種軟件，探索出了一套效果良好并切實(shí)可行的鉆機(jī)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(jī)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(xùn)等方面起到了至關(guān)重要的作用。項(xiàng)目為重型工業(yè)產(chǎn)品動畫設(shè)計與制作探索出了一套效果較好、切實(shí)可行的三維動畫仿真流程，解決了重型機(jī)械動畫制作面臨的問題，為后續(xù)的重型機(jī)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(yīng)用價值。目前我們國家在工業(yè)三維動畫方面與發(fā)達(dá)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(jìn)入行業(yè)快速成長期。

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