CINEMA 4D在工業(yè)仿真動畫中的應用

栗世堯++周雪飛++李波

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

關鍵詞：CINAME 4D 工業(yè)仿真 三維動畫

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：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)仿真動畫是指采用三維動畫技術模擬機械的外形、材質(zhì)、零部件和內(nèi)部構(gòu)造，把機械的設計原理、工作過程、性能特征、使用方式等一系列真實的事物以動態(tài)視頻的形式演示出來[1]。隨著人們對可視化要求的提高，傳統(tǒng)的平面靜態(tài)講解圖逐漸被三維動態(tài)演示視頻即工業(yè)仿真動畫所取代。軟件CINEMA 4D有著易學易用的特點，本文將主要講解如何運用CINEMA 4D的Advance Render渲染器和XPresso系統(tǒng)來提高工業(yè)仿真動畫的制作效率。

1 基于CINEMA 4D的工業(yè)仿真動畫開發(fā)流程

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

2 運用CINEMA 4D提高工業(yè)仿真動畫制作效率

三維動畫的制作可簡單概括為四個方面：建造模型、賦予材質(zhì)、動畫設置、渲染輸出。因為主體模型是直接導入的，工業(yè)仿真動畫的模型材質(zhì)也相對簡單；所以我們主要以提高渲染輸出的速度、減少動畫設置的步驟來實現(xiàn)動畫制作效率的提高。

2.1 運用AdvanceRender提高視頻渲染的速度

提高視頻制作效率最簡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、真實感最強、操作最簡單的非GI（非全局照明）渲染解決方案。AdvanceRender（高級渲染器），這個引擎具備強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[3]，可見在相同畫質(zhì)要求下對同一物體進行單幀渲染CINEMA 4D無疑是最快的。

在對做好的動畫進行渲染時還需注意以下幾點：

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

（2）對于一些專門用于表現(xiàn)機械運動關系的仿真動畫應當盡量減少渲染負擔，如全區(qū)光照、抗鋸齒等用于提高畫面品質(zhì)的選項設置可不使用。

（3）在渲染輸出時應以單幀圖片的形式渲染輸出，當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4s（100幀）的視頻渲染中途（45幀）軟件停止運行了，繼續(xù)渲染時可以從上一幀（45幀）的位置開始渲染，而不用重頭渲染。

2.2 運用XPresso減少動畫設置的步驟

動畫設置是三維動畫制作的核心環(huán)節(jié)，在這一步不僅需要對靜態(tài)的模型賦予運動關系，為了最佳效果還需要對運動關系進行反復調(diào)整。傳統(tǒng)的動畫設置方法操作繁瑣不易修改，而Cinema 4D的XPresso節(jié)點積木系統(tǒng)簡化了動畫設置的步驟、降低了動畫修改的難度，這里將通過兩個事例來展示XPresso節(jié)點積木系統(tǒng)是如何提高動畫設置效率的。

2.2.1 通過 “腳本語言”實現(xiàn)對物體間邏輯關系的控制

三維軟件基本上都有相應的腳本語言。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)點的編程語言，允許您動態(tài)鏈接對象屬性。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模塊是如何交互。endprint

圖3所示為xpresso控制齒輪連動，從圖中可以看出只有主動輪（15齒）做了動畫設置，分別是在第0幀0°第40幀-60°第80幀110°，而對于從動輪1與從動輪2未做任何動畫設置。但兩個從動齒輪依然產(chǎn)生了動畫，并且符合主動齒輪的傳動關系。

實現(xiàn)這種效果的具體方法是：將三個齒輪放入XPresso的編輯器中，以旋轉(zhuǎn)角度B為輸入輸出端。通過乘法運算器使 從動輪1的旋轉(zhuǎn)角度=主動輪旋轉(zhuǎn)角度×-0.75 ，從動輪2的旋轉(zhuǎn)角度=從動輪1的旋轉(zhuǎn)角度×-0.625，這樣就完成了齒輪傳動的關系設置。最后回到主界面對主動輪進行動畫設置。

這么做的意義在于：如果物體間存在連動關系，那么只要對主動件做動畫設置就能實現(xiàn)一系列的傳動變化。設想一個復雜的傳動系統(tǒng)，如果運用傳統(tǒng)方法設置動畫就需要反復的給各個物體設置關鍵幀，這樣制作動畫效率很低且容易出錯。而運用xpresso系統(tǒng)能省去在此傳動鏈中除主動件以外所有物體的關鍵幀設置。

2.2.2 整合所有控制點位

在xpresso中物體的變化量既可以當做輸入也可以當作輸出，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)可以實現(xiàn)物體屬性的自定義，將這些數(shù)據(jù)放置在一個界面中就能實現(xiàn)對控制點位的整合。

整合控制點位的好處是：如圖4機械手的動作變化和圖5機械手局部動畫設置，在工業(yè)仿真動畫中有時需要對模型做非常繁復的動畫設置。而且這些運動元件相互獨立，不存在傳動關系。傳統(tǒng)的設置方法是逐層逐步去做動畫。方法為：找到對應文件所屬目錄并在其中找到所要做動畫的模型或模型組，確定其所要變化的屬性例如旋轉(zhuǎn)。在時間節(jié)點1定義其旋轉(zhuǎn)屬性數(shù)值，在時間節(jié)點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。完成一個模型的動畫設置后去尋找下一個需要做動畫的模型，直到所有需要做動畫的模型都完成動畫設置。如果模型目錄很長有很多層的子集，那么設置過程就很繁瑣復雜。

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

用戶數(shù)據(jù)界面的設置方法為：在根目錄下選中所要做設置的對象，進入用戶數(shù)據(jù)選擇增加用戶數(shù)據(jù)。對存在的運動關系做出定義。將對象以及其它運動元件放入XPresso的編輯器中進行關系建立，具體方法如2.2.1中所介紹的。

3 結(jié)語

現(xiàn)在工業(yè)仿真動畫在企業(yè)投標、產(chǎn)品銷售、產(chǎn)品檢測分析等方面越來越受到重視，也有也來越多的人開始學習三維動畫軟件。對于一般工業(yè)仿真動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，對所需展示的結(jié)構(gòu)和功能安排時間順序。對模型賦予材質(zhì)使其更加真實形象，布置簡單的環(huán)境場景。找到所需變化的屬性項并根據(jù)事先安排的時間順序做動畫設置。在所有動畫設置都完成后輸出視頻，通過后期軟件做進一步的優(yōu)化。本文希望通過介紹Cinema 4D來給工業(yè)仿真動畫的初學者提供一些思路和方法。

參考文獻

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

[2] idlch.最詳細的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