CATIA與3DS MAX在汽車工廠三維模擬動畫中的應用研究

■機械工業第九設計研究院有限公司 柳林 陳戈 李豐

傳統的汽車工廠產線設備設計在交流和展示上是枯燥乏味的，產線設備設計往往只注重設備本身的功能、結構、成本以及是否滿足工藝要求等，缺少對設計表達與對外溝通、展示方法的研究。當前，汽車行業已經開始向數字化轉型，產品數字化、設計數字化、施工數字化、運維數字化已成為行業趨勢。因此，在設計階段如何充分利用數字化手段對設計成果和設計過程進行三維可視化表達，如何利用三維形體、材質、光影、動態模擬的方法充分展示產線設備的運動規律，并將運動規律和產線布局記錄并展示出來，并能夠與各專業設計人員和項目甲方進行積極、有效地交流，成為多方案比選、支撐項目過程中方案快速變更、最終確定優化方案的重要環節。機械工業第九設計研究院有限公司技術中心數字化部將CATIA、3DS MAX、VRay軟件相結合，利用三維動畫技術對汽車工廠產線設備“設計數字化”進行了較為深入的分析與研究。

CATIA模型解決方案

CATIA是法國達索公司的產品開發旗艦解決方案，在汽車行業應用廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統。設備工程院目前采用CATIA V5R19軟件進行非標設備，機械化輸送設備的三維建模。

環境設置

通過自行開發的“CATIA開發工具包.EXE”執行程序對軟件環境進行快速部署，從而滿足工程院對軟件字庫、尺寸標注、文本注釋、出圖樣式等標準繪圖環境的要求。程序包含了標準化產品快速建模工具集（圖1）、出圖工具集（圖2）和快捷設計工具集。工具集的開發，大大提高了設計師的設計效率，簡化了設計流程。

圖1 快速建模工具集

圖2 快速出圖工具集

制作和導入CATIA軸網

基于TeamCenter軟件實現了跨專業的協同設計，協同設計必須有統一的工藝布局軸網。使用Plant Layout模塊將.DGN格式的軸網轉換為CATIA格式的軸網，將軸網文件通過TeamCenter下發給各工程師。

設備快速建模

通過定制開發的快速建模工具對模型進行創建。以室體為例，在CATIA中運行室體快速裝配工具，用戶選取壁板、端板、燈箱、操作臺、接水盤類型，輸入室體寬度、高度以及每個標準段的長度，即可快速生成室體模型（圖3）。

圖3 CATIA室體三維模型

產線布局

每個工程師基于軸網進行設計并布局，在布局過程中充分發揮快速建模工具的使用效率，使設計構思以三維方式快速展現，對產線的每一個節點模型進行精細化設計，最終通過Teamcenter協同平臺展現涂裝線三維匯總成果。

在NavisWorks中，將涂裝設備三維模型與土建公用專業的Revit模型進行合并（圖4），從而實現了各工程院、各專業的三維協同設計，提高了設計成果的準確度。

圖4 工廠三維匯總模型

模型導出

完成的CATIA產線模型另存為CGR輕量化模型文件，在經過3DS MAX模型優化處理后，可進行三維產線模型的材質、燈光處理工作。

3DS MAX模型解決方案

3DS MAX是Autodesk（歐特克）公司基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲以及工程可視化等領域。

模型導入

3DS MAX可以直接導入CATIA的CGR文件，導入過程中需要對導入設置進行調整，轉換網格應設置為打開，上方向軸應設置為Z軸向上，層次模式應設置為展平。網格分辨率越高，導入后的模型越精細，越能充分還原CATIA模型的細節，但是更高的網格分辨率會增加模型的面數，過多的面數會影響3DS MAX運行速度，因此，網格分辨率數值的多少與電腦設備的性能相關。

3DS MAX默認的層次模式為使用組，“組”在3DS MAX中是一個重要的概念，它可以將多個模型組合在一起，使之能夠共同移動、旋轉和縮放，便于對模型進行選擇和管理。但是大量的“組”會過多地占用軟件系統資源，增加CPU和顯卡的工作負擔，使軟件視口操作的流暢度變得很低，甚至造成系統崩潰。3DS MAX中模型組的數量與CATIA裝配結構樹的層級數量有直接關系，例如，CATIA中模型的裝配結構樹層級數量為5層，那么當模型以“使用組”的方式導入3DS MAX后，其“組”的數量也為5層。所以導入CATIA模型時層次模式需選擇“展平”，“展平”功能是將模型中所有的“組”關系全部炸開，炸開后的模型以單體零部件的方式存在于視口中（圖5），模型的格式為“可編輯網格”。

圖5 導入后的模型

模型坐標

CATIA軟件的坐標數據可與3DS MAX的坐標數據完美銜接，導入3DS MAX中的模型都具備單獨的坐標數據，依據這些坐標數據可以將CATIA產線模型在3DS MAX中進行重組。模型的坐標數據利用3DS MAX的“選擇并移動”工具即可查看。

導入模型后需要對“重疊”（圖6）的模型進行修正，否則在渲染過程中“重疊”的部分會顯示為黑色色塊，導致圖像顯示不正常，動態圖像會出現嚴重閃爍。修改模型時，宜將模型的格式轉換為“可編輯多邊形”，利用“邊”“面”功能對模型進行修正。模型整理完成后應使用“塌陷”命令對同一類別的零部件進行“塌陷”，使之成為一個整體，減少3DS MAX中的模型個數有利于提升系統的運行效率。

圖6 模型重疊

材質調節

對于金屬材質的調節，應使用VRay材質球，在反射層級中應加入Falloff貼圖，通過控制“前”和“側”兩個方向的顏色數值進而控制近處反射和遠處反射的強度，并將衰減類型設置為Fresnel。光澤度用來控制金屬表面的磨砂質感和高光范圍，數值越小，磨砂質感越強、高光范圍越大，數值為1時無磨砂效果、無高光。特定情況下將光澤度設為1可有效控制漆面曝光，具體方法需根據場景環境、燈管布置方位和強度進行綜合分析。

對于油漆材質的調節，應使用VRayMtl，在控制面板中啟用Fresnel反射。將反射色值設置為200.200.200，光澤度設置為0.85，使油漆表面產生一定的高光效果。通過控制漫反射的色值和加入貼圖的方法來控制油漆表面的顏色和圖案。

對于塑料材質的調節，應使用VRayMtl，在控制面板中啟用Fresnel反射。將反射色值設置為100.100.100降低反射的強度。光澤度設置為0.7，使塑料材質表面產生較大范圍的高光。同樣通過控制漫反射的色值和加入貼圖的方法控制塑料表面的顏色和圖案。

對于廠房的地面材質調節，可以使用3DS MAX默認材質或者VRayMtl，常用材料為環氧地坪、金剛砂地坪、水泥地坪等。不同的材質反射強度和高光大小均不相同，其中環氧地坪反射和高光效果最強應使用VRayMtl調節。水泥地坪的反射和高光效果最弱可使用MAX默認材質調節。VRayMtl需結合漫反射貼圖和周圍環境需對Fresnel反射、光澤度、Falloff貼圖進行合理控制，才能產生較為真實的渲染效果。

動作調節

模型材質調節完成后，需要將模型按照設備運動軌跡的要求進行分區成組，成組后的模型便于進行設置動畫（圖7）。設備動畫的設置應完全基于設計節拍進行調節，設置動畫前需先激活“時間配置”工具，“幀速率”需設置成“PAL”，“PAL”制的幀速率為25幀/秒，也就是每秒通過25張圖像。如果需要制作4秒鐘的動畫，需要200幀，也就是渲染輸出200張圖像。

圖7 旋轉棍床模型成組

時間長度設置完成后，需激活“自動關鍵幀”按鈕，然后選擇成組的模型對其進行位移和旋轉操作，模型的每一個動作都會以關鍵幀的形式記錄在時間軸上，對關鍵幀的位置進行調節會影響模型的動作效果。

光源解決方案

VRay穹頂光源

在三維場景中光源是一項非常重要的元素，三維動畫最終效果的好壞與光源照明效果的質量有著密切關系。VRay穹頂光源適合規模較大的室外鏡頭場景，用來模擬自然光照中的天空光。光源顏色通常為冷色，在其選項中需將“不可見”勾選，否則在場景中會出現大量曝光現象。光源采樣的細分數值應不小于16，可保證模型陰影面不會出現大量的噪點，同時還滿足計算速度的需求。

VRay平面光源

VRay平面光源適合模擬室內環境中的天空光（圖8），色值應設置為170.220.255，平面光源的長寬尺寸應小于窗戶的尺寸，其好處在于窗口處模型不易因光照強度太強而產生嚴重曝光的現象，窗頂嚴重曝光的情況下平面光源應考慮設置一定的照射角度。在設置選項卡中，應去掉“不可見”和“影響反射”的勾選，避免在車漆材質中出現嚴重曝光的情況。光源的采樣數值在渲染實踐允許的情況下應不小于20，同一位置盡量使用一個平面光源模擬光照效果，過多的光源數量會嚴重影響渲染計算速度。

圖8 模擬窗口天空光

VRay太陽光

VRay太陽光是基于物理真實的一種光源，光照的顏色和強度與光源高度位置相關聯，光源越高照射強度越強，顏色越接近于255.255.255，光源越低照射強度越弱，顏色越接近于暖黃色。光源強度宜從0.025開始逐漸調試遞增，陰影細分數值不宜小于8，避免陰影處產生大量噪點。“大小倍增”數值直接影響投射陰影邊緣的銳利程度，數值越小陰影邊緣越銳利，數值越大陰影邊緣越柔和，具體數值需根據實際渲染效果進行設置。

渲染器設置

VRay是由chaosgroup和asgvis公司出品的一款高質量渲染軟件。VRay是目前業界最受歡迎的渲染引擎。基于V-Ray內核開發的有VRay for 3DS max、Maya、Sketchup、Rhino等諸多版本，為不同領域的優秀3D建模軟件提供了高質量的圖片和動畫渲染，便于使用者渲染各種圖片。

全局照明（GI）

全局照明是VRay渲染器的核心組成部分，能夠提供快速和高質量的光源計算方法。在進行廠房內光源計算時，通常使用發光貼圖和燈管緩存兩種引擎進行計算。發光貼圖的計算等級宜設為中等，細分數值不宜小于100，插值采樣不宜小于45，應啟用“顯示計算相位”，在預渲染的過程中即可觀察光照的效果并可依據效果隨時中斷光源計算，避免因無效渲染而造成時間浪費。光子的計算模式應設置為“動畫-預通過”，光子的尺寸大小可與輸出圖像尺寸相同，如果渲染時間緊張，可將光子尺寸設為輸出圖像尺寸的1/2。燈管緩存的細分數值不應小于1000，光子計算模式應設置為“穿行”。

曝光控制

曝光控制是控制畫面質量的重要因素，畫面中過度的曝光會使畫面看起來不真實，甚至有些模型的高光處會出現純白色亮片。在VRay中推薦使用“萊恩哈德”的顏色貼圖模式對場景進行曝光控制，倍增數值應在0.65左右進行調整，如果數值為1，則控制曝光的效果最差，但畫面色彩的色相和飽和度效果最好。如果數值為0，則控制曝光的效果最好，但會犧牲畫面色彩的色相和飽和度（圖9）。

圖9 萊恩哈德模式數值0.65渲染效果

總結

采用CATIA與3DS MAX軟件相結合的方式制作汽車工廠非標設備三維模擬動畫，能夠充分發揮兩個軟件的優勢，避免無效重復建模工作，提高了工作效率的同時又保證了模型的精細度，使復雜、單調的汽車工廠設計工作實現了三維可視化。三維動畫技術彌補了設計語言表達不清的痛楚，使非專業人員能夠快速、清晰地理解設計師的設計意圖，提高了土建、公用、設備各專業之間信息交流與協作的準確度。