基于3ds Max的分段鑿巖階段礦房法三維動畫制作

王輝,陳慶發,甘泉,肖體群

(1.廣西大學資源環境與材料學院,廣西 南寧 530004;2.廣西高校礦物工程重點實驗室,廣西 南寧 530004;3.南方錳業集團有限責任公司大新錳礦分公司,廣西 崇左市 532315)

0 引言

地下礦山開采中,由于采礦工程布置復雜且無法直接看到,只依靠傳統的三視圖法使人難以快速全面地了解各井巷等工程結構之間的空間關系,也難以理解采礦工藝流程[1]。

三維動畫作為現代數字媒體的重要分支形式之一,在傳媒娛樂、建筑工程、設計制造、文化教育等領域得到了廣泛應用[2]。在礦業領域中,由于三維動畫能夠很好地幫助建立三維空間和時序概念,因此在安全培訓[3]、設備演示[4]、學科教學[5]等方面得到廣泛應用。其中,運用三維動畫能夠生動形象地展示采礦工程結構和工藝流程,解決理解上的困難。在信息化、數字化時代下,采礦工藝三維動畫將是礦業向高科技進步發展的潮流。

本文基于3ds Max三維動畫設計軟件,根據大新錳礦中部采區標準礦房單體設計圖和采礦工藝流程,構建炮孔、礦房、礦堆等三維模型,并設計制作分段鑿巖階段礦房法三維動畫,提出一些建模和動畫制作技巧,為采礦工藝三維動畫制作提供借鑒。

1 采礦工藝簡介

大新錳礦中部采區為急傾斜(傾角75°)中厚礦體,礦體自上而下依次形成Ⅰ礦層、夾層Ⅰ、Ⅱ礦層、夾層Ⅱ、Ⅲ礦層,由于夾二、夾一厚度較小,故采用中深孔分段鑿巖階段礦房采礦法開采。圖1為急傾斜礦體標準礦房單體設計圖。

圖1 急傾斜礦體標準礦房單體設計(單位:m)

采礦工藝闡述如下。

(1)劃分好礦塊后,在各階段運輸巷道垂直礦體掘進穿脈,完成開拓工作。

(2)利用反井鉆機在礦塊兩側開鑿主天井,在主天井中間掘進上中下層鑿巖道,掘進探礦巷與切割橫巷。根據下層鑿巖道揭露情況掘進電耙道、短溜井,安裝振動放礦機,開辟漏斗,使下層鑿巖道與電耙道貫通。在各分段鑿進切割天井,采用垂直深孔拉槽法,在分段鑿巖道和切割橫巷中向上打扇形中深孔,以切割天井為自由面進行爆破,爆破出礦后在礦房的全高形成垂直切割槽,完成采準切割工作。

(3)回采工藝:在分段鑿巖平巷內,采用YGZ 90鑿巖機鉆鑿上向扇形中深孔,孔徑為90 mm,排距為1.7 m,孔底距為1.7 m。硝銨炸藥采用BQ 100裝藥器裝藥,導爆管雷管起爆,每次爆破4～6排孔。自上而下,單側推進,上分段超前下分段1～2個爆破步距。

(4)出礦方式:采用30 k W 電耙將礦石耙至溜井中,在裝礦平巷用振動放礦機裝車。每次爆破后,放出一次爆破量的70%左右,其余礦石暫留采場內支撐采空區,并確保下次爆破有足夠的補償空間。

2 三維模型構建

2.1 礦房三維模型

礦房三維模型構建采用拆分組合的方法。根據圖1和采礦工藝流程,依次拆分為礦塊、階段運輸巷道、穿脈、人行天井、鑿巖道、探礦巷、切割橫巷、電耙道、放礦溜井、放礦漏斗、切割天井,并按照設計圖中的形狀、尺寸和空間位置關系,利用3ds Max的三維建模功能構建出各部分三維模型,最后以礦塊為主體將各部分進行組合。回采前的礦房三維模型如圖2所示。

圖2 礦房三維模型

2.2 其他輔助模型

除了基本的礦房三維模型外,為了保證采礦工藝動畫的完整性,還需要制作炮孔、礦堆、電耙、礦車三維模型,用以輔助制作回采動畫和出礦動畫。

2.2.1 炮孔三維模型

炮孔使用3ds Max中的圓柱體進行示意,先按照孔底距1.7 m 布置單排垂直扇形中深孔,如圖3所示,并將單排炮孔模型成組。然后按排距1.7 m復制炮孔模型組,得到多排炮孔,后續可對需要調整布置方式的炮孔排進行解組后,作適當修改即可。

圖3 炮孔三維模型

2.2.2 礦堆三維模型

礦堆有兩種模型示意方式。

(1)使用3ds Max插件將模型進行隨機破碎,得到大量不規則碎塊,選中所有碎塊,在MAXScript偵聽器中輸入并運行腳本(見圖4),對碎塊批量縮放和隨機旋轉,最后賦予其符合礦堆的材質貼圖,得到如圖5所示的礦堆三維模型。這種方式雖然能很好地模擬礦堆,但會大量占用電腦內存,影響運行速度,設備條件一般的情況下不適合大規模制作礦堆,所以該方式通常只用來表示漏斗處的礦堆。

圖4 批量縮放和隨機旋轉腳本

圖5 漏斗處礦堆三維模型

(2)根據礦堆基本外形制作好單個模型后,直接設置材質貼圖,再利用貼圖縮放器調整紋理比例,設置調整適當的情況下也能較好地模擬礦堆,如圖6所示。

圖6 鑿巖道處礦堆三維模型

2.2.3 電耙與礦車三維模型

電耙道中采用單面篦形耙斗耙運堅硬礦石[6],并安裝滑輪和鋼繩,利用3ds Max構建電耙模型,如圖7所示。電耙耙運的礦石經放礦溜井裝入側卸式礦車,由電機車牽引礦車運輸礦石,每臺電機車牽引10輛側卸式礦車,利用3ds Max構建礦車模型,如圖8所示。

圖7 電耙模型

圖8 側卸式礦車模型

3 采礦工藝三維動畫技術

3ds Max 采用創建關鍵幀的方法制作三維動畫,該方法具有強大的動畫制作系統,能夠滿足絕大部分采礦動畫的設計需求。在研究制作分段鑿巖階段礦房法三維動畫的過程中,運用了多種三維動畫技術,用以表現采礦工藝過程。

3.1 生長動畫

穿脈、人行天井、鑿巖道、電耙道等長條型模型的鑿進切割過程可使用生長動畫來模擬,針對這類模型,適合使用切片修改器來實現生長動畫,十分簡便。切片修改器為模型設置切片平面,可隱藏平面一側的模型。通過移動切片平面并設置關鍵幀,可以快速制作模型的生長動畫。

3.2 消隱與顯現動畫

針對需要加快節奏、簡化過程以及反映瞬時變化的一些工藝過程,如大量鉆鑿炮孔和裝藥、爆破時切割天井和切割橫巷的消失與變化、礦堆的生成等,可采用消隱與顯現動畫來表現。消隱與顯現動畫是通過改變模型的可見性參數并設置關鍵幀的方式來實現,在模型的屬性對話框中可找到模型的可見性參數。可見性參數默認為1,數值越小,模型透明度越高,數值為0時模型將不可見。

3.3 粒子系統動畫

3ds Max中的粒子系統可以通過控制密集對象群的運動來模擬雨、雪、煙霧等動畫效果[7],因此可以用來制作礦石堆經過放礦溜井、滾落裝入礦車的動畫過程。3ds Max包含7種粒子,可選用“超級噴射”粒子,制作方法如下。

(1)在放礦溜井與電耙道連通處創建粒子發射器,使其發射朝向為下。

(2)修改粒子分布、類型、大小、數量和生成時間等粒子發射器參數。

(3)在粒子類型中選擇實例幾何體,并拾取單個礦塊作為粒子實例。

(4)創建礦石滾落路徑,創建路徑跟隨對象,在路徑跟隨對象基本參數中拾取礦石滾落路徑,并設置運動計時,使發射器噴射的粒子在規定時間內沿著路徑運動。

制作的溜井放礦裝礦動畫效果如圖9所示。

圖9 溜井放礦裝礦動畫

3.4 路徑變形動畫

使用“路徑變形(WSM)”修改器可以根據圖形、樣條線或NURBS曲線路徑來使對象變形,并限制對象的移動路徑,可用于制作礦車沿軌道行駛動畫。將整列礦車合并為一個模型,為模型添加路徑變形修改器,并在修改器參數中拾取軌道路徑,調整參數,完成路徑變形綁定。由于整列礦車是由電機車頭和多輛側卸式礦車以鎖鏈的形式連接成為的長條形模型,在其經過一般彎曲軌道時,利用路徑變形修改器能較好地反映整列礦車的運動形態(見圖10),不會出現礦車嚴重變形。

圖10 礦車沿軌道行駛

3.5 目標攝影機動畫

為了能更好地展示采礦工藝三維動畫,可以在3ds Max中創建目標攝影機,根據采礦工藝動畫時序,設計攝影機和目標點的運動軌跡,并設置運動關鍵幀。在攝影機視圖下,能跟隨目標攝影機的鏡頭動態瀏覽三維動畫,加深觀看人員對采礦工藝動畫流程的印象。

4 渲染輸出與剪輯合成

在制作好各部分三維動畫后,為得到真實的燈光照明效果,可采用VRay渲染器將攝影機鏡頭下的三維動畫一幀一幀地渲染輸出成序列圖片,方便后期制作成采礦工藝三維動畫視頻。在正式渲染輸出前,應預覽渲染效果,調整環境、燈光、材質以及渲染參數的設置,確保輸出效果圖清晰美觀。

渲染輸出的序列圖片以jpg的格式保存在一個文件夾中,并導入到Adobe Premiere Pro視頻編輯軟件中。在導入時,勾選“圖像序列”選項,即可將這些連續的圖像文件以視頻動畫的方式導入到項目面板中。在Adobe Premiere Pro軟件中,利用剪輯工具對導入的動畫進行剪輯,添加字幕、音頻、轉場等,同時根據需要還可以補充制作文字說明動畫和爆破特效,最后將剪輯合成后的視頻導出。

5 結論

(1)利用3ds Max構建了礦房及炮孔、礦堆等三維模型,運用生長動畫、消隱與顯現動畫、粒子系統動畫等三維動畫技術表現采礦工藝流程,通過VRay渲染器的渲染輸出和Adobe Premiere Pro軟件的剪輯合成,完成采礦工藝三維動畫視頻制作。

(2)該成果能夠很好地幫助用戶建立采礦三維空間和時序概念,并快速熟悉采礦工藝流程,大大提高了教學效率和效果。

(3)在今后礦業發展中,采礦三維動畫仍是數字礦山、采礦教學、安全培訓等領域的研究熱點,并在逐漸突破技術障礙并占據著越來越重要的地位。