劉 瑋，錢筱琳，劉佳文，楊繼全

（1.南京林業(yè)大學 家具與工業(yè)設計學院，南京 210037；2.南京師范大學 信息與控制研究所，南京 210042）

0 引言

三維動畫是計算機圖形學與藝術設計相結合的交叉學科，目前已在影視創(chuàng)作、廣告宣傳、教學展示、科學研究等諸多領域發(fā)揮著非常重要的作用。工程演示動畫主要基于工業(yè)產品、機電設備、生產過程、工藝原理等，通過直觀、真實、生動等方式對演示對象的功能、性能、結構、流程、方法等進行動畫展示，是以相關科學技術原理為指導的，集展示性、教育性、藝術性于一體的數字資源。

1 三維動畫技術原理

三維動畫技術又稱為三維預渲染回放技術，即對運動過程的關鍵幀畫面進行三維預渲染，從而得到若干幅連續(xù)的畫面組成的圖像序列，由此得到完整的三維動畫視頻，也叫關鍵幀動畫或幀動畫。制作三維動畫常用的工具平臺有3D max、AutoCAD、Maya等[1]。

三維動畫的技術原理包括模型及場景建立、動畫制作、材質與光線控制、渲染輸出等部分。首先，利用三維造型軟件在電腦上建立各個三維物體的造型及其所處環(huán)境的模型，并做好規(guī)劃與分組，組成一個制作動畫所需的完整場景；其次，定義關鍵幀并制作關鍵幀及部分中間幀；然后，根據原型、美學及視覺要求進行材質、貼圖及光線的設計與制作；最后渲染輸出生成動畫視頻。

2 現代制造工程實訓裝置及其動畫制作要求

2.1 現代制造工程實訓裝置簡介

本文基于南京恒律機械電子有限公司、蘇州瑞思機電有限公司和南京財經大學共同開發(fā)建設的現代制造工程綜合實驗室實訓裝置，進行該裝置演示動畫的開發(fā)與技術研究?，F代制造工程實訓裝置是高校實驗室中面向機電工程、自動化、工程管理等專業(yè)的綜合性、基礎性實訓系統。系統集成了自動控制技術、視頻測量技術、物聯網絡技術、工業(yè)六軸機器人和信息管理技術等先進科技，可以開展現代工業(yè)產品設計/制造/檢測/物流一體化、產品在線測量、視覺測量、精密測量、動態(tài)測量、設備和系統過程的狀態(tài)檢測與故障診斷、可靠性與質量控制、質量設計、質量評價、質量管理等領域的教學與實驗研究。裝置結構如圖1所示。

圖1 現代制造工程實訓裝置結構簡圖

該實訓裝置主要由八大系統及中央控制平臺組成。

機器人安裝搬運系統主要完成工件的取放、固定等動作，由工件暫持裝置、工件安裝裝置、六軸工業(yè)機器人、機器人編程軟件和機器人仿真系統等組成。

自動傳輸系統由AGV自動傳送小車和傳輸軌道組成，直線運行，能準確停靠各工作站點，其上的機械手臂具有4工位旋轉可伸縮可升降特點，能完成對?？扛髡具M行上、下工件的取放操作，是系統的傳送樞紐。

立體倉庫系統采用組合式鋁制型材搭建，用于存放代加工的原料或者已加工檢測完好的成品貨物，可根據不同的設定方案在組態(tài)中自由配置倉位狀態(tài)。

測量系統與檢測系統可自動將工件夾緊定位并對工件進行三坐標測量、硬度測量、紅外探傷等操作，并將工件的內部缺陷、硬度、精度等測量數據進行自動儲存及生成分析圖像。

數控加工系統采用工業(yè)控制標準，自動氣動門；可根據上位機自動加工調度以加工所需產品。

零件安裝系統可以對機器人和CNC機床加工的多個有裝配關系的零件，分別進行自動裝配，以檢驗設計和加工的合理性，并對安裝過程中出現的問題進行分析。

拆卸分揀系統可以對各類產品的形狀、顏色進行自動識別，并自動偵測各零件的精度，并根據精度等級實現不同級別和特征零件的自動分類。

2.2 現代制造工程實訓裝置動畫設計與制作思路

現代制造工程實訓裝置動畫的制作通過現場觀看演示、結構測繪、拍攝照片與視頻等方式對設備的主要功能、結構、尺寸及各部件動作等關鍵技術參數進行采集、理解與掌握的基礎上，基于3D max技術，建立各系統的三維模型；并根據裝置整體功能實現及各站點動作要求，規(guī)劃動畫流程并設置動畫；基于不同材質、燈光等技術進行渲染實驗，進而確定渲染標準；最后基于制定的渲染標準，應用AE軟件，進行動畫的渲染輸出與特效的添加。

3 基于3D max與AE的現代制造工程實訓裝置三維動畫制作

3.1 三維模型的建立及場景搭建

計算機三維動畫首要的步驟是對客觀物體進行計算機三維模型重建，模型是三維場景的主體。目前廣泛采用的建模方法主要有四類，分別是：參數化幾何體與樣條曲線建模、復合對象建模、表面細分建模和patch 與 NURBS 高級建模[2]。本文應用的建模技術主要有以下三種：

1）二維圖形建模。即首先通過創(chuàng)建二維曲線，通過擠壓、彎曲、旋轉等三維操作將二維圖形制作出有一定體量的三維模型。文中的實訓裝置工作臺面、鋁型材支撐結構、規(guī)則形態(tài)零部件等模型均通過這種方式建立。

2）二維放樣建模。即通過二維曲線的組合，創(chuàng)建出像是欄桿、軟管一類形態(tài)重復的物體。文中立體倉儲系統中的塑料拖鏈等通過這種方式建立。

3）多邊形建模。即通過將復雜實物設想成多個簡單多邊形，通過調節(jié)多邊形的點、線、面，這樣多個簡單多邊形組合形成復雜實物的過程，通過對它的點、線、面的編輯得到任意模型，適合創(chuàng)建形狀復雜的模型。場景中的機器人搬運系統、顯示器、AGV小車等大多數模型均以這種方式創(chuàng)建。

由于該實訓裝置結構比較復雜，零部件數量多，為了保證后期動畫制作及渲染的順利進行，建模時要注意在不影響模型視覺效果的情況下，盡量減少點面數，避免由于模型數量過多引起的計算量急劇增大，甚至無法運行。在建立好該實訓裝置所有的模型之后，進一步根據該實訓裝置所處的環(huán)境，為其搭建一個適合的室內場景來豐富整體畫面效果。最終建立好的實訓裝置模型及場景如圖2所示。

圖2 三維模型及場景

圖3 動畫流程圖

3.2 動畫的設定

動畫是對物體屬性（包括位置、大小、形狀、色彩等）隨時間變化的運動軌跡的規(guī)范描述[1]?，F代制造工程實訓裝置演示動畫是一套演示設備主要功能與整體工作流程的動畫，因此制作之前首先應根據設備原型，制定出完整的動畫流程（如圖3所示），流程安排應盡可能順暢、合理，避免動作重復。

之后再制作各系統內部件與物體的具體運動。在計算機三維動畫中，對客觀物體本身、光源及虛擬的攝像機均可設置運動軌跡。該實訓裝置演示動畫涉及的運動物體主要有裝置中的運動部件、工件以及攝像機。運動軌跡的設定方法主要有關鍵幀法、關節(jié)運動法、變形運動法和物理量模擬法等四種[1]。裝置中大多數部件及工件的動作以直線運動為主，制作時主要采用關鍵幀法。立體倉儲系統中，塑料拖鏈在運動的過程中會出現伸縮變形，可采用變形運動法制作。機器人安裝搬運系統中的六軸機械手臂的旋轉、取放工件等動畫是制作中的難點，機械手旋轉運動采用關節(jié)運動法制作，制作時應注意處理好節(jié)點之間的關聯性以及動作之間的停頓，把握好機械手運動的節(jié)奏感。通過在“運動”面板中設置工件的高級鏈接關系動畫關鍵幀，可方便解決機械手從AGV小車等部位取放工件的動畫，輕松實現工件位置的轉換，如圖4所示。

在完成裝置的機械動畫之后，采用跟攝的方式設置自由攝像機的運動軌跡，使攝像機始終跟隨實訓裝置各系統內部件運動的被攝主體一起運動。跟鏡頭可使畫面始終跟隨一個運動的主體，被攝對象在畫面中的位置相對穩(wěn)定，這種方式能夠連續(xù)而詳盡地表現運動中的被攝主體，既能突出主體，又能交待主體運動方向、速度、體態(tài)及其與環(huán)境的關系。

3.3 渲染標準的制定

在完成裝置的動畫設定之后，為模型賦予材質、為場景設定光源，進行渲染調試，渲染調試主要涉及到兩方面的內容：

1) 渲染器的選擇。工程演示動畫的表現效果與影視動畫、角色動畫等所要求特定的藝術表現效果要求不同，應既客觀、真實，與動畫主體所處的實際環(huán)境相協調，又具有一定抽象性與概括性，因此選擇3D max內置的掃描線渲染器，既可節(jié)省動畫渲染的時間，又可達到需要的渲染效果。

圖4 工件高級鏈接關系設置

2) 模型材質及渲染參數的設置。模型及場景的材質設置以裝置自身材質為主要參考依據，根據畫面的明暗層次要求，將模型材質劃分為三類：環(huán)境場景、工作臺面等在畫面中處于次要地位的靜止物體、臺面上主要結構部件（鋁型材制造）及運動部件。對于環(huán)境及無動作的次要靜止物體，材質設置應在滿足質量要求的前提下控制材質質量，增大材質的模糊值，使其產生一種亞光的輕微反射感，避免環(huán)境場景過于精細逼真，過度吸引觀看者的注意力而喧賓奪主。主要結構部件及運動部件是動畫視覺的中心，材質設置時相應提高反射數值，并精細化調高材質質量。

按照以上原則，通過對動畫的輸出效果與輸出效率進行渲染實驗，確定動畫的渲染標準。

3.4 動畫的渲染輸出及特效添加

經過上述建立模型及場景、確定動畫流程、制作動畫，布置燈光、調節(jié)材質、渲染設置等過程之后，采取分段渲染的方式，在3D MAX中渲染完成序列，并將分段的序列導入After Effects中進行后期合成。After Effects 是Adobe公司推出的動態(tài)影像設計制作不可或缺的輔助工具，是視頻后期合成處理的專業(yè)非線性編輯軟件。

素材導入AE后，色彩上會出現灰暗的情況，可在現有層上增加一個調節(jié)層，增加曲線，通過調整亮度、飽和度等參數讓畫面整體色彩、明暗與層次關系更生動飽滿，視覺重點突出。通過添加一個固態(tài)層，為場景添加環(huán)形漸變過渡效果，使窗戶處的背景與整體場景相融合。通過為靜態(tài)光波圖層設置二維跟蹤功能、并添加線性擦除效果等模擬聲波掃描、紅外探傷等裝置特效。最后，設置動畫最終輸出參數與輸出格式，完成視頻文件的生成。最終合成的動畫如圖5所示。

4 結束語

現代制造工程實訓裝置三維動畫是典型的工程演示動畫，本文將3Dmax建模、渲染、動畫制作與AE后期合成技術相結合，基于該實訓裝置的功能、結構與工作原理，進行了動畫技術的研究與實踐，通過在制作過程中發(fā)現和解決技術上的問題，為相關領域的動畫制作提供了一種可借鑒的比較高效的制作方式與一些實用制作技術，具有較好的推廣應用價值。

圖5 最終動畫截圖

[1] 胡西偉.基于三維動畫與虛擬現實技術的理論研究[D].武漢大學,2005.

[2] 朱喜基.車輛防御性駕駛培訓中三維教學動畫設計研究[D].上海師范大學,2010.