三维动画设计在钻机设备中的应用与研究

    陈果

    

    

    摘要：三维动画设计在煤矿井下钻进技术的研究具有周期短、见效快、创新前景等优势。将点线面体基本构形原理引入到多边形建模中去，总结出相对产生较少点面數和更简单的建模方法，在钻探设备等工程可视化和运动仿真方面有益探索，实现工程技术与视觉艺术的有效结合。

    关键词：三维动画 点线面 工程机械 可视化

    中图分类号：J0 文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2017）04-0116-02

    引言

    技术革命与更新不断加强，带来了国内外的煤矿井下钻进技术隔阂的逐渐缩小，也拉进了国内外各大煤矿钻进技术研发企业之间的距离，通过相互交流和沟通，同时带给国内各大企业许多机遇和挑战。无论国内外，将三维动画设计引入到煤矿井下钻进技术研发过程中的成功案例很少，在这方面做的研究与工作比较匮乏，在很大程度上影响着技术层面问题的及时反馈和技术革新。

    一、三维动画前期设计

    在开始三维动画设计之前，必须要经历具有创意阶段的前期工作，要考虑通过怎样的手段和方式来展现动画设计者的所有想法以及需要表达的东西，也就是需要对整个三维动画设计制作进行整体规划和思考。前期设计关系到设计准备是够充分，影响到动画项目完成的效果好坏，因此，制作团队需要对前期设计工作给予充分的重视。

    但是，前期设计不是天马行空，需要落实到需要表达的每一个角色、场景和动作之中，在煤矿井下钻进技术与装备的三维动画设计当中，按照实际井下施工现场和施工过程的要求，严格依据工程机械设计的严谨性，需要实体反映煤矿井下钻进技术与装备的完整过程。在特定的环境条件下，三维动画表现需要满足亲和力、冲击力和说服力三个原则。前期设计是后续工作的灯塔，需要对后面的制作和后期合成负责，清楚所有场景镜头和动作之间的衔接关系等。总结为：把合适的“东西”放在合适的“地方”。

    三、三维动画制作

    三维动画其实就是利用人类在观看过程中视觉残留的特点，以非常快的速度播放了一系列的序列静帧效果图像，这样可以在视觉上由于视觉残留会产生动态的效果。通过电脑制作三维动画中的运动不仅包括动作之间的变化和变换，还有场景、角色等运动变化以及三维软件中虚拟摄像机的运动、纹理贴图和所有色彩的变化等。三维动画通过软件制作的一般流程都是从建模、赋材质、灯光设置、动画设置调试到渲染后期合成几个阶段。

    四、点线面原理建模

    在钻机建模当中采取模型建模编辑形式是在多边形编辑模式之前加入点线面体的构体原理。根据立体构成原则的点线面体等构成基本要素，由于机械模型的严谨以及规整，在钻机三维模型经过分析之后，了解到有许多的模型是不需要转换成编辑多边形，只需要采取从二维平面模型转换到三维立体模型即可。这样省去了大量的点线面，不需要占据很多的电脑系统和软件内存，能够在最大限度上加快机器的运行速度。有的模型相对比较复杂的话就需要将已经由二维平面模型转换得来的三维模型转换成编辑多边形，再在编辑多边形的修改卷展栏下进行修改和调整。下面是以钻机模型中最简单的内六角圆柱头螺钉的模型建立为例。

    取M12螺纹标准的内六角圆柱头螺钉为例，螺帽外径为18ram，内六角对角线距离为11.43mm，螺帽高度为12mm，内六角深6mm。在了解主要关键尺寸之后开始三维设计软件中根据点线面构型原则来建立螺帽的三维模型。

    大致建模步骤如下：

    1.在图形面板中选择圆命令，设置圆半径为9mm，在顶视图创建一个圆（circle001）；

    2.以同样方式在顶视图创建一个多边形（NGon001），设置半径为5.7mm，边数为6（即正六边形）；

    3.再通过“对齐”命令（快捷键Alt+A）将两个二维模型对齐中心和轴点，确保两图形在一个平面上；

    4.将之前创建的圆（circle001）转换成“编辑样条线”，通过编辑样条线下的附加命令将正六边形（NGon001）附加到圆（Circle001），这样两者就是一个整体曲线；

    5.给上一步完成得到的图形添加“挤出”（Extrude）命令，挤出量为6mm；

    6.将上一步得到的三维模型添加“编辑多边形”修改器，将其转换成“编辑多边形”，在编辑多边形的“面”层级下，删除掉选择的底部“面”，在“点”层级下选择被删除底部的面留下的外围圆的点向下移动6mm，在“边界”层级下，选择底部外围边界和内六角边界进行封口；

    7.在“面”层级选择底部刚封口的圆形面，进行“插入”（Insert）和“挤出”（Extrude）命令得到了简易的内六角圆柱螺钉（如图1）。

    由于螺纹部分是在被固定零件的内部，在外部是不可见的，所以在建模过程当中需要对这些外部不可见部分进行最大的简化或者不表现。上述方式完成得到的内六角圆柱螺钉共计124个顶点和93个面，（如图2）。可以对比相同效果的比较常见的建模方式，即通过布尔运算得到的编辑多边形的内六角圆柱螺钉三维模型（如图3）。可以发现效果相同的情况下，前者的点数和面数要少于后者。钻机上面像这种内六角圆柱螺钉将近几百个，也就是说，前者建模方式在最终完成钻机三维模型的点数和面数上省掉了很大一部分的点数和面数，大大降低了内存占用率和运行压力。从每个细节上面都能够节省掉很多的点面量，这也给后期渲染合成减少了很大的压力，同时也能够节省制作周期。因为点面量越多的模型，在后期渲染耗费的时间就越长。

    在钻机三维动画设计制作中，大部分零部件的建模方式都是采取与上述的内六角圆柱螺钉模型的相同建模方式，比如有履带、油缸、动力头、钻杆、钻头等关键部件。另外，在建立这些模型之前，根据企业提供的该型号钻机的零部件尺寸图，对整体钻机进行局部细节与整体外观分析，需要省略掉从外部不可见的零部件，比如，油箱由于是跟随着钻机的底座一起运动，油箱本身没有相对于钻机底座的运动，因此在建立钻机上的油箱模型时，只需要表现长方体油箱的外观形状以及油箱上端和侧面的滤油口、进油口和油管连接件。直接省略掉油箱内部复杂的油管连接结构和油路走向结构等，这些不可见的部分零部件就需要被省略掉，在最大限度上减少整体模型的点面量，减少计算机的运行压力，也提供给后期充足的时间参与到设计当中来。点线面立体构成原理应用到三维动画软件建模中，在多边形编辑之前加入该原理的运用，能够清晰地引导建模的思路，对设计师建模时候三维空间立体感也有一定的提示和提高，能够在很大程度上加快建模以及整个动画制作的效率。运用此中方法建立的三维模型（如图4）。

    五、模型优化问题

    由于模型在建立过程中和建模完成的渲染工作中，都需要对模型进行优化，确保各方面的最优。这对三维动画设计师的个人技术和素质有很高的要求，所以在钻机以及场景的建模过程中需要对以下几个问题进行优化考虑。

    1.对于钻机很复杂的零部件，模型需要是多边形物体。这些模型在建立之前需要考虑多边形建模的方法。这些模型都是在编辑多边形的基础上添加点线面原理的建模方法，总体模型形状是由点线面原理的建模方法得到的，模型的细节部分就需要通过编辑多边形的模式来调整得到。另外，最终的输出模型需要调整为网格（mesh）格式。

    2.模型在细节方面要做好，网格分部要合理。比如，在表现部分类似平直的外形结构时就要尽量减少网格的分段数，最好只取两端面来表现平直结构；在表现外形结构弯曲的部分时候就需要分配多一点的网格。以点面数最少为原则，在适当的外形结构上运用适当的网格分段数。

    3.在场景中使用图片形式来表现三维模型。在许多三维动画中，许多背景场景都是采用实景照片代替场景模型，这种方式在建筑动画中应用很广。使用实景照片代替三维模型能够节省掉大量的三维模型，而在煤矿井下钻场中，背景场景的面积比较有限，就不需要运用实景照片来代替背景场景。

    通过研究将立体构成中的点线面体的构型原则引入到建模方法中，探索到一种在大型机械设备建模中节省大量点面数的建模方法，同时也能够节省大量的时间。

    结语

    三维动画作为视觉艺术的一种表现形式，被越来越多的公众所熟知和认同。随着三维技术的快速发展，三维动画也会在工程可视化领域有着更广阔的前景，同时也能够给工程机械行业带来创新和良性社会效益。