三维动画技术在钻机施工仿真中的应用研究

梁艳霞+陈功+贾振+陈建海

摘要：为探究三维动画技术在重型机械产品工作仿真中的实际应用，在分析研究三维动画仿真原理基础上，针对DTR2005H全套管全回转钻机钢管柱垂直插入施工工法，设计出了一套适合钻机施工工法动画仿真的思路和流程。研究了钻机施工工法动画设计制作的流程和关键技术，将动画仿真过程分为前期规划、中期制作和后期合成三大阶段，以3ds max软件为核心，综合运用多种软件，探索出了一套效果良好并切实可行的钻机施工工法三维动画仿真制作流程。解决了钻机施工工法动画仿真面临的现实问题，为相关机械产品动画设计与制作提供了案例启发和技术示范。

关键词：工业设计；三维动画设计；3ds max软件；钻机；施工仿真

中图分类号：TV43-39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0106-03

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，全套管全回转钻机以其新型、高效、环保的钻进技术，在城市地铁、高铁、城建桩施工、水库水坝加固， 以及废桩和地下障碍的清理等项目中得到了广泛的应用。由徐州盾安重工研制的DTR系列全套管全回转钻机，实现了施工人员在卵、漂石地层、含溶洞地层、厚流沙地层、强缩径地层、各类桩基础、钢筋砼结构等障碍还没有清除的情况下就可以进行灌注桩、置换桩、地下连续墙的施工以及顶管、盾构隧道无障碍穿越各类桩基础的可能，为各种大型工程项目的高效、环保实施起到了至关重要的作用[1]。由于盾安重工DTR全套管全回转钻机是大型工程机械，其重量因型号不同可达25～55吨，因而产品在营销推广和人员培训等方面面临难以展示实物，以及难以表达清楚工作原理等困难，而计算机三维动画技术则可以弥补此方面的不足。本项目即对DTR2005H系列钻机钢管柱垂直插入施工工法[2-3]进行三维动画仿真与研究。

1 钻机施工仿真动画设计思路及流程

三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一门新兴技术，它可以非常形象地表现产品的外观、性能、用途及结构 [4]。而工业三维动画是指制造业中用于展示工业制造与设备的科技、工法、材料先进性的三维演示动画，目前广泛应用于石油、矿藏开采、原材料、电力、化工产品的制造及加工、机械设备制造、轻工业制造，以及医療设备与教学研究等领域。对于工业企业来讲，工业三维动画主要可用于展会、培训、网站，以及项目汇报、行业会议、奖项申报、项目竞标、售后维护等方面[5]。

在项目合作初期，经与企业领导和相关人员的沟通，企方认为对于很多客户来讲，全套管全回转钻机的施工工法难以理解，是企业与客户沟通的重点和难点，因此，针对此实际需求，本项目着重对DTR2005H全套管全回转钻机钢管柱垂直插入施工工法流程进行了三维动画设计与仿真。

在充分研究工作对象后，将钻机动画仿真过程划分为三个阶段，即前期、中期和后期。前期是整个动画作品的规划阶段，在此阶段要对DTR2005H全套管全回转钻机的工作原理、施工工艺流程、关键部件工作过程、以及相关的结构造型和具体尺寸有着非常清楚到位的理解与把握，该阶段工作准备是否充分直接关系到后续工作进展的顺利与否，在充分准备的基础上规划、设计分镜头脚本。中期则根据前期规划好的分镜头角本，开始着手进行三维动画的设计与制作，该阶段的主要工作是对各相关软件的熟练应用。后期主要进行非线性编辑工作，包括加入特效、音效和字幕等内容。其中要注意的是，前期是对动画效果的构思和整体把握，基本决定了动画的画面风格和节奏；中期主要选取合适的动画制作软件，本项目选取了3ds Max软件；后期在进行动画编辑时，要兼顾动画的节奏[6]。产品仿真动画设计流程见图1。

2 钻机施工仿真动画设计关键技术

2.1 前期规划与准备

确定设计对象之后，经项目组成员反复讨论、沟通，拟定出动画脚本。根据该施工工法流程，从动画设计角度可划分为10组镜头，每组镜头表现施工过程中的一个环节。在动画时间分配上，重点放在了钢管柱的主要工作——下压过程，该部分时长约占动画总长的三分之一，其它流程依据其重要程度分别给予适当的时间分配。在画面表现上，根据不同的工作进程，灵活采用了摄影机拉近、推远，以及俯视、平视、仰视等不同视角，以表现不同的场景和对象。总之，整体规划体现出主次分明、重点突出、灵活表现的设计思路和风格。分镜头设计见表1。

2.2 中期动画设计制作

2.2.1 模型制作

由于整套系统模型非常复杂，因此企业提供了Pro/ENGINEER软件绘制的钻机总装CAD模型，将此模型进行文件转换，导入到3ds Max软件中，并进行调整和优化；此外，根据场景需要，在3ds Max软件中建立了全新的产品模型如：吊车、钢立柱、动力站系统、大小钢筋笼、水泥灌注成套装置，以及场景类模型如：施工场地、桩孔、建筑物等，整体模型如图2所示。

2.2.2 材质贴图和灯光设置[7]

为了让三维场景更加真实、美观，在3ds Max软件中给系统的各个部分分别赋予相应的材质或贴图，包括：钻机系统、吊装系统、灌注设备、砂石、水泥、建筑场景等。灯光采用了3ds Max系统自带的灯光系统，并进行适当调节。

2.2.3 分镜头制作与调试

分镜头的制作根据分镜头脚本要求来进行。根据钻机工作的工法流程，整个过程共设计了10个分镜头，主要包括：吊装过程动画、定位过程动画、钻机工作动画、钢立柱动作动画、基础桩砼动画、回填过程动画、灌注过程动画、夹紧过程动画、摄影机变换动画及产品进出动画等。制作时，先要在3ds Max 中加入摄影机，其中绝大多数镜头都需要移动摄影机位置，为某一镜头摄影机设置位置关键帧，固定镜头的摄影机设置只需调整其画面位置。时间配置器选择PAL制式，根据需要调整动画时长。每一个分镜头制作完成后将其文件单独保存。总之，分镜头制作就是先设置摄影机，后设置动画制式时长和关键帧，最后保存文件的过程。endprint

2.2.4 关键帧渲染与输出

针对每一分镜头，对3ds Max文件中的一些相关参数进行设置后再渲染输出[8]。在渲染命令面板中主要设置动画的渲染器、时间输出范围、输出大小、分辨率以及文件保存位置等信息，设置完成后即可进行渲染输出。由于整个系统场景宏大，模型复杂，因此渲染相当费时，在一个中型工作站上连续渲染了36小时才完成。

2.3 后期合成与编辑

将分镜头的图片以TIFF 序列图片格式导入到After Effects[9]软件中，After Effects是Adobe公司推出的一款专业视频特效编辑软件。在After Effects中，为合成动画加入片头、片尾、字幕、背景音乐及特殊效果。建立新的合成组时，要注意基本参数要和视频一致，将序列图片动画放入合成组，在画面合适的位置为画面添加文字旁白，调节透明度，使文字在画面中渐显渐隐，同时为每个分镜头之间的切换添加转场效果。根据分镜头脚本为每个分镜头添加文字旁白和特效[10 ]后，将制作好特效的分镜文件输出图片序列。最后为整个动画添加音效，播放动画时根据音效的起伏略微调整分镜的长短，调整好后设置视频输出路径和输出编码格式，完整的DTR系列全套管全回转钻机钢立柱垂直插入工法动画制作完成。最终制作成的动画局部截图如图3所示。

3 结语

本文基于DTR2005H系列全套管全回转钻机钢立柱垂直插入工法动画实际项目，对工业三维动画制作思路與流程进行了研究与探索，将动画仿真过程分为前期规划、中期制作和后期合成三大阶段，以3ds max软件为核心，并综合运用Pro/ENGINEER、After Effects、Photoshop等多种软件，探索出了一套效果良好并切实可行的钻机施工工法三维动画仿真制作流程，制作出了长约3分钟的动画短片，该短片已被企业用于官方网站、手机场景秀以及电商平台，对企业在客户交流、产品宣传、人员培训等方面起到了至关重要的作用。项目为重型工业产品动画设计与制作探索出了一套效果较好、切实可行的三维动画仿真流程，解决了重型机械动画制作面临的问题，为后续的重型机械产品动画研究提供案例借鉴和示范，具有较好的推广应用价值。目前我们国家在工业三维动画方面与发达国家还存在着较大差距，相信随着中国工业不断产生更多领先企业和中国会展业的蓬勃发展，工业三维动画制作行业也必然进入行业快速成长期。

参考文献

[1]陈卫正.全套管全回转钻机减速箱箱体性能分析及结构优化[D].长春：吉林大学，2014.

[2]沈保汉.盾安DTR全套管全回转钻机喀斯特地层大直径灌注桩施工工法（上）[J].工程机械与维修，2013.12：112-117.

[3]沈保汉.盾安DTR全套管全回转钻机喀斯特地层大直径灌注桩施工工法（下）[J].工程机械与维修，2014.1：102-104.

[4]韩波.三维动画审美谈[M].北京：中国书籍出版社，2012.

[5]殷俊，宿子顺.基于iOS平台的功能性动画设计研究[J].机械设计，2013.30（9）：120-122.

[6]陈于书，蔡葵.三维动画技术在家具产品设计中的应用研究[J].包装工程，2017.38（2）：136-140.

[7]金照，黄琼涛，张荣强.基于3DVIAComposer的产品虚拟展示与设计[J].机械设计，2015.32（11）：119-122.

[8]田红，韩晓红.云计算技术在高校动漫专业渲染阶段的应用[J].自动化与仪器仪表，2014.12：131-132.

[9]李华平.数字影音处理（After Effects CS6）[M].北京：电子工业出版社，2016.

[10]张蕾.浅谈后期特效在《机械城》中所起到的作用[J].山东社会科学，2016.6：568-569.endprint