CATIA与3DS MAX在汽车工厂三维模拟动画中的应用研究

■机械工业第九设计研究院有限公司 柳林 陈戈 李丰

传统的汽车工厂产线设备设计在交流和展示上是枯燥乏味的，产线设备设计往往只注重设备本身的功能、结构、成本以及是否满足工艺要求等，缺少对设计表达与对外沟通、展示方法的研究。当前，汽车行业已经开始向数字化转型，产品数字化、设计数字化、施工数字化、运维数字化已成为行业趋势。因此，在设计阶段如何充分利用数字化手段对设计成果和设计过程进行三维可视化表达，如何利用三维形体、材质、光影、动态模拟的方法充分展示产线设备的运动规律，并将运动规律和产线布局记录并展示出来，并能够与各专业设计人员和项目甲方进行积极、有效地交流，成为多方案比选、支撑项目过程中方案快速变更、最终确定优化方案的重要环节。机械工业第九设计研究院有限公司技术中心数字化部将CATIA、3DS MAX、VRay软件相结合，利用三维动画技术对汽车工厂产线设备“设计数字化”进行了较为深入的分析与研究。

CATIA模型解决方案

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案，在汽车行业应用广泛，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。设备工程院目前采用CATIA V5R19软件进行非标设备，机械化输送设备的三维建模。

环境设置

通过自行开发的“CATIA开发工具包.EXE”执行程序对软件环境进行快速部署，从而满足工程院对软件字库、尺寸标注、文本注释、出图样式等标准绘图环境的要求。程序包含了标准化产品快速建模工具集（图1）、出图工具集（图2）和快捷设计工具集。工具集的开发，大大提高了设计师的设计效率，简化了设计流程。

图1 快速建模工具集

图2 快速出图工具集

制作和导入CATIA轴网

基于TeamCenter软件实现了跨专业的协同设计，协同设计必须有统一的工艺布局轴网。使用Plant Layout模块将.DGN格式的轴网转换为CATIA格式的轴网，将轴网文件通过TeamCenter下发给各工程师。

设备快速建模

通过定制开发的快速建模工具对模型进行创建。以室体为例，在CATIA中运行室体快速装配工具，用户选取壁板、端板、灯箱、操作台、接水盘类型，输入室体宽度、高度以及每个标准段的长度，即可快速生成室体模型（图3）。

图3 CATIA室体三维模型

产线布局

每个工程师基于轴网进行设计并布局，在布局过程中充分发挥快速建模工具的使用效率，使设计构思以三维方式快速展现，对产线的每一个节点模型进行精细化设计，最终通过Teamcenter协同平台展现涂装线三维汇总成果。

在NavisWorks中，将涂装设备三维模型与土建公用专业的Revit模型进行合并（图4），从而实现了各工程院、各专业的三维协同设计，提高了设计成果的准确度。

图4 工厂三维汇总模型

模型导出

完成的CATIA产线模型另存为CGR轻量化模型文件，在经过3DS MAX模型优化处理后，可进行三维产线模型的材质、灯光处理工作。

3DS MAX模型解决方案

3DS MAX是Autodesk（欧特克）公司基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏以及工程可视化等领域。

模型导入

3DS MAX可以直接导入CATIA的CGR文件，导入过程中需要对导入设置进行调整，转换网格应设置为打开，上方向轴应设置为Z轴向上，层次模式应设置为展平。网格分辨率越高，导入后的模型越精细，越能充分还原CATIA模型的细节，但是更高的网格分辨率会增加模型的面数，过多的面数会影响3DS MAX运行速度，因此，网格分辨率数值的多少与电脑设备的性能相关。

3DS MAX默认的层次模式为使用组，“组”在3DS MAX中是一个重要的概念，它可以将多个模型组合在一起，使之能够共同移动、旋转和缩放，便于对模型进行选择和管理。但是大量的“组”会过多地占用软件系统资源，增加CPU和显卡的工作负担，使软件视口操作的流畅度变得很低，甚至造成系统崩溃。3DS MAX中模型组的数量与CATIA装配结构树的层级数量有直接关系，例如，CATIA中模型的装配结构树层级数量为5层，那么当模型以“使用组”的方式导入3DS MAX后，其“组”的数量也为5层。所以导入CATIA模型时层次模式需选择“展平”，“展平”功能是将模型中所有的“组”关系全部炸开，炸开后的模型以单体零部件的方式存在于视口中（图5），模型的格式为“可编辑网格”。

图5 导入后的模型

模型坐标

CATIA软件的坐标数据可与3DS MAX的坐标数据完美衔接，导入3DS MAX中的模型都具备单独的坐标数据，依据这些坐标数据可以将CATIA产线模型在3DS MAX中进行重组。模型的坐标数据利用3DS MAX的“选择并移动”工具即可查看。

导入模型后需要对“重叠”（图6）的模型进行修正，否则在渲染过程中“重叠”的部分会显示为黑色色块，导致图像显示不正常，动态图像会出现严重闪烁。修改模型时，宜将模型的格式转换为“可编辑多边形”，利用“边”“面”功能对模型进行修正。模型整理完成后应使用“塌陷”命令对同一类别的零部件进行“塌陷”，使之成为一个整体，减少3DS MAX中的模型个数有利于提升系统的运行效率。

图6 模型重叠

材质调节

对于金属材质的调节，应使用VRay材质球，在反射层级中应加入Falloff贴图，通过控制“前”和“侧”两个方向的颜色数值进而控制近处反射和远处反射的强度，并将衰减类型设置为Fresnel。光泽度用来控制金属表面的磨砂质感和高光范围，数值越小，磨砂质感越强、高光范围越大，数值为1时无磨砂效果、无高光。特定情况下将光泽度设为1可有效控制漆面曝光，具体方法需根据场景环境、灯管布置方位和强度进行综合分析。

对于油漆材质的调节，应使用VRayMtl，在控制面板中启用Fresnel反射。将反射色值设置为200.200.200，光泽度设置为0.85，使油漆表面产生一定的高光效果。通过控制漫反射的色值和加入贴图的方法来控制油漆表面的颜色和图案。

对于塑料材质的调节，应使用VRayMtl，在控制面板中启用Fresnel反射。将反射色值设置为100.100.100降低反射的强度。光泽度设置为0.7，使塑料材质表面产生较大范围的高光。同样通过控制漫反射的色值和加入贴图的方法控制塑料表面的颜色和图案。

对于厂房的地面材质调节，可以使用3DS MAX默认材质或者VRayMtl，常用材料为环氧地坪、金刚砂地坪、水泥地坪等。不同的材质反射强度和高光大小均不相同，其中环氧地坪反射和高光效果最强应使用VRayMtl调节。水泥地坪的反射和高光效果最弱可使用MAX默认材质调节。VRayMtl需结合漫反射贴图和周围环境需对Fresnel反射、光泽度、Falloff贴图进行合理控制，才能产生较为真实的渲染效果。

动作调节

模型材质调节完成后，需要将模型按照设备运动轨迹的要求进行分区成组，成组后的模型便于进行设置动画（图7）。设备动画的设置应完全基于设计节拍进行调节，设置动画前需先激活“时间配置”工具，“帧速率”需设置成“PAL”，“PAL”制的帧速率为25帧/秒，也就是每秒通过25张图像。如果需要制作4秒钟的动画，需要200帧，也就是渲染输出200张图像。

图7 旋转棍床模型成组

时间长度设置完成后，需激活“自动关键帧”按钮，然后选择成组的模型对其进行位移和旋转操作，模型的每一个动作都会以关键帧的形式记录在时间轴上，对关键帧的位置进行调节会影响模型的动作效果。

光源解决方案

VRay穹顶光源

在三维场景中光源是一项非常重要的元素，三维动画最终效果的好坏与光源照明效果的质量有着密切关系。VRay穹顶光源适合规模较大的室外镜头场景，用来模拟自然光照中的天空光。光源颜色通常为冷色，在其选项中需将“不可见”勾选，否则在场景中会出现大量曝光现象。光源采样的细分数值应不小于16，可保证模型阴影面不会出现大量的噪点，同时还满足计算速度的需求。

VRay平面光源

VRay平面光源适合模拟室内环境中的天空光（图8），色值应设置为170.220.255，平面光源的长宽尺寸应小于窗户的尺寸，其好处在于窗口处模型不易因光照强度太强而产生严重曝光的现象，窗顶严重曝光的情况下平面光源应考虑设置一定的照射角度。在设置选项卡中，应去掉“不可见”和“影响反射”的勾选，避免在车漆材质中出现严重曝光的情况。光源的采样数值在渲染实践允许的情况下应不小于20，同一位置尽量使用一个平面光源模拟光照效果，过多的光源数量会严重影响渲染计算速度。

图8 模拟窗口天空光

VRay太阳光

VRay太阳光是基于物理真实的一种光源，光照的颜色和强度与光源高度位置相关联，光源越高照射强度越强，颜色越接近于255.255.255，光源越低照射强度越弱，颜色越接近于暖黄色。光源强度宜从0.025开始逐渐调试递增，阴影细分数值不宜小于8，避免阴影处产生大量噪点。“大小倍增”数值直接影响投射阴影边缘的锐利程度，数值越小阴影边缘越锐利，数值越大阴影边缘越柔和，具体数值需根据实际渲染效果进行设置。

渲染器设置

VRay是由chaosgroup和asgvis公司出品的一款高质量渲染软件。VRay是目前业界最受欢迎的渲染引擎。基于V-Ray内核开发的有VRay for 3DS max、Maya、Sketchup、Rhino等诸多版本，为不同领域的优秀3D建模软件提供了高质量的图片和动画渲染，便于使用者渲染各种图片。

全局照明（GI）

全局照明是VRay渲染器的核心组成部分，能够提供快速和高质量的光源计算方法。在进行厂房内光源计算时，通常使用发光贴图和灯管缓存两种引擎进行计算。发光贴图的计算等级宜设为中等，细分数值不宜小于100，插值采样不宜小于45，应启用“显示计算相位”，在预渲染的过程中即可观察光照的效果并可依据效果随时中断光源计算，避免因无效渲染而造成时间浪费。光子的计算模式应设置为“动画-预通过”，光子的尺寸大小可与输出图像尺寸相同，如果渲染时间紧张，可将光子尺寸设为输出图像尺寸的1/2。灯管缓存的细分数值不应小于1000，光子计算模式应设置为“穿行”。

曝光控制

曝光控制是控制画面质量的重要因素，画面中过度的曝光会使画面看起来不真实，甚至有些模型的高光处会出现纯白色亮片。在VRay中推荐使用“莱恩哈德”的颜色贴图模式对场景进行曝光控制，倍增数值应在0.65左右进行调整，如果数值为1，则控制曝光的效果最差，但画面色彩的色相和饱和度效果最好。如果数值为0，则控制曝光的效果最好，但会牺牲画面色彩的色相和饱和度（图9）。

图9 莱恩哈德模式数值0.65渲染效果

总结

采用CATIA与3DS MAX软件相结合的方式制作汽车工厂非标设备三维模拟动画，能够充分发挥两个软件的优势，避免无效重复建模工作，提高了工作效率的同时又保证了模型的精细度，使复杂、单调的汽车工厂设计工作实现了三维可视化。三维动画技术弥补了设计语言表达不清的痛楚，使非专业人员能够快速、清晰地理解设计师的设计意图，提高了土建、公用、设备各专业之间信息交流与协作的准确度。