基于多媒体技术的辅助运输设备演示系统设计与动画仿真

李尊忠 王 鹏

1皖北煤电集团公司钱营孜煤矿 宿州 234116 2上海民航职业技术学院科研处 上海 200232

0 引言

为满足现代煤炭企业对工作效率、劳动保护、安全生产的需求，众多中小型矿井选择发展高效矿井辅助运输设备，提高辅助运输系统机械化水平，缓解辅助运输效率低、配套差的难题。为推动公司辅助运输设备改造，与高校合作开发、应用了井下辅助运输设备演示系统软件，用于井下顺槽连续牵引车、无轨胶轮车等辅助运输设备的虚拟展示。用多媒体技术平台和动画仿真结合营造的虚拟设备场景，给用户带来身临其境的沉浸感和逼真体验。为推动虚拟仿真技术在机电产品展示中的应用，对其方案架构和动画仿真设计进行研究和阐述。

1 演示系统方案设计

选择系统开发平台。演示系统开发主流技术有手段有视频实景录制、通用编程软件开发、VRML虚拟现实平台开发等[1]。考虑到本项目的客户地域分散、网络接入条件差、项目开发预算少、富媒体信息量大，要求软件安装和使用简便，确定采用基于Authorware开发平台的多媒体技术进行开发[2]。

总体设计使用Authorware7.0版软件，该软件的优势是流程设计与资源合成，同时，还需要多媒体素材制作和编辑软件的支持。为此选用AutoCAD等制图软件造型建模、3ds Max及F1ash设计仿真动画、其他图像处理和音视频剪辑软件提升素材效果，形成的设计方案结构与相互关系如图1所示。在本项目中，除了Authorware流程设计外，最大的难点是动画仿真设计。

图1 辅助运输设备演示系统框图

2 动画仿真设计过程

2.1 动画仿真设计软件

根据需求分析和方案规划，从行业主流制作软件中选择3ds MAX 2008进行三维动画设计。这款软件功不仅提供了场景数据的分级视图、快速场景分析和复杂场景处理功能，而且能与同一公司的AutoCAD系列机械、建筑制图软件开展良好的协同工作。同时，该软件对硬件要求较低，支持多种格式的文件导入，便于利用其他软件制作的图形进行材质、灯光及动画处理。

虽然制作的三维动画能实现良好的视觉效果，但仍存在一定问题，如构件出现相互遮挡、重点不易突出、细节不易表达清楚等。因此，辅以Macromedia F1ash软件制作平面动画，将某些局部问题进行必要的简化和突出说明。F1ash是矢量动画设计软件的代表，可将音乐、声效、动画以及富有新意的界面融合在一起。两者融合可形成主要场景、主体功能用三维动画展示，局部细节用二维动画补充的表现形式[3]。

2.2 动画仿真设计过程

动画仿真设计过程先后完成了顺槽连续牵引车、防爆无轨胶轮车的建模及全景动画展示，牵引车车列过弯道、过压绳轮仿真动画，以及整车在巷道内运行的场景展示等设计内容。

以顺槽连续牵引车的动画制作为例说明制作过程：该套装置由无级绳绞车、梭车、钢丝绳张紧装置、主（副）压绳轮、尾轮及其他附属装置构成，具有造型对象多、结构复杂的特点。在分析设备构成后，确定对梭车、绞车、压绳装置在三维软件中重点建模或导入三维软件中制作的结构模型；对其他附属零部件用标准几何体或挤压成形导入的二维图形，经布尔、组合处理后生成[4]。做到重点突出、粗细结合，从源头上减少待处理的数据量。

当造型建模和贴材质后，一方面继续制作梭车等主要部件的展示动画，该部分较简单，重点是做好灯光和镜头的运用；另一方面是构建整车巷道运行的场景动画。巷道运行动画制作，首先定路径、建巷道、铺铁轨；其次根据路径特点和演示需要，将大场景分成4个镜头，从不同角度展现车列及井筒装备的动态效果；然后，分镜头将所需设备Merge到总图中放置好；接着调整摄像机、加入灯光、设置动画、渲染场景、输出视频文件；最后，在Video Post中加入过渡段和背景图片，合成整幅动画。

3 关键问题与设计技巧

3.1 灵活选用坐标系

3ds MAX中坐标轴的方向依选取坐标系而改变，进行变换之前必须先选定坐标系，确定轴的方向[5]。

World世界坐标系用来确定对象在场景中的位置，项目中的多数场景在这种坐标系下完成，Local局部坐标系用于倾斜物体沿自身轴线的移动、旋转。绞车铁轨建模中因对象与世界坐标系轴线间存在夹角，用世界坐标系或View视图坐标系设计速度慢且不精确，如选用某段轨道的局部坐标系，使铁轨沿Y、Z轴移动，可实现方便快速定位；压绳轮转动中，选取局部坐标系也可使轮毂方便地沿轴线旋转。此外，利用Pick拾取坐标系的方法也很便利，合理使用可把场景中任何对象的局部坐标系快速用作另一对象，如在布置无级绳绞车总图时，通过拾取轨道的局部坐标系用于其他物体的坐标系，可使绞车、压绳装置和枕木等快速沿轨道移动。

3.2 选择建模方法

三维动画建模的关键是选择合适的方法。首先，应明确3ds MAX是艺术展示工具，并非绘制图纸软件，要得到工业级零部件，可在专业绘图软件中建立平面模型，再利用3ds MAX的建模工具生成。其次，应把握多边形、面片、NURBS等建模方法的特点，依据具体情况评价。最后，建模对象的多边形数目和节点数目会对计算工作量产生极大影响，不应追求过高精确度，可用贴图代替面和节点的建立，不为渲染中不可见的部分建模，减少部分非必要的细节。

以无级绳绞车齿轮啮合建模为例，绞车中的大齿轮在AutoCAD中绘制平面标准齿轮轮廓，导入3d Max环境中，由齿轮参数确定旋转中心、齿距，在Hierarchy面板中将齿廓顶点调整到旋转中心，利用旋转阵列功能产生全部齿轮轮廓，再用合适的几何体与齿廓进行布尔运算完成轮毂建模。小齿轮的建模，则可以采用简易方法，直接在3ds MAX中挤压出近似的单个轮齿，再经旋转阵列得到全部齿形。齿轮啮合的动画的实现，可在动画设计状态下依据传动比调整旋转速度得到。

3.3 材质、贴图与照明的实现

在材质编辑器中进行材质设置。标准材质适用于大多数情况，可通过设置阴影中颜色、光线中颜色、高光中颜色等参数调节明暗特性。项目设计中，多数物体是在确定材质颜色后加入高光和环境光，根据材质特点采用不同的明暗模式，相应调整反光范围、强度、柔化、不透明度等参数，得到预期效果。

贴图中除选择通道和参数设置外，还要依据表面给定贴图坐标，贴图应在建模后进行以防止破坏坐标。井壁等复合材质对象，可在Diffuse贴图通道中贴入岩石图案并拷贝到Bump通道，将2个通道的数值调高以获得浮雕效果，再加上贴图坐标完成巷道场景。提前采集造型对象的实物照片，可大大减少材质纹理创建难度和数据处理量，产生逼真效果。灯光照明中的默认光源不适宜渲染。对于井筒等大场景，除区段照明外，还常常分区段采用三角形照明，或自拟照明方案以产生特殊效果。

灯光运用要求较高美学功底，项目设计中还采用将对象置于较暗的灯光下，利用阴影和反射烘托真实场景，掩饰工程人员艺术设计的不足。

3.4 摄像机与镜头的设置

摄像机是动画制作的核心要素。摄像机路径创建可通过为摄像机设定关键帧实现，或在场景中绘出路径再将其指定给摄像机及摄像机目标，后者更易控制，动画更流畅。直接为摄像机指定路径会使其限定在路径上，调整位置易破坏运动性质，若链接到虚拟对象上更易产生逼真效果。因此，通常沿摄像机移动方向用样条曲线绘制路径，再创建一个虚拟对象作为摄像机、摄像机目标和路径的媒介。

对于较大的场面，还要用多个镜头多角度展现运动物体。如无级绳绞车动画，用4个镜头分别从远方注视、后方跟随（自由摄像机链接到车列上）、前方跟随和前方俯视（目标摄像机固定拍摄）等角度表现车列运行时情景；无轨胶轮车用到5个镜头多视角反映其在起伏巷道中的运行情况。对于过压绳轮等局部动画，由于时间短，用多镜头会使变换过于频繁，可采取单独设置路径，将摄像机链接在与路径限定的虚拟物体上，调整路径顶点实现从不同视角观察车列运动、绳轮开合变化的效果。

3.5 渲染与后期制作的完成

场景制作后需对图像进行渲染，生成动画或效果图。若电脑硬件配置不高，会使渲染时间过长，出错又需返工。探索分段渲染、局部预览的方法，即将动画分成若干段，预览片段效果是否符合，检查无误后再利用空闲时间渲染。采用分布式网络渲染或云渲染方式，也可收到既缩短渲染时间，又有在意外中断时消除后继续原有进程渲染的容错效果[6]。

分段渲染得到各镜头视频文件后，需要集中合成。可采用Video Post软件，将渲染后的场景事件作为图像输入事件加入队列实现。增加或编辑场景事件的范围，能生成快慢不同的效果，对于车列过压绳轮和弯道等特效，可用这种手段慢镜头表现。

4 结语

本项目的实施，实践了三维动画与二维动画融合使用表现场景画面的仿真形式，探索了三维动画演示设备运行的步骤和关键技巧，验证了基于多媒体技术呈现机电设备主体结构与运行工况的技术路径。利用纯软件技术和简易设备增强用户虚拟体验的方法，能有效满足向分散在城乡各地的中小煤矿推广先进矿山设备的需求。不足之处的是参数由开发者预先设置，无法根据用户选用的设备型号动态调整，这也是下一步会继续研究的方向。