卡车“双人6区65步点检法”三维动画研发及应用

鹿立新

（国能宝日希勒露天煤矿，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

随着现代生产设备朝着大型化、高速化和自动化方向发展，生产过程中任何设备出现故障都会影响生产的连续性，导致生产计划的延迟并造成企业不可挽回的经济损失[1-2]。为避免设备运转过程中的故障发生，传统的周期性计划维修模式和事后检修模式逐渐向点检模式转变。这种模式更迭不但能避免周期性计划和事后维修的弊端，还能为设备安全运行和企业效益最大化奠定基础[3]。点检作为设备预防维修的基础，既是现代设备管理运行阶段的管理核心，也是现代设备管理意识的延伸和实施[4]。通过对设备的点检作业，可以在设备早期劣化时采取恰当的维护措施，将故障隐患在萌生初期得以消除。为增强点检作业的可行性，前期点检培训的有效性、实用性和适用性尤其值得关注，这就要求提高点检人员对设备上规定部位（点）进行有无异常的预防性周密检查的熟练度[5-6]。事实证明，形象直观、表现力丰富的三维全仿真点检培训不仅可以激活点检人员学习的兴趣，而且可以帮助他们理解掌握培训教材上的知识。清晰化、可视化的三维点检流程动画不但获得直观生动的感性认识，而且更能加深对点检内容的理解和掌握。

1 工业机械仿真

机械仿真动画采用三维动画技术模拟机械的外形、材质、零部件和内部构造，把机械的设计原理、工作过程、性能特征、使用方式等一系列真实的事物以高清逼真的仿真动态视频的形式演示出来[7]，这种以动画片的形式展现机械制造与工作原理，全方位的动态视频化产品演示，有利于指导实际生产，也可作为客户使用产品时的操作指南。可以根据机械设计图纸将机械的形状、功能等逼真地模拟出来，便于测试、修改和完善，降低了设计和制造风险，节省了实物样品制造和修改的巨成本[8]。机械仿真动画的发展正在从基于线性播放的视频形式向三维仿真系统的开发与设计方向过渡，一方面利用三维软件进行设备的前端建模，并在虚拟引擎中全仿真互动应用；另一方面利用编程软件进行开发环境、数据库等设计，形成前端可视化内容与后端控制程序双向数据反馈，从而使操作者在此虚拟全仿真环境中进行自由360°无死角观看，移动、旋转、交互等一切动作[9-10]。

以自卸卡车“双人6 区65 步点检法”为研究对象，在三维虚拟操作环境中，按照技术人员规定的尺寸、样式等来建立模型以及场景，并根据表现效果，灵活调整模型动画参数、运动轨迹及软件虚拟摄像机的运动方向等，在确定材质和环境灯光基础上，自动运行并生成动画，形成真实性、可观性强的培训视频。“双人6 区65 步点检法”动画方案设计如图1。

图1 “双人6 区65 步点检法”动画方案设计

2 自卸卡车点检三维动画方案建模

1）建模准备。依据提供的设备点检的各种资料进行分析，总结出技术难点、重点，为建模工作做好前期准备。通过对资料理解、剖析与现场调研，确定所需设备的现场拍照、摄像，并及时对技术难点、重点现场解决；同时针对每个设备点检的内容做真实还原性的原画脚本分析并积累各种制作素材。

2）设计创意。将动画中涉及的前台UI、动画风格、界面风格、色彩管理、后台程序等进行综合的美学设计、结构设计。

3）模型开发。完成建模整体可行性分析，在达到指标、涵盖应用点的前提下，进行方案优化，确定最终方案内容，从而对每个环节进行针对性开发工作。同时，在对象动画制作后，要从配色、知识点内容、动画表现等方面全方位检查，并做出适当调整。

4）成品应用。卡车“双人6 区65 步点检法”三维动画帧数不低于25 fps，成品动画声音采样频率44.8 kHz，并可输出多种通用格式，可以各种终端进行播放。

3 点检三维动画设计准则

“双人6 区65 步点检法”三维动画研发及应用是在65 步点检法文案框架基础上进行的三维可视化视频扩展讲解。涵盖1 区车辆左前方部位点检、2区车辆左后方部位点检、3 区正后方部位点检、4 区右后方部位点检、5 区右前方部位点检、6 区正前方部位点检共6 区65 步点检。为全面性演示点检过程并达到培训效果的最优，将成品三维动画视频设置总时长不低于1 h，高清视频预制为1 920×1 080 分辨率，使员工既能获得直观生动的感性认识，又对点检内容具有深刻的理解和掌握，从而为设备实际操作和问题排查奠定必要的专业基础。为此，“双人6 区65 步点检法”三维动画成品必须满足以下设计准则。

3.1 音频和图形图像

1）音频。标准普通话配音，必须执行国家广电部播音标准及规范，吐字清晰、流畅，断词、断句恰当；音频。解说声与现场声无明显比例失调，解说声与背景音乐无明显比例失调，所使用音频必须经过去噪、放大、细节修改环节，使用降噪水平、降噪率、精度、平滑度和波段宽分别为3、40%、11、3 与1。为方便使用，音频数据格式为WAV 或MP3。

2）图形图像。图形（像）素材格式制作为JPG、GIF、PNG 或BMP 格式之一。涉及的原理、结构和电路图均用AutoCAD 绘图，其中彩色图像的颜色数不低于16 位色数，灰度图像的灰度级不低于128 级。

3.2 动画

1）二维动画。色彩协调、文字规范；动作轨迹标准，运动层次感强；画面简洁清晰，界面友好；动画连续，节奏合适；图像清晰、色彩和谐、演播流畅，静止画面时间不超过5 s；动画帧频为25 帧，动画统一设定模板、颜色，标题大小。

2）三维动画。四边面进行制作，三维模型布线拓扑要求整齐，无杂乱布线，避免出现多边面及三角面；模型单位、尺寸统一为厘米；模型提供光滑组；还原质感真实模型需制作UV；模型无交错面、无空置点。对于UV 设置，要确保UV 和模型、场景之间的比例，在保证场景比例的情况下，重复度越小越好。同时，结构复杂的物体需要使用UV 展开。

3）材质。贴图格式为PNG，不小于1 024×1 024；贴图需提供diffuse 贴图、metal 贴图、roughness 贴图、Alpha 贴图。

4）动画。机械设备动作要自然流畅，符合真实设备运动规律；人物动作自然流畅，符合人体运动规律，；摄像机镜头动画要求节奏自然流畅，不能出现抖动画面。

5）灯光与阴影。为了与中前景分离开来，前景物体的灯光人为压暗，背景物体的灯光视情况而定，要保证镜头中主体被照亮，结构被看清。在颜色上，灯光多利用冷暖色，产生对比，且单个物体多用三点光，单块区域使用三点光。在阴影布局上，要确保阴影多为柔和色，不能太暗，且要呈现偏蓝色。

6）渲染器使用VRAY 渲染器，图片渲染1 920×1 080；烟火、爆炸、刚体、流体等特效元素，要求效果逼真；GI 二次反弹倍增器参数为0.9；贴图、灯光缓冲细分值分别为60 和500；采样器去啵阈值0.005。

4 点检三维动画结果

在三维动画示意图中，自卸卡车“双人6 区65步点检法”三维动画能够清晰、直观、详细的了解卡车整体点检流程，不但通过三维动画方式对自卸卡车原理组装及零部件分解演示，还能可视化讲解，从而强化操作技术规范化。

卡车及场景是利用多张真实场景照片，通过图片拼接算法将图片连续化。在整体光场建模上，充分考虑了不同物体表面在光照下呈现出的高光反射、漫反射等实际光照效果；在视频显示以及图像处理方面，则联合利用了光场技术以及三维渲染技术，使仿真模型最终呈现出高清逼真的实际影像。

点检人员动作规范性和连贯性是通过动作捕捉（Motion Capture）技术将作业人员的位移进行数据记录和存储并加以姿态还原，在此过程中动作捕捉设备记录了高质量手部三维点检动作，从而使接受点检培训人员在三维动画影像画面中，得到虚拟-物理深度交互，全面认识物理操作的规范性，提高了点检培训效率和作业人员安全意识。

5 结语

结合数字影像、图像处理以及三维建模技术开发了自卸卡车“双人6 区65 步点检”三维动画，提升了安全培训执行效率，有利于生产过程的连续性和设备的工作性能，减少了真实设备误操作的可能，解决了因真实生产设备误操作而降低生产率的问题。