淺談機(jī)械設(shè)計中三維動畫創(chuàng)作與應(yīng)用

1、第24卷第2 期 2 0 0 3年4月文章編號：0258-0926(2003)02-0190-03核 動 力 工 程N(yùn)uclear Power EngineeringVol. 24. No.2 Apr. 2 0 0 3淺談機(jī)械設(shè)計中三維動畫創(chuàng)作與應(yīng)用劉 莉（中國核動力研究設(shè)計院，成都，610041）摘要：機(jī)械設(shè)計中三維動畫，可使人們直觀、準(zhǔn)確地了解和把握設(shè)計方案，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計失誤并加以改進(jìn)，從而提高設(shè)計質(zhì)量。本文給出了實(shí)際應(yīng)用例子，介紹了機(jī)械設(shè)計中動畫的制作過程和基本方法。關(guān)鍵詞：三維動畫；計算機(jī)；機(jī)械設(shè)計；建模；動畫渲染 中圖分類號：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1 引 言計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展給各

2、行各業(yè)帶來了一系列技術(shù)變革，計算機(jī)的應(yīng)用幾乎涉及到各個技術(shù)領(lǐng)域，特別是在計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域，其技術(shù)發(fā)展更是迅速。三維動畫利用電腦技術(shù)，創(chuàng)造逼真的三維動態(tài)環(huán)境，生成影像級動畫，令人產(chǎn)生身臨其境之感，因而在機(jī)械設(shè)計、建筑工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械設(shè)計很大程度受益于計算機(jī)視圖。從初始的設(shè)計研究到動態(tài)分析，三維計算機(jī)模擬可節(jié)省大量的用于構(gòu)建合適原型的資金和時間。三維動畫制作不僅以最佳光線顯示產(chǎn)品，而且給觀眾留下深刻的印像。在機(jī)械設(shè)計中，三維動畫技術(shù)可對設(shè)備、管路、閥門、基礎(chǔ)等進(jìn)行真實(shí)模擬，使機(jī)械產(chǎn)品之間的相互關(guān)系很容易描繪出來，以動畫形式顯示各產(chǎn)品零部件之間的相互運(yùn)動，既能全景瀏覽又可局部詳察，從而

3、使人們快捷、直觀、準(zhǔn)確地了解和把握設(shè)計方案。更為重要的是，可以在工程建設(shè)之前看到“建成實(shí)物”，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足并及時改進(jìn)，從而提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。在設(shè)計投標(biāo)時，三維動畫用于方案介紹，可供人們評價，快速輕松地演示產(chǎn)品的工作情況，運(yùn)動時的外觀以及它的操作方法，提高設(shè)計者的竟?fàn)幜?。本文簡要介紹機(jī)械設(shè)計中動畫制作的過程和基本方法，并應(yīng)用于中國核動力研究設(shè)計院機(jī)械工程動畫制作。收稿日期：2002-03-05；修回日期：2002-11-052 軟件環(huán)境win95、win98或winNT、Autocad R14(下稱CAD)、3DstudioMAX R3(下稱MAX)。3 創(chuàng)作過程 3.1 動畫編導(dǎo)動畫編

4、導(dǎo)屬前期創(chuàng)意和規(guī)劃工作，可根據(jù)演示需要進(jìn)行編劇和導(dǎo)演。比如：在制作一實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)流程的動畫時，可先進(jìn)行三維模擬和動態(tài)鳥瞰；把回路中的各設(shè)備在一個場景中裝配成一段線路，制作全景漫游動畫，展示所有設(shè)備；對單個主要裝置沿環(huán)形路徑繞行瀏覽一周并作局部放大觀察或剖式動畫展開等。 3.2 資料收集資料收集包括以下項目：收集路徑、跨越情況、機(jī)電設(shè)備、裝置流程及基礎(chǔ)等設(shè)施的三維幾何尺寸及色彩、材質(zhì)、光澤等。 3.3 建模3.3.1 模型簡化及比例選擇 模型越接近實(shí)物則越復(fù)雜，在MAX中渲染效果也就越好，但建模及動畫制作花費(fèi)的時間會成倍增加。使用最少的細(xì)節(jié)數(shù)量來降低模型復(fù)雜度，通過對各種造型、路徑步數(shù)、變形優(yōu)化

5、和3D修改的參數(shù)以及邊數(shù)的設(shè)置來控制生成實(shí)體的界面數(shù)量獲得所要求的真實(shí)度。這樣即可節(jié)省很多制作、渲染時間，又使動畫效果完全滿足需要。為了保證真實(shí)感，對劉莉：淺談機(jī)械設(shè)計中三維動畫創(chuàng)作與應(yīng)用191在同一場景中出現(xiàn)的模型必須采用相同的尺寸單位和比例，建議以毫米為單位按物體實(shí)際尺寸構(gòu)建模型。3.3.2 建模軟件選擇 選用的建模工具有MAX和CAD，現(xiàn)分述如下。MAX是由Autodesk公司開發(fā)的世界流行的造型處理、渲染著色及動畫制作工具，建模功能非常強(qiáng)大，幾乎可建任何形狀的三維形體，但其建模偏重于藝術(shù)化，精度較低，對于那些對精度要求不高的模型更為適合。CAD是由Autodesk公司開發(fā)的風(fēng)靡世界的二

6、維、三維工程制圖工具，它同MAX之間可用多種文件格式進(jìn)行模型互換。盡管建模功能不如MAX強(qiáng)大，但對一般規(guī)則物體都能勝任。尤其是它具有高精度的數(shù)字輸入功能、嚴(yán)格靈活的捕捉方式和精確定位空間坐標(biāo)系的能力，非常適合規(guī)則模型的精確建模?？筛魅∷L，根據(jù)模型特點(diǎn)選用最適合的造型工具。對于簡單有規(guī)則的設(shè)備、基礎(chǔ)、管道等可在CAD中精確建模，然后導(dǎo)入MAX渲染并制作動畫，對于較復(fù)雜的設(shè)備、文字、流動液體等非規(guī)則體用MAX搭建。3.3.3 CAD建模 用CAD建模，要把材質(zhì)相同的模型放在同一層中，分層管理模型，這樣導(dǎo)入MAX后同層所有模型被組合為一個物體，便于選擇、編輯及賦材質(zhì)。除一般二維命令外，還要學(xué)習(xí)視點(diǎn)

7、變換、坐標(biāo)系變換、渲染及少量三維建模命令：用vpoint或dview從各個視角觀察模型；全面領(lǐng)會UCS各選項的功能，能把用戶坐標(biāo)系的xoy平面嚴(yán)格指定在空間中的任何平面上，把該平面轉(zhuǎn)化為“工作平面”，在CAD中繪圖時，所有操作都是相對于用戶坐標(biāo)系的xoy平面，這樣便把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，這是三維建模的前提和捷徑；學(xué)會用shade或render渲染模型，輔助校驗(yàn)其正誤；會用elev或thickness命令設(shè)置即將繪制實(shí)體的高度和厚度，并理解二者正負(fù)號的意義，對于pline、trace、solid、circle等二維實(shí)體，給定厚度就成為三維模型；會用extrude及revolve等造型工具；要

8、充分利用模型的對稱性，用鏡像命令mirror/mirror3d或陣列命令array/3darray生成對稱部分，提高效率。3.3.4 MAX建模 用MAX建復(fù)雜模型如文字、液體、不規(guī)則物體等要酌情簡化，它們在MAX中都可輕松建制，一般包括下列簡單幾步：生成幾何圖形，產(chǎn)生視景的舞臺；生成光線和鏡頭；給幾何圖形賦予材質(zhì)；生成特殊效果；讓幾何圖形動起來，使視景變成動畫；渲染動畫。3.4 模型從CAD轉(zhuǎn)入MAX二者之間可通過dxf、3ds、dwg 3種文件格式互相交換模型。步驟如下：在CAD中凍結(jié)無用層，選fileexport選模型賦名成為3ds格式選layer關(guān)掉smoothing及weldingo

9、k；打開MAX，選fileimport指定3ds格式并選中交換文件打開，選mergeok。 3.5 動畫制作動畫的渲染制作是一門技術(shù)，更是一門藝術(shù)，僅把步驟簡述如下：全部模型建成后，啟動MAX，選filemerge，把所需模型合并在同一場景中，移動、裝配有關(guān)模型，使其相對空間位置正確(當(dāng)然裝配工作在CAD中完成，裝配好后再導(dǎo)入MAX，這樣能實(shí)現(xiàn)相對位置的精確控制)；設(shè)置相機(jī)，切換到相機(jī)視圖觀察模型；給場景選背景、置燈光，給模型賦材質(zhì)；初步渲染相機(jī)視圖、反復(fù)調(diào)整并重新渲染，直到滿意；創(chuàng)建相機(jī)路徑并指定給相機(jī)，在相機(jī)視圖中進(jìn)行動畫預(yù)覽，使相機(jī)沿此路徑移動并瀏覽模型，反復(fù)編輯該路徑和相機(jī)并重新預(yù)覽，

10、直到滿足要求；生成動畫，存為avi文件。 3.6 動畫合成及播放利用wps2000或powerpoint把文字說明、動畫、聲音等合成幻燈片文件，可直接在電腦屏幕上或投射到幕布上播放，全面展示設(shè)計方案。4 應(yīng) 用作者用三維動畫技術(shù)制作了中國核動力研究設(shè)計院AC600全壓堆芯補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)裝置的專題片，取得了很好的效果。該裝置由堆芯補(bǔ)水箱模擬體、反應(yīng)堆壓力容器模擬體和穩(wěn)壓器、冷、熱水管路及各種閥門、附件等設(shè)備組成。圖1是整個實(shí)驗(yàn)裝置的全景三維模型圖。動畫編導(dǎo)時，先采取了全景漫游，并環(huán)形瀏覽一周，對主要的模擬體作了局部放大觀察，對穩(wěn)壓器還作了四分之一剖視打開和關(guān)閉，即顯示了穩(wěn)壓器的外觀又展示了穩(wěn)壓器的內(nèi)部

11、構(gòu)件，使192核 動 力 工 程 Vol. 24. No. 2. 2003圖1 AC600全壓堆芯補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)裝置 Fig. 1 Core Makeup Tank(CMT) Test Facility for AC600整個實(shí)驗(yàn)裝置很清晰地展現(xiàn)在觀眾面前。整個片段從開始的院徽滾動翻出、文字說明，到最后實(shí)驗(yàn)裝置的全景展示用了15分鐘，再配上解說的聲音，達(dá)到了影片級動畫的效果。為中國核動力研究設(shè)計院AC600堆芯補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)裝置在對外交流、介紹時起到了很重要的作用，給人們留下了持久深刻的映像。如果今后我們在工程設(shè)計中更進(jìn)一步廣泛使用三維動畫技術(shù)，將會極大地提高設(shè)計水平，向客戶宣傳我們的技術(shù)實(shí)力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

12、創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。Generation and Application of Tri-dimensionalAnimation in Mechanical DesignLIU Li（Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China）Abstract：The mechanical design can be understood vividly and accurately and can be improved in time when there is any mistake if it is made in tri-dimensional animation. This paper introduces the generation processand methods for animation in mechanical