基于3ds Max的大型有色礦山破碎系統(tǒng)三維仿真動(dòng)畫(huà)

王靜婕, 林乙丑, 殷立濤, 高 杰, 劉 秀

(1.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,河南 洛陽(yáng) 471003;2. 礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 前 言

機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的過(guò)程中通常以二維圖紙為依據(jù)和媒介.為了把這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、功能和工作原理在生產(chǎn)前更形象、更直觀地通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式立體呈現(xiàn)出來(lái),可以利用3ds Max和Premiere軟件的巧妙銜接使用來(lái)實(shí)現(xiàn)[1].通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)多角度、全方位的演示,突破了以前無(wú)法拍攝產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單靠文字和CAD圖紙說(shuō)明的瓶頸,結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理、色彩構(gòu)成原理和營(yíng)銷(xiāo)心理學(xué)原理等盡可能地將整體場(chǎng)景完美地呈現(xiàn)給客戶.本文以大型有色礦山破碎系統(tǒng)及其主要設(shè)備半移動(dòng)式旋回破碎站和高壓輥磨站為例進(jìn)行具體分析.

1 軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介

3ds Max擁有強(qiáng)大的三維可視化平臺(tái).在模擬生產(chǎn)線的整體場(chǎng)景中,可以對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)體建模、真實(shí)光線模擬、攝像機(jī)設(shè)置、材質(zhì)設(shè)置、動(dòng)畫(huà)設(shè)置與渲染,并可通過(guò)查看運(yùn)動(dòng)軌跡及時(shí)對(duì)模型運(yùn)動(dòng)效果進(jìn)行修正,從而把模擬結(jié)果用直觀、可視化的形式展示出來(lái)[2].

動(dòng)態(tài)模擬效果可以基于3ds Max的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)reactor進(jìn)行直觀模擬,也可利用其大量的插件及腳本進(jìn)行模擬.3ds Max 2013中完善的reactor系統(tǒng)可以更好地將不同自然屬性的物體參數(shù)設(shè)置得更加詳盡,以達(dá)到更真實(shí)的模擬效果.產(chǎn)品、環(huán)境的材質(zhì)設(shè)置在3ds Max中的vray渲染器支持下,可模擬出真實(shí)狀態(tài)下的視覺(jué)效果.

3ds Max是世界上使用最廣泛、功能最強(qiáng)大的動(dòng)畫(huà)制作軟件之一,充分利用好其在機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)畫(huà)中的優(yōu)勢(shì),可以向用戶及設(shè)計(jì)人員展現(xiàn)出整套生產(chǎn)線近乎完全真實(shí)的可視化效果.

2 模型的建立及基本參數(shù)設(shè)置

2.1 3ds Max與Autodesk CAD相結(jié)合進(jìn)行三維建模

圖1為3ds Max與Autodesk CAD相結(jié)合進(jìn)行三維建模的過(guò)程示意圖.首先在Autodesk CAD中將產(chǎn)品的二維圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的前期處理,然后將其三視圖按比例分別導(dǎo)入3ds Max的三個(gè)視圖內(nèi),并將三個(gè)視圖內(nèi)二維圖的相對(duì)位置調(diào)整好,如圖1(a)所示.高壓輥磨機(jī)機(jī)架的二維圖導(dǎo)入,接著利用3ds Max的建模系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品的部件建模,如圖1(b)所示.然后利用同樣的方式進(jìn)行高壓輥磨機(jī)整機(jī)的建模,如圖1(c)所示.

2.2 3ds Max進(jìn)行產(chǎn)品及環(huán)境的材質(zhì)、燈光設(shè)置

利用3ds Max中的材質(zhì)編輯器與GroundWiz山體插件進(jìn)行產(chǎn)品及環(huán)境的顏色及材質(zhì)設(shè)置,如圖2、圖3所示.在3ds Max的VraySun中對(duì)模擬實(shí)際光線效果進(jìn)行設(shè)置,如圖4所示.最終達(dá)到了所需效果,如圖5(a)和5(b)所示.

圖1 3ds Max與Autodesk CAD相結(jié)合進(jìn)行三維建模

圖2 產(chǎn)品的材質(zhì)設(shè)置

圖3 山體插件的應(yīng)用

圖4 環(huán)境的光線設(shè)置

圖5 最終模擬效果圖

3 利用3ds Max進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作

3ds Max中動(dòng)畫(huà)制作可以通過(guò)創(chuàng)建子父對(duì)象、制作關(guān)鍵幀、reactor系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和軌跡視圖、腳本等來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-4].

3.1 利用關(guān)鍵幀進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作

首先對(duì)子父對(duì)象及關(guān)鍵幀進(jìn)行設(shè)置,再進(jìn)行軌跡圖的調(diào)試,進(jìn)而完成產(chǎn)品單機(jī)動(dòng)畫(huà)的制作,如圖6所示.

圖6 高壓輥磨機(jī)動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀的制作

3.2 利用粒子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作

在3ds Max中利用粒子系統(tǒng)制作動(dòng)畫(huà)的例子有很多,例如噴泉、下雪、瀑布等的制作,但由于這些動(dòng)作的特點(diǎn)多是以無(wú)規(guī)則、飛濺效果居多,因此制作相對(duì)容易且效果明顯.而礦山處理系統(tǒng)中,物料經(jīng)過(guò)機(jī)器的破碎、碾壓等過(guò)程卻都有機(jī)架的范圍約束,粒子的下落速度不均、下落路徑受機(jī)架內(nèi)壁約束、下落過(guò)程中體積不斷變化,因此在制作該動(dòng)畫(huà)的過(guò)程中,花費(fèi)了大量的時(shí)間模擬物料在機(jī)器中下落破碎的運(yùn)動(dòng)情況,并取得了十分逼真的模擬效果.

物料自由下落經(jīng)過(guò)機(jī)器破碎碾壓過(guò)程的制作方法主要有5個(gè)步驟.通過(guò)這5個(gè)步驟的設(shè)置,最后能夠獲得理想的效果,如圖7所示.

(1) 將機(jī)架剖視,使之能看到動(dòng)錐、偏心套和齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).制作這三者的關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà).

(2) 根據(jù)動(dòng)錐的運(yùn)動(dòng)軌跡,創(chuàng)建樣條線,勾畫(huà)出粒子的下落路徑,如圖7(a)所示.

(3) 根據(jù)機(jī)器破碎物料的原理,分兩段創(chuàng)建粒子云系統(tǒng),并設(shè)置路徑跟隨,如圖7(b)所示.

(4) 設(shè)置粒子云系統(tǒng)中的粒子生成、粒子類(lèi)型、旋轉(zhuǎn)和碰撞卷展欄中的參數(shù),如圖7(c)和圖7(d)所示.

(5) 根據(jù)機(jī)器動(dòng)畫(huà)修正粒子的相關(guān)參數(shù).

圖8為機(jī)器開(kāi)始工作的渲染后動(dòng)畫(huà).圖8(a)為物料下落瞬間的渲染后動(dòng)畫(huà);圖8(b)為物料經(jīng)過(guò)動(dòng)錐與機(jī)架內(nèi)壁相互擠壓破碎后的渲染后動(dòng)畫(huà).

3.3 利用腳本進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作

在3ds Max中如果利用關(guān)鍵幀來(lái)制作履帶的動(dòng)畫(huà)效果會(huì)非常的復(fù)雜,而利用履帶腳本Pedrail Maker制作該動(dòng)畫(huà),就會(huì)顯得非常簡(jiǎn)單[5].

圖7 物料自由下落經(jīng)過(guò)機(jī)器破碎碾壓過(guò)程

履帶車(chē)載著破碎站一起移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)制作方法,主要步驟:

(1) 建立一節(jié)履帶模型,如圖9(a)所示.

圖8 渲染后動(dòng)畫(huà)

圖9 履帶車(chē)載著破碎站一起移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)制作

(2) 根據(jù)履帶車(chē)的結(jié)構(gòu),建立兩條樣條線路徑,如圖9(b)所示.

(3) 運(yùn)行履帶腳本,分別拾取路徑和履帶節(jié),設(shè)置相關(guān)參數(shù),生成履帶,如圖9(c)所示.

(4) 履帶生成動(dòng)畫(huà),根據(jù)場(chǎng)景需要有針對(duì)性地調(diào)整履帶腳本內(nèi)的相關(guān)參數(shù),如圖10(a)和10(b)所示.

圖10 半移動(dòng)式旋回破碎站履帶車(chē)動(dòng)畫(huà)效果圖

4 設(shè)置攝像機(jī)鏡頭

在3ds Max中制作完成所有的動(dòng)畫(huà)后,根據(jù)動(dòng)畫(huà)的時(shí)間設(shè)置建立攝像機(jī),分鏡頭表現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中不同設(shè)備的工作狀況及設(shè)備之間的相互聯(lián)系.

對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵幀設(shè)置,利用軌跡線對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,如圖11所示.

圖11 攝像機(jī)關(guān)鍵幀設(shè)置及軌跡

5 利用Premiere進(jìn)行后期剪輯及編輯

在3ds Max中所有的動(dòng)畫(huà)和攝像機(jī)都設(shè)置完成后,分別對(duì)各個(gè)鏡頭進(jìn)行批量渲染,渲染格式為.tga.渲染完成后,在Premiere中建立項(xiàng)目,并導(dǎo)入所有相關(guān)素材.

在Premiere中進(jìn)行后期剪輯、編輯的制作,主要有以下幾個(gè)步驟:

(1) 新建項(xiàng)目中設(shè)置的視頻尺寸應(yīng)和3ds Max中渲染的動(dòng)畫(huà)幀尺寸相同,如果標(biāo)準(zhǔn)尺寸中沒(méi)有所需尺寸,則可選擇“常規(guī)”工具欄下編輯模式中的桌面編輯模式對(duì)視頻畫(huà)面大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,如圖12(a)所示.

(2) 導(dǎo)入素材.其中在導(dǎo)入3ds Max渲染后的.tga格式素材時(shí)應(yīng)先選擇第一個(gè)文件,并在序列圖像上打勾,如圖12(b)所示.

(3) 在序列中進(jìn)行素材的剪輯,增加字幕等,如圖12(c)所示.

(4) 添加轉(zhuǎn)場(chǎng)效果,如圖12(d)所示.

(5) 進(jìn)行完一系列的剪輯和編輯后,對(duì)素材進(jìn)行視頻輸出,如圖12(e)所示.

采用3ds Max進(jìn)行產(chǎn)品及整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)真實(shí)工作狀況的仿真模擬,利用Premiere對(duì)3ds Max渲染的素材進(jìn)行后期剪輯及視頻文件的輸出,可以進(jìn)一步增加廠家的綜合效益.

6 結(jié) 論

本文制作了大型礦山破碎系統(tǒng)中重要的三大部分——半移動(dòng)式旋回破碎站、圓錐破碎站、高壓輥磨站的仿真動(dòng)畫(huà)及整體場(chǎng)景動(dòng)畫(huà),對(duì)旋回破碎站、圓錐破碎機(jī)、高壓輥磨機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了詳細(xì)研究說(shuō)明.充分應(yīng)用了3ds Max和Premiere的各自優(yōu)勢(shì),制作出反應(yīng)產(chǎn)品的真實(shí)工作狀況的影片.可以向用戶提前展示產(chǎn)品各方面的優(yōu)良特性,讓用戶有一個(gè)更為直觀的視覺(jué)概念,大大提高了用戶對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)度.

產(chǎn)品組裝動(dòng)畫(huà)在安裝及售后服務(wù)方面,為技術(shù)人員提供了更加便捷的方法向客戶說(shuō)明安裝方法、問(wèn)題所在.單機(jī)動(dòng)畫(huà)和場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)的演示,以更加直觀的方式展示廠家產(chǎn)品和成套項(xiàng)目的整體效果,使客戶在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品前有更鮮明的視覺(jué)感觸.在與國(guó)外客戶的洽談中,三維仿真動(dòng)畫(huà)演示能夠逾越語(yǔ)言和文化的鴻溝,快速地讓客戶了解廠家的實(shí)力和水平,從而接受廠家的產(chǎn)品,形成有效營(yíng)銷(xiāo).

圖12 在Premiere中進(jìn)行后期剪輯、編輯的制作流程

參考文獻(xiàn):

[1] 徐柏濤.VRay超級(jí)寫(xiě)實(shí)渲染完全解析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2] 陳維俊.3ds Max/VRay印象效果圖光與材質(zhì)表現(xiàn)技法[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[3] 周青.建筑漫游動(dòng)畫(huà)制作高級(jí)技法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002：299-314.

[4] 盧正剛.水晶石技法3ds Max建筑動(dòng)畫(huà)制作[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[5] 彭國(guó)華.3ds Max三維動(dòng)畫(huà)制作技法[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.