特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人的功能展示視頻制作

王名祺，干靜，曾博，明子微

特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人的功能展示視頻制作

王名祺，干靜，曾博，明子微

（四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

通過分析不同類型外骨骼機器人功能的表達需求，圍繞體現(xiàn)人、外骨骼機器人、作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)備以及環(huán)境聯(lián)動響應(yīng)的表達思路，確定利用CINEMA 4D、After Effects、Premiere等軟件，提出了制作功能展示視頻的具體流程：前期設(shè)計時，結(jié)合外骨骼機器人及未來城市作戰(zhàn)平臺的特點，撰寫故事性腳本；中期制作需根據(jù)腳本進行機器人等裝備的模型建造及場景搭建，并完成對應(yīng)動畫的設(shè)置，經(jīng)過調(diào)試與檢驗之后渲染導(dǎo)出各序列動畫；將渲染導(dǎo)出的序列放入剪輯軟件，按照視聽性原則完成后期剪輯。以特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人為例，總結(jié)了功能展示視頻的制作流程，并解決了制作過程中出現(xiàn)的影響效率的一系列問題。

外骨骼機器人；協(xié)同系統(tǒng)；未來城市作戰(zhàn)平臺；功能展示；視頻制作

外骨骼機器人近年來逐漸成為熱門話題，通過電影、展覽等方式出現(xiàn)在人們的視野中，但由于其研發(fā)周期長、研發(fā)經(jīng)費高等特點，對大眾來說仍然是個陌生名詞。近年來，越來越多功能展示視頻用于普及復(fù)雜產(chǎn)品，這是一種將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作原理化繁為簡并直觀呈現(xiàn)的展示方式，主要通過三維建模與動畫技術(shù)真實還原產(chǎn)品，讓觀看者了解產(chǎn)品的功能特點和應(yīng)用場景。當(dāng)外骨骼機器人完成概念設(shè)計之后，功能展示視頻成為了宣傳展示的有效手段。

1 外骨骼機器人的展示需求

1.1 外骨骼機器人的特點

外骨骼機器人是一種結(jié)合了人的智能和機械動力裝置機械能量的人機結(jié)合的可穿戴裝備。外骨骼機器人主要有以下特點：

（1）多樣性。外骨骼根據(jù)不同的劃分標準可進行不同的分類，例如根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為上肢外骨骼機器人、下肢外骨骼機器人、全身外骨骼機器人和關(guān)節(jié)外骨骼機器人；根據(jù)功能可分為增力型、訓(xùn)練康復(fù)型和運動輔助型。

圖1 下肢與關(guān)節(jié)外骨骼機器人結(jié)構(gòu)示意圖

（2）復(fù)雜性。外骨骼機器人由多種系統(tǒng)共同組成，包含機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、綁縛系統(tǒng)等模塊，是一種復(fù)雜的高精度機器人。在使用外骨骼機器人的過程中還涉及到很多其他因素，比如使用者、使用時所處環(huán)境、與外骨骼機器人產(chǎn)生響應(yīng)的其他裝備等，這些事物與外骨骼機器人一起構(gòu)成了一個龐大的協(xié)同系統(tǒng)，協(xié)同系統(tǒng)中的各個因素之間都會相互協(xié)同、相互影響。協(xié)同系統(tǒng)中的單體具有功能復(fù)雜性，整個系統(tǒng)也具有信息傳遞的復(fù)雜性。

（3）協(xié)同性。在使用外骨骼機器人時，其與使用者之間會產(chǎn)生協(xié)同，從而達到增強身體機能的目的。外骨骼機器人也會與協(xié)同系統(tǒng)中的其他裝備產(chǎn)生協(xié)同與反饋，例如對環(huán)境的監(jiān)測、信號接收與控制等。

1.2 特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)系統(tǒng)及系統(tǒng)活動介紹

現(xiàn)代科技的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用推動了武器裝備和作戰(zhàn)方式發(fā)生演變，由此引發(fā)了新的軍事革命，以信息為基礎(chǔ)、信息化武器裝備為工具的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭將逐步取代機械化戰(zhàn)爭，成為未來戰(zhàn)爭的基本形態(tài)。與此同時，城市由于人口比例逐漸增長，意味著越來越多的沖突將發(fā)生在城市，使之成為未來戰(zhàn)爭的主要戰(zhàn)場。

特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人主要用于未來城市作戰(zhàn)場景中，士兵除了參與傳統(tǒng)的地面機動作戰(zhàn)，還會參與到縱深機降作戰(zhàn)、逐屋爭奪作戰(zhàn)及其他形式的協(xié)同作戰(zhàn)中。復(fù)雜多變的行進空間、非結(jié)構(gòu)化的行進地形、受限制的空間視野、復(fù)雜的敵方火力、長時間的疲勞戰(zhàn)斗等作戰(zhàn)特點都會給士兵帶來未知的挑戰(zhàn)，也對外骨骼機器人的人機融合性能夠提出了更高的要求。所謂的人機融合，是指一種人、機、環(huán)境相互作用的新型智能形式，外骨骼機器人不僅需要滿足士兵在穿戴時的人機需求，還需要適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，是協(xié)同系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)。

通過外骨骼機器人的連接，人的快速決策與機器的高效執(zhí)行相互協(xié)同，人的后天認知能力與機器的數(shù)據(jù)探測能力相互反饋，使人的負重、機動、感知、持續(xù)作戰(zhàn)等能力都得到了一定增強，實現(xiàn)人與外骨骼機器人之前的融合與協(xié)同，更加適應(yīng)未來戰(zhàn)場復(fù)雜多變的要求。穿戴外骨骼機器人的士兵可以與頭盔、電臺、武器等單兵可穿戴設(shè)備結(jié)合，可實現(xiàn)通信中繼、多平臺協(xié)同感知等作用，增強作戰(zhàn)攻擊、有效載荷、生存防護等功能，提高士兵的格斗、平衡、越障、投擲等能力，構(gòu)成未來單兵特種作戰(zhàn)系統(tǒng)；與無人機、無人車、控制終端等無人作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)合，可實現(xiàn)電子對抗、多平臺協(xié)同打擊等作用，加強后勤保障、能源管理、戰(zhàn)場偵察等能力，構(gòu)成協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖2 特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)系統(tǒng)

2 外骨骼機器人功能展示視頻制作思路

2.1 功能展示視頻的制作原則

功能展示視頻是一種將產(chǎn)品以三維動畫的形式渲染，并通過后期剪輯與合成，制作成一段可以跨平臺獨立播放的綜合展示視頻，它打破了三維軟件的局限性，從而可以廣泛傳播。視頻清晰地向觀眾展示了產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、功能等信息，是全方位展示產(chǎn)品的重要手段。早期的功能展示視頻為二維產(chǎn)品展示動畫，僅通過二維軟件或?qū)嵨锱臄z的方式表達，隨著三維動畫技術(shù)的發(fā)展與興起，傳統(tǒng)的二維平面制作方式已經(jīng)不能滿足市場需求，三維產(chǎn)品展示動畫憑借它的立體、生動、真實等諸多優(yōu)勢，逐漸占領(lǐng)了功能展示視頻的市場。

由于外骨骼機器人的一些特性，在制作相應(yīng)的功能展示視頻時應(yīng)遵循以下三個原則：

（1）真實感。真實感是制作功能展示視頻時的基本原則。首先要注意渲染的真實感，例如材質(zhì)、光線、環(huán)境等要素。其次是傳達內(nèi)容的真實感，不同類型的外骨骼機器人將在作戰(zhàn)系統(tǒng)中實現(xiàn)不同功能，例如增強力量、提升耐力、精準打擊等，可以通過反復(fù)搬舉、射擊等動作來體現(xiàn)強化效果，利用三維動畫技術(shù)將這些動作渲染出來，讓觀看者清楚理解外骨骼機器人的功能。

（2）完整性。制作功能展示視頻時不僅要展示外骨骼機器人本身，也要展示其協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)的相互響應(yīng)。制作者可以通過切換不同角度單獨介紹協(xié)同系統(tǒng)中的某一部分，但也要充分展現(xiàn)其與系統(tǒng)中其他部分之間的連接、反饋與作用。

（3）視聽性。功能展示視頻需要具有流暢的敘述邏輯，與此同時也應(yīng)保證畫面所傳達的信息清晰易懂。在制作視頻時要注意鏡頭的語言藝術(shù)，可以通過鏡頭的切換與組合、剪輯節(jié)奏的變換與控制，以及適當(dāng)加入音效配合增加視頻的視聽性。豐富的視覺與聽覺信息組合能提高視頻的視聽性，使觀眾在看懂視頻的同時，留下深刻的印象。

2.2 功能展示視頻的故事性需求

（1）故事性需求的提出

外骨骼機器人功能展示視頻制不僅需要對外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)及工作原理進行介紹，更重要的是展示其穿戴效果、使用場景和實現(xiàn)功能。在介紹機械結(jié)構(gòu)時，通常采用結(jié)構(gòu)拆分和鏡頭推移的手段，但如果展示使用情景時也沿用相同手段，視頻則會略顯單調(diào)乏味，且不能直觀反應(yīng)出使用環(huán)境。所以對功能展示視頻的制作提出了故事性的需求，通過故事敘述的方式，更加生動全面地表現(xiàn)出特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人的使用情景。

（2）與電影、產(chǎn)品仿真動畫在表現(xiàn)需求上的異同

外骨骼機器人功能展示視頻制和電影一樣，需要腳本的撰寫來指導(dǎo)整個故事流暢、自然地展開，但電影制作與功能展示視頻制作最根本的不同在于表現(xiàn)需求。電影制作側(cè)重講故事，導(dǎo)演編劇通過跌宕起伏的劇情，環(huán)境氛圍烘托以及人物語言、動作、心理刻畫等手法，生動地將故事講述給觀眾，電影的結(jié)局或給觀眾揭示道理，或留下懸念引人遐想。但功能展示視頻更側(cè)重于通過故事來凸顯外產(chǎn)品功能，制作者會通過特寫鏡頭或特定動作，輔以文字或字幕描述來達到這一目的。同樣以三維動畫技術(shù)為核心的產(chǎn)品仿真動畫對腳本的依賴度就小了很多，運行公式才是制作過程的主導(dǎo)，因而仿真動畫的表達重心在于仿真的精密性。

（3）與電影、產(chǎn)品仿真動畫在表現(xiàn)手法上的異同

電影、產(chǎn)品仿真動畫與功能展示視頻制作的不同還體現(xiàn)在表現(xiàn)手法上。對于電影來說，傳統(tǒng)的拍攝手法都是實景拍攝，但由于拍攝成本高，受天氣、環(huán)境等物理因素限制種種缺點，進而許多畫面都逐漸由三維動畫技術(shù)代替完成。電影里有很多虛構(gòu)情節(jié)，導(dǎo)演通過夸張的手法來實現(xiàn)想要表達的內(nèi)容，這其中與現(xiàn)實存在一定失真。功能展示視頻通過模擬產(chǎn)品的真實運作過程從而達到設(shè)計預(yù)期，是一種體現(xiàn)真實性的表現(xiàn)手法，但精密性并不及產(chǎn)品仿真動畫。一方面因為功能展示視頻中的協(xié)同系統(tǒng)十分復(fù)雜，如果完全按照實際力學(xué)性能進行模擬工程量會過于復(fù)雜，大大降低了制作效率；另一方面因為外骨骼機器人的更新?lián)Q代速度很快，要做到完全精密的仿真有一定困難。

3 外骨骼機器人展示動畫制作流程

3.1 功能展示視頻技術(shù)路線概述

功能展示視頻的制作流程一般由前期設(shè)計、中期制作和后期剪輯三個部分組成。前期設(shè)計指分鏡頭腳本撰寫，是一個將抽象靈感具象化的過程，也是整個功能展示視頻的基礎(chǔ)，也是其核心。制作者撰寫腳本時需要確定敘述方式、故事節(jié)奏、表達重點等要素，通過文字描述將想要展現(xiàn)的畫面轉(zhuǎn)換為故事，并為后面的動畫制作規(guī)劃好路線，起到整體把握的關(guān)鍵作用。中期制作包括建造模型、賦予材質(zhì)、動畫設(shè)置和渲染輸出，是整個展示視頻的制作重點，將直接影響到之后的后期剪輯，所以往往也是耗時最多的階段。后期剪輯包括后期制作和視頻輸出，在將前面渲染動畫順序連接的同時，通過小節(jié)標題或者字幕銜接過渡，再加入適當(dāng)?shù)奶匦c音效，將最終視頻從剪輯軟件中渲染導(dǎo)出，才算是完成了功能展示視頻的制作流程。

圖3 功能展示視頻制作流程

本文以特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人作為功能展示視頻制作的核心，展示目標是表現(xiàn)出穿戴不同類型外骨骼機器人的士兵在特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)中發(fā)揮的作用，因此重點表現(xiàn)的部分為外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)、功能，以及穿戴外骨骼機器人的士兵在戰(zhàn)場中的作戰(zhàn)情景。

3.2 前期設(shè)計

在制作功能展示視頻的前期，首先要對展示內(nèi)容、目標及重點進行分析，根據(jù)側(cè)重點逐步撰寫出詳細的分鏡頭腳本方案，明確每一段分鏡頭要表達的對象與內(nèi)容，同時也要將每段之間的邏輯關(guān)系、連接順序及方式整理出來。腳本也無需像文章那樣寫成一段一段文字，一般采用表格的形式列出序列號、鏡頭說明、畫面描述、畫面示意、畫面時長、制作方法及備注等內(nèi)容。畫面示意可以通過手繪草圖或者線框圖表來簡單示意，其目的是清晰地表達出畫面所要展現(xiàn)的內(nèi)容。

本次腳本撰寫中，不僅有單獨介紹四款外骨骼機器人的外觀、結(jié)構(gòu)、功能的部分，還有未來城市作戰(zhàn)場景的部分，這一部分采用了故事敘述的方式展現(xiàn)。制作者將故事背景設(shè)定在2030年，為爭奪某種虛擬資源而展開了一場城市戰(zhàn)爭，穿戴外骨骼的士兵將前往到這個特殊領(lǐng)域中進行作戰(zhàn)。為了制造一個身臨其境的觀感，在進行戰(zhàn)場空間運鏡時擺脫了人們習(xí)以為常的第三人稱視角，而是帶入飛行于城市戰(zhàn)場中的無人機視角，讓觀眾以第一人稱的方式“參與”這場戰(zhàn)爭。

3.3 建造模型及賦予材質(zhì)

為確保外骨骼機器人的細節(jié)與真實感，在建模時選用1:1的比例，單位選用毫米。還應(yīng)提前導(dǎo)入人體模型作為參考，以統(tǒng)一各部分的比例及連接方式。為了減少不同軟件間轉(zhuǎn)換格式帶來的時間浪費、難以修改以及其他未知錯誤，本次展示視頻在中期制作過程均使用CINEMA 4D軟件進行操作。

場景設(shè)計的含義是三維動畫中，除了外骨骼機器人之外其它隨時間改變的事物的造型設(shè)計。搭建特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)場景時，因其模型數(shù)量多、場景宏大等特點，制作出具有真實感的未來城市作戰(zhàn)平臺成為了一個很大的挑戰(zhàn)。通過從未來科幻片中類似場景的提取，以及對未來城市戰(zhàn)場作戰(zhàn)特點和故事背景需求的分析，首先要搭建出一個處于戰(zhàn)爭中的城市模型，將建筑、街道、車輛等物體按照布局排列組合之后，還需要對其模型進行不同程度的損壞處理；然后將炮臺、彈藥箱、無人車、無人機等裝備放置在需要出現(xiàn)的地方，并提前規(guī)劃好其運動軌跡，預(yù)留出相應(yīng)空間；最后將穿戴外骨骼機器人的士兵放入對應(yīng)功能區(qū)。對于場景中不予重點表現(xiàn)的模型可以降低其面片數(shù)并直接復(fù)制排列，這樣一來既能減少模型運行數(shù)據(jù)量，也能提高動畫制作與渲染輸出的效率。

圖4 無人機運動軌跡

圖5 無人車運動軌跡

完成造型建模之后，要逐個對象進行材質(zhì)賦予，有些材質(zhì)還需要單獨制作貼圖，天空、光線等環(huán)境也同樣不能被忽略。除了材質(zhì)，布置合理的燈光也能增加場景的真實感，再加上后期進行適當(dāng)?shù)奶匦c音效合成，才真正搭建好具有真實感的未來城市作戰(zhàn)平臺。

3.4 動畫設(shè)置

動畫設(shè)置這一階段是利用關(guān)鍵幀技術(shù)，讓原本靜止的物體運動起來。在視頻中展示的四款外骨骼機器人需要完成不同的動作：下肢外骨骼機器人提供助力，輔助士兵背負重物進行遠程行走；膝關(guān)節(jié)外骨骼機器人能增強士兵在輕載下的機動能力與耐力；腰部外骨骼機器人提供腰部及手部助力，可以增強士兵物資搬運能力與耐力；柔性外骨骼機器人則與其他無人作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)合，增強多平臺的感知預(yù)警以及精準打擊能力。在展示不同種類外骨骼機器人時，士兵要在對應(yīng)的場景完成規(guī)定動作，外骨骼機器人與人體間的隨動關(guān)系成為了動畫制作的一大難點。

要讓穿戴外骨骼機器人的士兵完成既定動作，需要經(jīng)歷如下步驟：

（1）首先要讓士兵動起來，為外骨骼的運動軌跡提供依據(jù)。在CINEMA 4D中，通過角色功能為士兵模型創(chuàng)建骨骼系統(tǒng)，并依次按照從父級到子級的關(guān)系對各骨骼關(guān)節(jié)進行多視圖調(diào)整，使其貼合士兵的各個關(guān)節(jié)。

（2）骨骼位置調(diào)整完成后即可以對士兵模型進行綁定，并在動畫選項里調(diào)試檢查，如果有出現(xiàn)面片的變形或破裂等情況，還需要對骨骼綁定進行刷權(quán)重處理，最終調(diào)試完成的士兵模型便可以按時間先后順序進行關(guān)鍵幀設(shè)置。

（3）在不同時間節(jié)點上士兵會定格在不同姿勢，通過對動作的分解來設(shè)置關(guān)鍵幀，并在各關(guān)鍵幀之間多加入幾個點位進行動作平滑，從而完成士兵的搬舉、行進、指揮等動作。

（4）設(shè)置完成士兵的關(guān)鍵幀動作之后，將外骨骼機器人按照相應(yīng)的關(guān)鍵幀修改位置，使其在動作過程中盡可能地貼合人體，反應(yīng)出機器與人體之間的隨動關(guān)系。

（5）除了對場景內(nèi)模型進行動畫設(shè)置，同樣也利用關(guān)鍵幀的方法對攝像機進行動畫設(shè)置，使其運動軌跡達到腳本預(yù)期的第一人稱效果。

圖6 動畫序列截圖

3.5 渲染輸出

利用CINEMA 4D制作完成的動畫，渲染輸出格式為PNG格式單幀圖片，后續(xù)再放入視頻制作軟件中將圖片序列轉(zhuǎn)化為視頻格式。渲染成帶alpha通道的圖片序列并非視頻格式，這樣做不僅在后期合成時可通過層的方式方便場景疊加，也可防止渲染動畫中途遇到軟件意外停止運行，下一次渲染需要從頭重新開始渲染的情況，而是直接從上次停止幀開始繼續(xù)渲染。

3.6 后期剪輯

將CINEMA 4D渲染得到的圖片序列首先依次導(dǎo)入After Effects中進行拼接，并完成片頭、標題及特效場景的制作。利用軟件間的兼容性，Ae文件可以直接導(dǎo)入Premiere進一步剪輯，為了增強展示視頻的連貫性與視聽性，還可以提前搜集一些空鏡素材在剪輯時穿插過渡，而后進行畫面濾鏡調(diào)色、字幕、音效及背景音樂添加，最后導(dǎo)出mp4格式的成品視頻。

圖7 合成視頻截圖

4 結(jié)語

特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人的功能展示視頻最終時長為330 s，采用空鏡素材約90 s，利用CINEMA 4D軟件制作了4款外骨骼機器人及其指定動作，一共渲染了10個動畫序列，最終采用圖片序列約3000幀。

三維動畫技術(shù)的運用使得產(chǎn)品介紹形式更加豐富，內(nèi)容更加生動直觀。本文通過探究制作功能展示視頻的一般步驟：腳本撰寫、建造模型、賦予材質(zhì)、動畫設(shè)置、渲染輸出、后期制作和視頻輸出，完成了特殊領(lǐng)域作戰(zhàn)外骨骼機器人功能展示視頻的制作。后續(xù)如何提高制作效率及真實感仍然是一個需要不斷探索的過程。

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Video Production of Function Display of Exoskeleton Robot in Special Field

WANG Mingqi，GAN Jing，ZENG Bo，MING Ziwei

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

By analyzing the expression requirements of different types of exoskeleton robots, focusing on the expression ideas of human, exoskeleton robots, combat system equipment and environmental linkage response, we determined to use and using Cinema 4D, After Effects, Premiere and other software, the specific process of making function display video is proposed: in the early design, write the story script based on the characteristics of exoskeleton robot and future urban combat platform; in the middle phase, build the model and scene of the robot and other equipments according to the script,, complete the corresponding animation settings, and then render and export each animation sequence after debugging and testing; put the rendered sequence into the editing software, and complete the editing according to the audio-visual principle. This paper takes the exoskeleton robot in special field as an example, proposes the production process of function display video, and solves a series of problems which affects the efficiency in the production process.

exoskeleton robo；collaborative system；future urban combat platform；function display；video production

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.009

1006－0316 (2021) 01－0061－07

2020－06－28

王名祺（1997－），女，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業(yè)設(shè)計，E-mail：wmqq97@163.com；干靜（1968－），女，重慶人，博士，教授，主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論、計算機輔助工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計等。