CATIA與3DS MAX在汽車工廠三維模擬動畫中的應(yīng)用研究

■機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司 柳林 陳戈 李豐

傳統(tǒng)的汽車工廠產(chǎn)線設(shè)備設(shè)計(jì)在交流和展示上是枯燥乏味的，產(chǎn)線設(shè)備設(shè)計(jì)往往只注重設(shè)備本身的功能、結(jié)構(gòu)、成本以及是否滿足工藝要求等，缺少對設(shè)計(jì)表達(dá)與對外溝通、展示方法的研究。當(dāng)前，汽車行業(yè)已經(jīng)開始向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，產(chǎn)品數(shù)字化、設(shè)計(jì)數(shù)字化、施工數(shù)字化、運(yùn)維數(shù)字化已成為行業(yè)趨勢。因此，在設(shè)計(jì)階段如何充分利用數(shù)字化手段對設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行三維可視化表達(dá)，如何利用三維形體、材質(zhì)、光影、動態(tài)模擬的方法充分展示產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)動規(guī)律，并將運(yùn)動規(guī)律和產(chǎn)線布局記錄并展示出來，并能夠與各專業(yè)設(shè)計(jì)人員和項(xiàng)目甲方進(jìn)行積極、有效地交流，成為多方案比選、支撐項(xiàng)目過程中方案快速變更、最終確定優(yōu)化方案的重要環(huán)節(jié)。機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司技術(shù)中心數(shù)字化部將CATIA、3DS MAX、VRay軟件相結(jié)合，利用三維動畫技術(shù)對汽車工廠產(chǎn)線設(shè)備“設(shè)計(jì)數(shù)字化”進(jìn)行了較為深入的分析與研究。

CATIA模型解決方案

CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案，在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。設(shè)備工程院目前采用CATIA V5R19軟件進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備，機(jī)械化輸送設(shè)備的三維建模。

環(huán)境設(shè)置

通過自行開發(fā)的“CATIA開發(fā)工具包.EXE”執(zhí)行程序?qū)浖h(huán)境進(jìn)行快速部署，從而滿足工程院對軟件字庫、尺寸標(biāo)注、文本注釋、出圖樣式等標(biāo)準(zhǔn)繪圖環(huán)境的要求。程序包含了標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品快速建模工具集（圖1）、出圖工具集（圖2）和快捷設(shè)計(jì)工具集。工具集的開發(fā)，大大提高了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率，簡化了設(shè)計(jì)流程。

圖1 快速建模工具集

圖2 快速出圖工具集

制作和導(dǎo)入CATIA軸網(wǎng)

基于TeamCenter軟件實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，協(xié)同設(shè)計(jì)必須有統(tǒng)一的工藝布局軸網(wǎng)。使用Plant Layout模塊將.DGN格式的軸網(wǎng)轉(zhuǎn)換為CATIA格式的軸網(wǎng)，將軸網(wǎng)文件通過TeamCenter下發(fā)給各工程師。

設(shè)備快速建模

通過定制開發(fā)的快速建模工具對模型進(jìn)行創(chuàng)建。以室體為例，在CATIA中運(yùn)行室體快速裝配工具，用戶選取壁板、端板、燈箱、操作臺、接水盤類型，輸入室體寬度、高度以及每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段的長度，即可快速生成室體模型（圖3）。

圖3 CATIA室體三維模型

產(chǎn)線布局

每個(gè)工程師基于軸網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并布局，在布局過程中充分發(fā)揮快速建模工具的使用效率，使設(shè)計(jì)構(gòu)思以三維方式快速展現(xiàn)，對產(chǎn)線的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，最終通過Teamcenter協(xié)同平臺展現(xiàn)涂裝線三維匯總成果。

在NavisWorks中，將涂裝設(shè)備三維模型與土建公用專業(yè)的Revit模型進(jìn)行合并（圖4），從而實(shí)現(xiàn)了各工程院、各專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確度。

圖4 工廠三維匯總模型

模型導(dǎo)出

完成的CATIA產(chǎn)線模型另存為CGR輕量化模型文件，在經(jīng)過3DS MAX模型優(yōu)化處理后，可進(jìn)行三維產(chǎn)線模型的材質(zhì)、燈光處理工作。

3DS MAX模型解決方案

3DS MAX是Autodesk（歐特克）公司基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動畫、多媒體制作、游戲以及工程可視化等領(lǐng)域。

模型導(dǎo)入

3DS MAX可以直接導(dǎo)入CATIA的CGR文件，導(dǎo)入過程中需要對導(dǎo)入設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)換網(wǎng)格應(yīng)設(shè)置為打開，上方向軸應(yīng)設(shè)置為Z軸向上，層次模式應(yīng)設(shè)置為展平。網(wǎng)格分辨率越高，導(dǎo)入后的模型越精細(xì)，越能充分還原CATIA模型的細(xì)節(jié)，但是更高的網(wǎng)格分辨率會增加模型的面數(shù)，過多的面數(shù)會影響3DS MAX運(yùn)行速度，因此，網(wǎng)格分辨率數(shù)值的多少與電腦設(shè)備的性能相關(guān)。

3DS MAX默認(rèn)的層次模式為使用組，“組”在3DS MAX中是一個(gè)重要的概念，它可以將多個(gè)模型組合在一起，使之能夠共同移動、旋轉(zhuǎn)和縮放，便于對模型進(jìn)行選擇和管理。但是大量的“組”會過多地占用軟件系統(tǒng)資源，增加CPU和顯卡的工作負(fù)擔(dān)，使軟件視口操作的流暢度變得很低，甚至造成系統(tǒng)崩潰。3DS MAX中模型組的數(shù)量與CATIA裝配結(jié)構(gòu)樹的層級數(shù)量有直接關(guān)系，例如，CATIA中模型的裝配結(jié)構(gòu)樹層級數(shù)量為5層，那么當(dāng)模型以“使用組”的方式導(dǎo)入3DS MAX后，其“組”的數(shù)量也為5層。所以導(dǎo)入CATIA模型時(shí)層次模式需選擇“展平”，“展平”功能是將模型中所有的“組”關(guān)系全部炸開，炸開后的模型以單體零部件的方式存在于視口中（圖5），模型的格式為“可編輯網(wǎng)格”。

圖5 導(dǎo)入后的模型

模型坐標(biāo)

CATIA軟件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)可與3DS MAX的坐標(biāo)數(shù)據(jù)完美銜接，導(dǎo)入3DS MAX中的模型都具備單獨(dú)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以將CATIA產(chǎn)線模型在3DS MAX中進(jìn)行重組。模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用3DS MAX的“選擇并移動”工具即可查看。

導(dǎo)入模型后需要對“重疊”（圖6）的模型進(jìn)行修正，否則在渲染過程中“重疊”的部分會顯示為黑色色塊，導(dǎo)致圖像顯示不正常，動態(tài)圖像會出現(xiàn)嚴(yán)重閃爍。修改模型時(shí)，宜將模型的格式轉(zhuǎn)換為“可編輯多邊形”，利用“邊”“面”功能對模型進(jìn)行修正。模型整理完成后應(yīng)使用“塌陷”命令對同一類別的零部件進(jìn)行“塌陷”，使之成為一個(gè)整體，減少3DS MAX中的模型個(gè)數(shù)有利于提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖6 模型重疊

材質(zhì)調(diào)節(jié)

對于金屬材質(zhì)的調(diào)節(jié)，應(yīng)使用VRay材質(zhì)球，在反射層級中應(yīng)加入Falloff貼圖，通過控制“前”和“側(cè)”兩個(gè)方向的顏色數(shù)值進(jìn)而控制近處反射和遠(yuǎn)處反射的強(qiáng)度，并將衰減類型設(shè)置為Fresnel。光澤度用來控制金屬表面的磨砂質(zhì)感和高光范圍，數(shù)值越小，磨砂質(zhì)感越強(qiáng)、高光范圍越大，數(shù)值為1時(shí)無磨砂效果、無高光。特定情況下將光澤度設(shè)為1可有效控制漆面曝光，具體方法需根據(jù)場景環(huán)境、燈管布置方位和強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析。

對于油漆材質(zhì)的調(diào)節(jié)，應(yīng)使用VRayMtl，在控制面板中啟用Fresnel反射。將反射色值設(shè)置為200.200.200，光澤度設(shè)置為0.85，使油漆表面產(chǎn)生一定的高光效果。通過控制漫反射的色值和加入貼圖的方法來控制油漆表面的顏色和圖案。

對于塑料材質(zhì)的調(diào)節(jié)，應(yīng)使用VRayMtl，在控制面板中啟用Fresnel反射。將反射色值設(shè)置為100.100.100降低反射的強(qiáng)度。光澤度設(shè)置為0.7，使塑料材質(zhì)表面產(chǎn)生較大范圍的高光。同樣通過控制漫反射的色值和加入貼圖的方法控制塑料表面的顏色和圖案。

對于廠房的地面材質(zhì)調(diào)節(jié)，可以使用3DS MAX默認(rèn)材質(zhì)或者VRayMtl，常用材料為環(huán)氧地坪、金剛砂地坪、水泥地坪等。不同的材質(zhì)反射強(qiáng)度和高光大小均不相同，其中環(huán)氧地坪反射和高光效果最強(qiáng)應(yīng)使用VRayMtl調(diào)節(jié)。水泥地坪的反射和高光效果最弱可使用MAX默認(rèn)材質(zhì)調(diào)節(jié)。VRayMtl需結(jié)合漫反射貼圖和周圍環(huán)境需對Fresnel反射、光澤度、Falloff貼圖進(jìn)行合理控制，才能產(chǎn)生較為真實(shí)的渲染效果。

動作調(diào)節(jié)

模型材質(zhì)調(diào)節(jié)完成后，需要將模型按照設(shè)備運(yùn)動軌跡的要求進(jìn)行分區(qū)成組，成組后的模型便于進(jìn)行設(shè)置動畫（圖7）。設(shè)備動畫的設(shè)置應(yīng)完全基于設(shè)計(jì)節(jié)拍進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置動畫前需先激活“時(shí)間配置”工具，“幀速率”需設(shè)置成“PAL”，“PAL”制的幀速率為25幀/秒，也就是每秒通過25張圖像。如果需要制作4秒鐘的動畫，需要200幀，也就是渲染輸出200張圖像。

圖7 旋轉(zhuǎn)棍床模型成組

時(shí)間長度設(shè)置完成后，需激活“自動關(guān)鍵幀”按鈕，然后選擇成組的模型對其進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn)操作，模型的每一個(gè)動作都會以關(guān)鍵幀的形式記錄在時(shí)間軸上，對關(guān)鍵幀的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)會影響模型的動作效果。

光源解決方案

VRay穹頂光源

在三維場景中光源是一項(xiàng)非常重要的元素，三維動畫最終效果的好壞與光源照明效果的質(zhì)量有著密切關(guān)系。VRay穹頂光源適合規(guī)模較大的室外鏡頭場景，用來模擬自然光照中的天空光。光源顏色通常為冷色，在其選項(xiàng)中需將“不可見”勾選，否則在場景中會出現(xiàn)大量曝光現(xiàn)象。光源采樣的細(xì)分?jǐn)?shù)值應(yīng)不小于16，可保證模型陰影面不會出現(xiàn)大量的噪點(diǎn)，同時(shí)還滿足計(jì)算速度的需求。

VRay平面光源

VRay平面光源適合模擬室內(nèi)環(huán)境中的天空光（圖8），色值應(yīng)設(shè)置為170.220.255，平面光源的長寬尺寸應(yīng)小于窗戶的尺寸，其好處在于窗口處模型不易因光照強(qiáng)度太強(qiáng)而產(chǎn)生嚴(yán)重曝光的現(xiàn)象，窗頂嚴(yán)重曝光的情況下平面光源應(yīng)考慮設(shè)置一定的照射角度。在設(shè)置選項(xiàng)卡中，應(yīng)去掉“不可見”和“影響反射”的勾選，避免在車漆材質(zhì)中出現(xiàn)嚴(yán)重曝光的情況。光源的采樣數(shù)值在渲染實(shí)踐允許的情況下應(yīng)不小于20，同一位置盡量使用一個(gè)平面光源模擬光照效果，過多的光源數(shù)量會嚴(yán)重影響渲染計(jì)算速度。

圖8 模擬窗口天空光

VRay太陽光

VRay太陽光是基于物理真實(shí)的一種光源，光照的顏色和強(qiáng)度與光源高度位置相關(guān)聯(lián)，光源越高照射強(qiáng)度越強(qiáng)，顏色越接近于255.255.255，光源越低照射強(qiáng)度越弱，顏色越接近于暖黃色。光源強(qiáng)度宜從0.025開始逐漸調(diào)試遞增，陰影細(xì)分?jǐn)?shù)值不宜小于8，避免陰影處產(chǎn)生大量噪點(diǎn)?！按笮”对觥睌?shù)值直接影響投射陰影邊緣的銳利程度，數(shù)值越小陰影邊緣越銳利，數(shù)值越大陰影邊緣越柔和，具體數(shù)值需根據(jù)實(shí)際渲染效果進(jìn)行設(shè)置。

渲染器設(shè)置

VRay是由chaosgroup和asgvis公司出品的一款高質(zhì)量渲染軟件。VRay是目前業(yè)界最受歡迎的渲染引擎。基于V-Ray內(nèi)核開發(fā)的有VRay for 3DS max、Maya、Sketchup、Rhino等諸多版本，為不同領(lǐng)域的優(yōu)秀3D建模軟件提供了高質(zhì)量的圖片和動畫渲染，便于使用者渲染各種圖片。

全局照明（GI）

全局照明是VRay渲染器的核心組成部分，能夠提供快速和高質(zhì)量的光源計(jì)算方法。在進(jìn)行廠房內(nèi)光源計(jì)算時(shí)，通常使用發(fā)光貼圖和燈管緩存兩種引擎進(jìn)行計(jì)算。發(fā)光貼圖的計(jì)算等級宜設(shè)為中等，細(xì)分?jǐn)?shù)值不宜小于100，插值采樣不宜小于45，應(yīng)啟用“顯示計(jì)算相位”，在預(yù)渲染的過程中即可觀察光照的效果并可依據(jù)效果隨時(shí)中斷光源計(jì)算，避免因無效渲染而造成時(shí)間浪費(fèi)。光子的計(jì)算模式應(yīng)設(shè)置為“動畫-預(yù)通過”，光子的尺寸大小可與輸出圖像尺寸相同，如果渲染時(shí)間緊張，可將光子尺寸設(shè)為輸出圖像尺寸的1/2。燈管緩存的細(xì)分?jǐn)?shù)值不應(yīng)小于1000，光子計(jì)算模式應(yīng)設(shè)置為“穿行”。

曝光控制

曝光控制是控制畫面質(zhì)量的重要因素，畫面中過度的曝光會使畫面看起來不真實(shí)，甚至有些模型的高光處會出現(xiàn)純白色亮片。在VRay中推薦使用“萊恩哈德”的顏色貼圖模式對場景進(jìn)行曝光控制，倍增數(shù)值應(yīng)在0.65左右進(jìn)行調(diào)整，如果數(shù)值為1，則控制曝光的效果最差，但畫面色彩的色相和飽和度效果最好。如果數(shù)值為0，則控制曝光的效果最好，但會犧牲畫面色彩的色相和飽和度（圖9）。

圖9 萊恩哈德模式數(shù)值0.65渲染效果

總結(jié)

采用CATIA與3DS MAX軟件相結(jié)合的方式制作汽車工廠非標(biāo)設(shè)備三維模擬動畫，能夠充分發(fā)揮兩個(gè)軟件的優(yōu)勢，避免無效重復(fù)建模工作，提高了工作效率的同時(shí)又保證了模型的精細(xì)度，使復(fù)雜、單調(diào)的汽車工廠設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)了三維可視化。三維動畫技術(shù)彌補(bǔ)了設(shè)計(jì)語言表達(dá)不清的痛楚，使非專業(yè)人員能夠快速、清晰地理解設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，提高了土建、公用、設(shè)備各專業(yè)之間信息交流與協(xié)作的準(zhǔn)確度。