卡車“雙人6區(qū)65步點檢法”三維動畫研發(fā)及應(yīng)用

鹿立新

（國能寶日希勒露天煤礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備朝著大型化、高速化和自動化方向發(fā)展，生產(chǎn)過程中任何設(shè)備出現(xiàn)故障都會影響生產(chǎn)的連續(xù)性，導(dǎo)致生產(chǎn)計劃的延遲并造成企業(yè)不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。為避免設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中的故障發(fā)生，傳統(tǒng)的周期性計劃維修模式和事后檢修模式逐漸向點檢模式轉(zhuǎn)變。這種模式更迭不但能避免周期性計劃和事后維修的弊端，還能為設(shè)備安全運行和企業(yè)效益最大化奠定基礎(chǔ)[3]。點檢作為設(shè)備預(yù)防維修的基礎(chǔ)，既是現(xiàn)代設(shè)備管理運行階段的管理核心，也是現(xiàn)代設(shè)備管理意識的延伸和實施[4]。通過對設(shè)備的點檢作業(yè)，可以在設(shè)備早期劣化時采取恰當(dāng)?shù)木S護(hù)措施，將故障隱患在萌生初期得以消除。為增強(qiáng)點檢作業(yè)的可行性，前期點檢培訓(xùn)的有效性、實用性和適用性尤其值得關(guān)注，這就要求提高點檢人員對設(shè)備上規(guī)定部位（點）進(jìn)行有無異常的預(yù)防性周密檢查的熟練度[5-6]。事實證明，形象直觀、表現(xiàn)力豐富的三維全仿真點檢培訓(xùn)不僅可以激活點檢人員學(xué)習(xí)的興趣，而且可以幫助他們理解掌握培訓(xùn)教材上的知識。清晰化、可視化的三維點檢流程動畫不但獲得直觀生動的感性認(rèn)識，而且更能加深對點檢內(nèi)容的理解和掌握。

1 工業(yè)機(jī)械仿真

機(jī)械仿真動畫采用三維動畫技術(shù)模擬機(jī)械的外形、材質(zhì)、零部件和內(nèi)部構(gòu)造，把機(jī)械的設(shè)計原理、工作過程、性能特征、使用方式等一系列真實的事物以高清逼真的仿真動態(tài)視頻的形式演示出來[7]，這種以動畫片的形式展現(xiàn)機(jī)械制造與工作原理，全方位的動態(tài)視頻化產(chǎn)品演示，有利于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，也可作為客戶使用產(chǎn)品時的操作指南?？梢愿鶕?jù)機(jī)械設(shè)計圖紙將機(jī)械的形狀、功能等逼真地模擬出來，便于測試、修改和完善，降低了設(shè)計和制造風(fēng)險，節(jié)省了實物樣品制造和修改的巨成本[8]。機(jī)械仿真動畫的發(fā)展正在從基于線性播放的視頻形式向三維仿真系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計方向過渡，一方面利用三維軟件進(jìn)行設(shè)備的前端建模，并在虛擬引擎中全仿真互動應(yīng)用；另一方面利用編程軟件進(jìn)行開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等設(shè)計，形成前端可視化內(nèi)容與后端控制程序雙向數(shù)據(jù)反饋，從而使操作者在此虛擬全仿真環(huán)境中進(jìn)行自由360°無死角觀看，移動、旋轉(zhuǎn)、交互等一切動作[9-10]。

以自卸卡車“雙人6 區(qū)65 步點檢法”為研究對象，在三維虛擬操作環(huán)境中，按照技術(shù)人員規(guī)定的尺寸、樣式等來建立模型以及場景，并根據(jù)表現(xiàn)效果，靈活調(diào)整模型動畫參數(shù)、運動軌跡及軟件虛擬攝像機(jī)的運動方向等，在確定材質(zhì)和環(huán)境燈光基礎(chǔ)上，自動運行并生成動畫，形成真實性、可觀性強(qiáng)的培訓(xùn)視頻。“雙人6 區(qū)65 步點檢法”動畫方案設(shè)計如圖1。

圖1 “雙人6 區(qū)65 步點檢法”動畫方案設(shè)計

2 自卸卡車點檢三維動畫方案建模

1）建模準(zhǔn)備。依據(jù)提供的設(shè)備點檢的各種資料進(jìn)行分析，總結(jié)出技術(shù)難點、重點，為建模工作做好前期準(zhǔn)備。通過對資料理解、剖析與現(xiàn)場調(diào)研，確定所需設(shè)備的現(xiàn)場拍照、攝像，并及時對技術(shù)難點、重點現(xiàn)場解決；同時針對每個設(shè)備點檢的內(nèi)容做真實還原性的原畫腳本分析并積累各種制作素材。

2）設(shè)計創(chuàng)意。將動畫中涉及的前臺UI、動畫風(fēng)格、界面風(fēng)格、色彩管理、后臺程序等進(jìn)行綜合的美學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3）模型開發(fā)。完成建模整體可行性分析，在達(dá)到指標(biāo)、涵蓋應(yīng)用點的前提下，進(jìn)行方案優(yōu)化，確定最終方案內(nèi)容，從而對每個環(huán)節(jié)進(jìn)行針對性開發(fā)工作。同時，在對象動畫制作后，要從配色、知識點內(nèi)容、動畫表現(xiàn)等方面全方位檢查，并做出適當(dāng)調(diào)整。

4）成品應(yīng)用。卡車“雙人6 區(qū)65 步點檢法”三維動畫幀數(shù)不低于25 fps，成品動畫聲音采樣頻率44.8 kHz，并可輸出多種通用格式，可以各種終端進(jìn)行播放。

3 點檢三維動畫設(shè)計準(zhǔn)則

“雙人6 區(qū)65 步點檢法”三維動畫研發(fā)及應(yīng)用是在65 步點檢法文案框架基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維可視化視頻擴(kuò)展講解。涵蓋1 區(qū)車輛左前方部位點檢、2區(qū)車輛左后方部位點檢、3 區(qū)正后方部位點檢、4 區(qū)右后方部位點檢、5 區(qū)右前方部位點檢、6 區(qū)正前方部位點檢共6 區(qū)65 步點檢。為全面性演示點檢過程并達(dá)到培訓(xùn)效果的最優(yōu)，將成品三維動畫視頻設(shè)置總時長不低于1 h，高清視頻預(yù)制為1 920×1 080 分辨率，使員工既能獲得直觀生動的感性認(rèn)識，又對點檢內(nèi)容具有深刻的理解和掌握，從而為設(shè)備實際操作和問題排查奠定必要的專業(yè)基礎(chǔ)。為此，“雙人6 區(qū)65 步點檢法”三維動畫成品必須滿足以下設(shè)計準(zhǔn)則。

3.1 音頻和圖形圖像

1）音頻。標(biāo)準(zhǔn)普通話配音，必須執(zhí)行國家廣電部播音標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，吐字清晰、流暢，斷詞、斷句恰當(dāng)；音頻。解說聲與現(xiàn)場聲無明顯比例失調(diào)，解說聲與背景音樂無明顯比例失調(diào)，所使用音頻必須經(jīng)過去噪、放大、細(xì)節(jié)修改環(huán)節(jié)，使用降噪水平、降噪率、精度、平滑度和波段寬分別為3、40%、11、3 與1。為方便使用，音頻數(shù)據(jù)格式為WAV 或MP3。

2）圖形圖像。圖形（像）素材格式制作為JPG、GIF、PNG 或BMP 格式之一。涉及的原理、結(jié)構(gòu)和電路圖均用AutoCAD 繪圖，其中彩色圖像的顏色數(shù)不低于16 位色數(shù)，灰度圖像的灰度級不低于128 級。

3.2 動畫

1）二維動畫。色彩協(xié)調(diào)、文字規(guī)范；動作軌跡標(biāo)準(zhǔn)，運動層次感強(qiáng)；畫面簡潔清晰，界面友好；動畫連續(xù)，節(jié)奏合適；圖像清晰、色彩和諧、演播流暢，靜止畫面時間不超過5 s；動畫幀頻為25 幀，動畫統(tǒng)一設(shè)定模板、顏色，標(biāo)題大小。

2）三維動畫。四邊面進(jìn)行制作，三維模型布線拓?fù)湟笳R，無雜亂布線，避免出現(xiàn)多邊面及三角面；模型單位、尺寸統(tǒng)一為厘米；模型提供光滑組；還原質(zhì)感真實模型需制作UV；模型無交錯面、無空置點。對于UV 設(shè)置，要確保UV 和模型、場景之間的比例，在保證場景比例的情況下，重復(fù)度越小越好。同時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體需要使用UV 展開。

3）材質(zhì)。貼圖格式為PNG，不小于1 024×1 024；貼圖需提供diffuse 貼圖、metal 貼圖、roughness 貼圖、Alpha 貼圖。

4）動畫。機(jī)械設(shè)備動作要自然流暢，符合真實設(shè)備運動規(guī)律；人物動作自然流暢，符合人體運動規(guī)律，；攝像機(jī)鏡頭動畫要求節(jié)奏自然流暢，不能出現(xiàn)抖動畫面。

5）燈光與陰影。為了與中前景分離開來，前景物體的燈光人為壓暗，背景物體的燈光視情況而定，要保證鏡頭中主體被照亮，結(jié)構(gòu)被看清。在顏色上，燈光多利用冷暖色，產(chǎn)生對比，且單個物體多用三點光，單塊區(qū)域使用三點光。在陰影布局上，要確保陰影多為柔和色，不能太暗，且要呈現(xiàn)偏藍(lán)色。

6）渲染器使用VRAY 渲染器，圖片渲染1 920×1 080；煙火、爆炸、剛體、流體等特效元素，要求效果逼真；GI 二次反彈倍增器參數(shù)為0.9；貼圖、燈光緩沖細(xì)分值分別為60 和500；采樣器去啵閾值0.005。

4 點檢三維動畫結(jié)果

在三維動畫示意圖中，自卸卡車“雙人6 區(qū)65步點檢法”三維動畫能夠清晰、直觀、詳細(xì)的了解卡車整體點檢流程，不但通過三維動畫方式對自卸卡車原理組裝及零部件分解演示，還能可視化講解，從而強(qiáng)化操作技術(shù)規(guī)范化。

卡車及場景是利用多張真實場景照片，通過圖片拼接算法將圖片連續(xù)化。在整體光場建模上，充分考慮了不同物體表面在光照下呈現(xiàn)出的高光反射、漫反射等實際光照效果；在視頻顯示以及圖像處理方面，則聯(lián)合利用了光場技術(shù)以及三維渲染技術(shù)，使仿真模型最終呈現(xiàn)出高清逼真的實際影像。

點檢人員動作規(guī)范性和連貫性是通過動作捕捉（Motion Capture）技術(shù)將作業(yè)人員的位移進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和存儲并加以姿態(tài)還原，在此過程中動作捕捉設(shè)備記錄了高質(zhì)量手部三維點檢動作，從而使接受點檢培訓(xùn)人員在三維動畫影像畫面中，得到虛擬-物理深度交互，全面認(rèn)識物理操作的規(guī)范性，提高了點檢培訓(xùn)效率和作業(yè)人員安全意識。

5 結(jié)語

結(jié)合數(shù)字影像、圖像處理以及三維建模技術(shù)開發(fā)了自卸卡車“雙人6 區(qū)65 步點檢”三維動畫，提升了安全培訓(xùn)執(zhí)行效率，有利于生產(chǎn)過程的連續(xù)性和設(shè)備的工作性能，減少了真實設(shè)備誤操作的可能，解決了因真實生產(chǎn)設(shè)備誤操作而降低生產(chǎn)率的問題。