陳果

摘要：三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)在煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)的研究具有周期短、見(jiàn)效快、創(chuàng)新前景等優(yōu)勢(shì)。將點(diǎn)線面體基本構(gòu)形原理引入到多邊形建模中去，總結(jié)出相對(duì)產(chǎn)生較少點(diǎn)面數(shù)和更簡(jiǎn)單的建模方法，在鉆探設(shè)備等工程可視化和運(yùn)動(dòng)仿真方面有益探索，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)與視覺(jué)藝術(shù)的有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫(huà) 點(diǎn)線面 工程機(jī)械 可視化

中圖分類(lèi)號(hào)：J0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2017）04-0116-02

引言

技術(shù)革命與更新不斷加強(qiáng)，帶來(lái)了國(guó)內(nèi)外的煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)隔閡的逐漸縮小，也拉進(jìn)了國(guó)內(nèi)外各大煤礦鉆進(jìn)技術(shù)研發(fā)企業(yè)之間的距離，通過(guò)相互交流和溝通，同時(shí)帶給國(guó)內(nèi)各大企業(yè)許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。無(wú)論國(guó)內(nèi)外，將三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)引入到煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)研發(fā)過(guò)程中的成功案例很少，在這方面做的研究與工作比較匱乏，在很大程度上影響著技術(shù)層面問(wèn)題的及時(shí)反饋和技術(shù)革新。

一、三維動(dòng)畫(huà)前期設(shè)計(jì)

在開(kāi)始三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)之前，必須要經(jīng)歷具有創(chuàng)意階段的前期工作，要考慮通過(guò)怎樣的手段和方式來(lái)展現(xiàn)動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)者的所有想法以及需要表達(dá)的東西，也就是需要對(duì)整個(gè)三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)制作進(jìn)行整體規(guī)劃和思考。前期設(shè)計(jì)關(guān)系到設(shè)計(jì)準(zhǔn)備是夠充分，影響到動(dòng)畫(huà)項(xiàng)目完成的效果好壞，因此，制作團(tuán)隊(duì)需要對(duì)前期設(shè)計(jì)工作給予充分的重視。

但是，前期設(shè)計(jì)不是天馬行空，需要落實(shí)到需要表達(dá)的每一個(gè)角色、場(chǎng)景和動(dòng)作之中，在煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)當(dāng)中，按照實(shí)際井下施工現(xiàn)場(chǎng)和施工過(guò)程的要求，嚴(yán)格依據(jù)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，需要實(shí)體反映煤礦井下鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的完整過(guò)程。在特定的環(huán)境條件下，三維動(dòng)畫(huà)表現(xiàn)需要滿足親和力、沖擊力和說(shuō)服力三個(gè)原則。前期設(shè)計(jì)是后續(xù)工作的燈塔，需要對(duì)后面的制作和后期合成負(fù)責(zé)，清楚所有場(chǎng)景鏡頭和動(dòng)作之間的銜接關(guān)系等?？偨Y(jié)為：把合適的“東西”放在合適的“地方”。

三、三維動(dòng)畫(huà)制作

三維動(dòng)畫(huà)其實(shí)就是利用人類(lèi)在觀看過(guò)程中視覺(jué)殘留的特點(diǎn)，以非?？斓乃俣炔シ帕艘幌盗械男蛄徐o幀效果圖像，這樣可以在視覺(jué)上由于視覺(jué)殘留會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的效果。通過(guò)電腦制作三維動(dòng)畫(huà)中的運(yùn)動(dòng)不僅包括動(dòng)作之間的變化和變換，還有場(chǎng)景、角色等運(yùn)動(dòng)變化以及三維軟件中虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)、紋理貼圖和所有色彩的變化等。三維動(dòng)畫(huà)通過(guò)軟件制作的一般流程都是從建模、賦材質(zhì)、燈光設(shè)置、動(dòng)畫(huà)設(shè)置調(diào)試到渲染后期合成幾個(gè)階段。

四、點(diǎn)線面原理建模

在鉆機(jī)建模當(dāng)中采取模型建模編輯形式是在多邊形編輯模式之前加入點(diǎn)線面體的構(gòu)體原理。根據(jù)立體構(gòu)成原則的點(diǎn)線面體等構(gòu)成基本要素，由于機(jī)械模型的嚴(yán)謹(jǐn)以及規(guī)整，在鉆機(jī)三維模型經(jīng)過(guò)分析之后，了解到有許多的模型是不需要轉(zhuǎn)換成編輯多邊形，只需要采取從二維平面模型轉(zhuǎn)換到三維立體模型即可。這樣省去了大量的點(diǎn)線面，不需要占據(jù)很多的電腦系統(tǒng)和軟件內(nèi)存，能夠在最大限度上加快機(jī)器的運(yùn)行速度。有的模型相對(duì)比較復(fù)雜的話就需要將已經(jīng)由二維平面模型轉(zhuǎn)換得來(lái)的三維模型轉(zhuǎn)換成編輯多邊形，再在編輯多邊形的修改卷展欄下進(jìn)行修改和調(diào)整。下面是以鉆機(jī)模型中最簡(jiǎn)單的內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)哪Ｐ徒槔?/p>

取M12螺紋標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)六角圓柱頭螺釘為例，螺帽外徑為18ram，內(nèi)六角對(duì)角線距離為11.43mm，螺帽高度為12mm，內(nèi)六角深6mm。在了解主要關(guān)鍵尺寸之后開(kāi)始三維設(shè)計(jì)軟件中根據(jù)點(diǎn)線面構(gòu)型原則來(lái)建立螺帽的三維模型。

大致建模步驟如下：

1.在圖形面板中選擇圓命令，設(shè)置圓半徑為9mm，在頂視圖創(chuàng)建一個(gè)圓（circle001）；

2.以同樣方式在頂視圖創(chuàng)建一個(gè)多邊形（NGon001），設(shè)置半徑為5.7mm，邊數(shù)為6（即正六邊形）；

3.再通過(guò)“對(duì)齊”命令（快捷鍵Alt+A）將兩個(gè)二維模型對(duì)齊中心和軸點(diǎn)，確保兩圖形在一個(gè)平面上；

4.將之前創(chuàng)建的圓（circle001）轉(zhuǎn)換成“編輯樣條線”，通過(guò)編輯樣條線下的附加命令將正六邊形（NGon001）附加到圓（Circle001），這樣兩者就是一個(gè)整體曲線；

5.給上一步完成得到的圖形添加“擠出”（Extrude）命令，擠出量為6mm；

6.將上一步得到的三維模型添加“編輯多邊形”修改器，將其轉(zhuǎn)換成“編輯多邊形”，在編輯多邊形的“面”層級(jí)下，刪除掉選擇的底部“面”，在“點(diǎn)”層級(jí)下選擇被刪除底部的面留下的外圍圓的點(diǎn)向下移動(dòng)6mm，在“邊界”層級(jí)下，選擇底部外圍邊界和內(nèi)六角邊界進(jìn)行封口；

7.在“面”層級(jí)選擇底部剛封口的圓形面，進(jìn)行“插入”（Insert）和“擠出”（Extrude）命令得到了簡(jiǎn)易的內(nèi)六角圓柱螺釘（如圖1）。

由于螺紋部分是在被固定零件的內(nèi)部，在外部是不可見(jiàn)的，所以在建模過(guò)程當(dāng)中需要對(duì)這些外部不可見(jiàn)部分進(jìn)行最大的簡(jiǎn)化或者不表現(xiàn)。上述方式完成得到的內(nèi)六角圓柱螺釘共計(jì)124個(gè)頂點(diǎn)和93個(gè)面，（如圖2）?？梢詫?duì)比相同效果的比較常見(jiàn)的建模方式，即通過(guò)布爾運(yùn)算得到的編輯多邊形的內(nèi)六角圓柱螺釘三維模型（如圖3）?？梢园l(fā)現(xiàn)效果相同的情況下，前者的點(diǎn)數(shù)和面數(shù)要少于后者。鉆機(jī)上面像這種內(nèi)六角圓柱螺釘將近幾百個(gè)，也就是說(shuō)，前者建模方式在最終完成鉆機(jī)三維模型的點(diǎn)數(shù)和面數(shù)上省掉了很大一部分的點(diǎn)數(shù)和面數(shù)，大大降低了內(nèi)存占用率和運(yùn)行壓力。從每個(gè)細(xì)節(jié)上面都能夠節(jié)省掉很多的點(diǎn)面量，這也給后期渲染合成減少了很大的壓力，同時(shí)也能夠節(jié)省制作周期。因?yàn)辄c(diǎn)面量越多的模型，在后期渲染耗費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)。

在鉆機(jī)三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)制作中，大部分零部件的建模方式都是采取與上述的內(nèi)六角圓柱螺釘模型的相同建模方式，比如有履帶、油缸、動(dòng)力頭、鉆桿、鉆頭等關(guān)鍵部件。另外，在建立這些模型之前，根據(jù)企業(yè)提供的該型號(hào)鉆機(jī)的零部件尺寸圖，對(duì)整體鉆機(jī)進(jìn)行局部細(xì)節(jié)與整體外觀分析，需要省略掉從外部不可見(jiàn)的零部件，比如，油箱由于是跟隨著鉆機(jī)的底座一起運(yùn)動(dòng)，油箱本身沒(méi)有相對(duì)于鉆機(jī)底座的運(yùn)動(dòng)，因此在建立鉆機(jī)上的油箱模型時(shí)，只需要表現(xiàn)長(zhǎng)方體油箱的外觀形狀以及油箱上端和側(cè)面的濾油口、進(jìn)油口和油管連接件。直接省略掉油箱內(nèi)部復(fù)雜的油管連接結(jié)構(gòu)和油路走向結(jié)構(gòu)等，這些不可見(jiàn)的部分零部件就需要被省略掉，在最大限度上減少整體模型的點(diǎn)面量，減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)行壓力，也提供給后期充足的時(shí)間參與到設(shè)計(jì)當(dāng)中來(lái)。點(diǎn)線面立體構(gòu)成原理應(yīng)用到三維動(dòng)畫(huà)軟件建模中，在多邊形編輯之前加入該原理的運(yùn)用，能夠清晰地引導(dǎo)建模的思路，對(duì)設(shè)計(jì)師建模時(shí)候三維空間立體感也有一定的提示和提高，能夠在很大程度上加快建模以及整個(gè)動(dòng)畫(huà)制作的效率。運(yùn)用此中方法建立的三維模型（如圖4）。

五、模型優(yōu)化問(wèn)題

由于模型在建立過(guò)程中和建模完成的渲染工作中，都需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，確保各方面的最優(yōu)。這對(duì)三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)師的個(gè)人技術(shù)和素質(zhì)有很高的要求，所以在鉆機(jī)以及場(chǎng)景的建模過(guò)程中需要對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化考慮。

1.對(duì)于鉆機(jī)很復(fù)雜的零部件，模型需要是多邊形物體。這些模型在建立之前需要考慮多邊形建模的方法。這些模型都是在編輯多邊形的基礎(chǔ)上添加點(diǎn)線面原理的建模方法，總體模型形狀是由點(diǎn)線面原理的建模方法得到的，模型的細(xì)節(jié)部分就需要通過(guò)編輯多邊形的模式來(lái)調(diào)整得到。另外，最終的輸出模型需要調(diào)整為網(wǎng)格（mesh）格式。

2.模型在細(xì)節(jié)方面要做好，網(wǎng)格分部要合理。比如，在表現(xiàn)部分類(lèi)似平直的外形結(jié)構(gòu)時(shí)就要盡量減少網(wǎng)格的分段數(shù)，最好只取兩端面來(lái)表現(xiàn)平直結(jié)構(gòu)；在表現(xiàn)外形結(jié)構(gòu)彎曲的部分時(shí)候就需要分配多一點(diǎn)的網(wǎng)格。以點(diǎn)面數(shù)最少為原則，在適當(dāng)?shù)耐庑谓Y(jié)構(gòu)上運(yùn)用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格分段數(shù)。

3.在場(chǎng)景中使用圖片形式來(lái)表現(xiàn)三維模型。在許多三維動(dòng)畫(huà)中，許多背景場(chǎng)景都是采用實(shí)景照片代替場(chǎng)景模型，這種方式在建筑動(dòng)畫(huà)中應(yīng)用很廣。使用實(shí)景照片代替三維模型能夠節(jié)省掉大量的三維模型，而在煤礦井下鉆場(chǎng)中，背景場(chǎng)景的面積比較有限，就不需要運(yùn)用實(shí)景照片來(lái)代替背景場(chǎng)景。

通過(guò)研究將立體構(gòu)成中的點(diǎn)線面體的構(gòu)型原則引入到建模方法中，探索到一種在大型機(jī)械設(shè)備建模中節(jié)省大量點(diǎn)面數(shù)的建模方法，同時(shí)也能夠節(jié)省大量的時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

三維動(dòng)畫(huà)作為視覺(jué)藝術(shù)的一種表現(xiàn)形式，被越來(lái)越多的公眾所熟知和認(rèn)同。隨著三維技術(shù)的快速發(fā)展，三維動(dòng)畫(huà)也會(huì)在工程可視化領(lǐng)域有著更廣闊的前景，同時(shí)也能夠給工程機(jī)械行業(yè)帶來(lái)創(chuàng)新和良性社會(huì)效益。endprint