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        基于After Effects的沿江平原河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化探析

        2018-08-18 03:47:04張宇亮王業(yè)明黃文娟
        江蘇水利 2018年8期
        關(guān)鍵詞:河網(wǎng)關(guān)鍵幀箭頭

        張宇亮,王業(yè)明,明 菽,黃文娟

        (1.南通理工學(xué)院,江蘇 南通 226000;2.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院,江蘇 揚州 225000;3.南通市港閘區(qū)水利與農(nóng)業(yè)局,江蘇 南通 226003)

        1 河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化的目的

        在河網(wǎng)數(shù)值模擬假定水流方向的過程中,傳統(tǒng)的處理方法主要以靜態(tài)CAD圖像的方式給予體現(xiàn),但是這樣只能反映出水流的方向,無法直觀的反映水流的速度與流量的大小。為了讓水“活動”起來,利用After Effects軟件制作動態(tài)水流動畫,它借助形象化方式表達水流動態(tài)發(fā)展的規(guī)律,使抽象的,難于理解的水動力理論變得通俗易懂。使非專業(yè)人員也能了解河網(wǎng)水力特性,減少運行工作成本,提高工作效率。因此,對河網(wǎng)水流數(shù)值模擬可視化研究是十分必要的[1]。

        2 河網(wǎng)水流數(shù)值模擬過程

        2.1 研究區(qū)域范圍

        本文選取位于長江中下游地區(qū)的南通市港閘區(qū)西片為研究對象,該片由南通市區(qū)三條一級河(通呂運河、通揚運河、九圩港)與長江形成四邊形區(qū)域,地勢較低,自東北向西南傾斜,地面高程為3.8~5.5 m(吳淞高程),屬沿江平原河網(wǎng)地區(qū)。該片水系為中低水系,區(qū)內(nèi)現(xiàn)有二級河(含二級河)以下河道79條,總長度101 km,整個片區(qū)水系為獨立水系,水位通過5座沿江涵閘及11座內(nèi)河涵閘自行調(diào)控,見圖1。主要骨干河道基本情況表(八五高程)見表1。

        2.2 建立河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

        對于非恒定流,描述一維水流運動的Saint-Venant方程組是建立在質(zhì)量守恒和能量守恒基礎(chǔ)之上的,以水位和流量為變量,其具體方程為[2]:

        連續(xù)性方程:

        運動學(xué)方程:

        采用該方程組,建立南通港閘區(qū)西片河網(wǎng)非恒定流數(shù)學(xué)模型,運用Preissmann四點加權(quán)隱格式,對方程組進行時間和空間離散,用追趕法求解離散后的差分方程組,采用雙松弛迭代法求解河網(wǎng)非恒定流[3]。

        2.3 確立河網(wǎng)運行調(diào)度方案

        利用計算結(jié)果確立以下運行調(diào)度方案,調(diào)度圖見圖2。

        東港永興河線路:東起通揚運河,西至長江,全長約4.08 km,依次分布東港閘、東港套閘,永興河閘。引排水線路:利用永興河閘從通揚運河引水,開啟東港套閘,在長江低潮位時開啟東港閘排入長江。

        圖1 南通市港閘區(qū)西片水系圖

        表1 南通市港閘區(qū)西片主要骨干河道基本情況表

        圖2 南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度圖

        蘆涇河線路:東起通揚運河,西至長江,全長約5.14 km,依次分布蘆涇閘、四號橋閘,三牌樓閘,蘆涇河與港閘河通過蘆建二河及東風(fēng)河相連,蘆建二河入天生港河由建設(shè)閘控制,東風(fēng)河入天生港河由凌家灣閘控制。引排水線路:由三牌樓閘從通揚運河引水,開啟四號橋閘,經(jīng)蘆涇閘排入長江。

        中心港河線路:東起通揚運河,西至長江,全長約5.18 km,從下游到上游依次分布中心港閘、勝利閘,水關(guān)廟閘。引排水線路:由水關(guān)廟閘從通揚運河引水,開啟勝利閘,經(jīng)中心港閘排入長江。

        天生港河,東起通揚運河,西至長江,全長約6.3 km,上游依次為天生港閘、唐家閘,在與各支流交界處有蘆建二河套閘、龍?zhí)缎W(xué)河閘、二化閘、龍?zhí)端牧娱l、凌家灣閘、陶家壩套閘。引排水線路:從唐家閘引水,經(jīng)沿線河道,開啟天生港閘排入長江。考慮沿線支流,可先關(guān)閉唐家閘,先排后引。

        長江岸線的涵閘以排水為主,通揚運河邊的涵閘以引水為主,暴雨前,河流預(yù)排至合理水位,暴雨后,根據(jù)長江潮位和通揚運河水位排水[4]。

        3 利用After Effects制作模擬水流動畫

        3.1 軟件介紹

        After Effects是美國Adobe公司發(fā)布的一款影視后期制作軟件,主要用于影視后期合成和特效設(shè)計,被廣泛應(yīng)用于電視臺、影視制作公司、多媒體制作公司和一些影視工作室,其工作流程[5]見圖3。

        After Effects應(yīng)用范圍廣泛,涵蓋電影、廣告、多媒體以及網(wǎng)頁等,時下最流行的一些電腦游戲,很多都使用它進行合成制作。After Effects提供了一套完整的工具,能夠高效地制作電影、錄像、多媒體以及Web使用的運動圖片和視覺效果。

        3.2 水流數(shù)值模擬動畫制作方案比較

        方案一:每個箭頭都畫出完整的流動軌跡,當(dāng)一個箭頭流出一段距離后,第二個箭頭出現(xiàn)并緊接著第一個箭頭的軌跡跑,后面不斷循環(huán)。該方案優(yōu)點是:流暢性和流向兼具;缺點:箭頭太多容易亂。

        方案二:制作一個短時間內(nèi)的水流動畫,比如5 s,在這時間內(nèi)能看清每條河的流向就行。優(yōu)點:時間間隔長,每條河流都能很快看清流向,能反映速度,箭頭減少很多,更容易看清。缺點:每5 s會重置一次,連貫性不好。

        方案三:采用長箭頭模式,每條河都能清楚地看到流向,就像一個流程圖。

        優(yōu)點:流暢性最好,能反映速度和大小。缺點:不能實時準確反映流向。

        最后經(jīng)過比較,選擇了方案三,下圖4是詳細制作過程。

        3.3 水流動畫制作步驟

        3.3.1 準備階段

        圖3 After Effects的工作流程

        圖4 3種動畫方案比選圖

        下載path arrow箭頭預(yù)設(shè),并將預(yù)設(shè)拖拽到河網(wǎng)的圖片上,這時候會形成一個新的合成,之后所有的操作都是在合成上操作,箭頭的參數(shù)可以通過左邊效果控件調(diào)整,依次是長度、位置、顏色、粗細、箭頭的形狀,通過輸入數(shù)字或者左右拉動就可以改變。

        3.3.2 繪制路徑

        選擇鋼筆工具繪制路徑,路徑就是水流的方向,繪制非常簡便,在彎道處還可繪制平滑的曲線。

        3.3.3 時間軸

        路徑選擇蒙版1,箭頭就會按照畫的路徑方向前進,在箭頭開始處和結(jié)束處按下原文本前的鬧鐘按鈕,再按下菱形按鈕,這是記錄關(guān)鍵幀,就是物體動起來的一個記錄標志。每個軟件只要能做動畫的就能K關(guān)鍵幀。其實就是物體變化的記錄。例如一個物體的位置發(fā)生變化,怎么真正的讓這右側(cè)向右的小箭頭將其展開,找到“Opacity(透明度)”一項,修改數(shù)值就可以調(diào)整圖層的透明度;第2種方法:選中圖層,直接按鍵盤上的T鍵,也可以調(diào)出“Opacity(透明度)”選項。透明度也要設(shè)置關(guān)鍵幀,關(guān)鍵幀的時間和狀態(tài)都要設(shè)置好

        3.3.6 渲染與導(dǎo)出

        單擊“渲染隊列”面板右上角的“渲染”按鈕。將合成渲染到影片可能需要幾秒鐘或數(shù)小時,具體取決于合成的幀大小、品質(zhì)、復(fù)雜性以及壓縮方法。在渲染項的渲染完成時,它仍然位于“渲染隊列”面板中,狀態(tài)更改為“完成”,直到從“渲染隊列”面板中將其移除。After Effects 提供各種輸出格式和壓縮選項。選擇合適的將其導(dǎo)出即可。南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度動畫截圖見圖5。個物體變化動呢,就是通過K關(guān)鍵幀。他原來的位置K一下,落點的位置K一下。

        圖5 南通市港閘區(qū)西片河網(wǎng)水系調(diào)度動畫截圖

        3.3.4 循環(huán)

        在菜單欄動畫中選擇添加表達式,然后輸入loop_out("cycle",0),0 表示所有關(guān)鍵幀,1表示最后2個,2表示最后3個,以此類推。也可以不寫,默認是0。

        3.3.5 透明度

        AE透明度設(shè)置方法有2種:第1種方法:選中圖層,點擊圖層名稱左側(cè)向右的小箭頭將其展開,這時會出現(xiàn)“Transform(變換)”選項,點擊其

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