布清云 劉嘉儀 陶雪 馬雨初

關(guān)鍵詞：三維動畫；大規(guī)模天線陣列技術(shù)；MIMO 陣列；移動通信

在信息時代，數(shù)據(jù)吞吐量爆炸式增長，而在移動通信網(wǎng)絡中，整個系統(tǒng)最前端關(guān)鍵的部分——天線，也從未停下升級的腳步。面對逐漸復雜的需求變化，大規(guī)模天線技術(shù)的可視化演示越發(fā)重要。本文旨在說明三維動畫對模擬大規(guī)模天線陣列的裝配演示的重要輔助作用，采用市場調(diào)研、數(shù)據(jù)分析、實例操作等方法進行了系統(tǒng)性研究。相較于傳統(tǒng)的平面圖紙分析，三維模擬裝配有以下幾個優(yōu)點：

①能夠以更簡潔、更直觀、更人性化的方式展示天

線陣列裝配的三維概念；

②擁有更逼真的模擬效果，大幅度提升裝配效率；

③預先檢測誤差，有效地降低產(chǎn)品后續(xù)裝配的成本。

一、研究背景

（一）天線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

天線技術(shù)直接影響著5G 等無線通信技術(shù)的發(fā)展。國外對大規(guī)模天線的研究開始較早，起步高，并且也開發(fā)出了一系列性能較好的天線產(chǎn)品。歐洲、亞太、北美地區(qū)比較早開發(fā)5G，基本完成了5G 網(wǎng)絡的商用；其他地區(qū)也緊隨其后地進行5G 的發(fā)展。國外的研究機構(gòu)開展了大量以5G 產(chǎn)業(yè)為基礎的大規(guī)模天線開發(fā)工作和面通過三維動畫模擬演示大規(guī)模天線陣列裝配的研究向第五代通信技術(shù)的有源集成化天線陣列的研究工作。

長期以來，我國政府高度重視天線技術(shù)的研發(fā)，如今發(fā)展迅猛，取得了重大成果。特別是最近幾年，從第五代移動通信技術(shù)在“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中得到大力推進，再到如今天津市科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃中重點支持5G 等新一代通信技術(shù)攻關(guān)，第五代通信技術(shù)成為國家的重點發(fā)展項目。而5G 的核心之一——大規(guī)模天線技術(shù)，則在更多不同領(lǐng)域的通信業(yè)務中發(fā)揮著建設性作用。近年來，我國高校的科研院所、運營商、設備制造商和相關(guān)領(lǐng)域的核心單位都在集中精力研究大規(guī)模天線技術(shù)，在取得了很大成就的同時，也遇到了很多問題。大規(guī)模天線陣列需要擴展系統(tǒng)，所以天線的外觀、尺寸、重量、數(shù)量和功耗都可能成倍增長（圖1）。用平面圖紙與工廠交流無法直觀立體的展示復雜的陣列關(guān)系，如果溝通不好還會增加試錯的成本。

在此之前，受發(fā)展時間短和技術(shù)條件等多方面制約，有關(guān)大規(guī)模天線技術(shù)的動畫展示與應用較少，該領(lǐng)域仍存在一定的空白。

（二）動畫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（國際、國內(nèi)）

計算機三維成像技術(shù)的不斷發(fā)展促進了三維動畫的發(fā)展，三維動畫的立體性、可塑性以及仿真性在各個領(lǐng)域的應用都有獨到之處，人們也越來越重視三維動畫技術(shù)的研究，三維動畫如今已經(jīng)成為一個大規(guī)模的全球性產(chǎn)業(yè)。在設備制造和使用領(lǐng)域，與平面圖紙相比，三維動畫的優(yōu)點是更加直接客觀，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式立體直白、通俗易懂，能帶給客戶最直接的感受，無論是產(chǎn)品形象還是數(shù)據(jù)反饋都較為直觀，進程中的項目能夠提前讓客戶預見實施后的最終成果，不僅方便客戶溝通，還較大地節(jié)省了項目時間。

三維動畫技術(shù)在國外起步早，起始和全盛時期都在國外。20 世紀70 年代末， 美國開始探索電腦制作動畫，起初是運用較簡單的計算機技術(shù)。在1985 年， 微軟公司正式發(fā)布Windows 1.0， 之后將工作站上的Softimage 移植到PC 機上。1996 年4 月，3DS 的升級版本3DS MAX1.0橫空出世。下一年， 由迪士尼發(fā)行的三維動畫片《玩具總動員》在上映后一炮而紅，這代表三維動畫已經(jīng)正式進入普通人的生活。而后，迪士尼隨即推出了更多的三維動畫， 例如《玩具總動員2》《怪物公司》和《蟲蟲特工隊》這些動畫都取得了非凡的成就。1998 年，Maya 的問世給三維動畫帶來了更多可能性。越來越多制作軟件的出現(xiàn)促進了三維動畫應用領(lǐng)域的不斷擴展和發(fā)展。建筑裝飾、產(chǎn)品設計、廣告電影片、MTV、電視專欄、全數(shù)字電影制作等等，國外的三維動畫技術(shù)一直處于領(lǐng)先的地位。

我國的三維動畫起步晚，屬于新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但隨著科技的快速發(fā)展和政府的大力支持，我國的三維動畫技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。隨著制作軟件的豐富和專業(yè)學科的設立，我國三維動畫方面的人才也大大增加。三維動畫技術(shù)在我國多個領(lǐng)域都有很好的表現(xiàn)，比如成都繹東道科技港珠澳大橋檢車動畫演示、中國美術(shù)館動畫模擬方案、大眾模擬生產(chǎn)線等等。三維動畫技術(shù)帶來的影響力以及經(jīng)濟效益不斷增強，國家對三維動畫的發(fā)展也越來越關(guān)注，不斷引進國外的先進技術(shù)，培養(yǎng)相關(guān)人才，三維動畫行業(yè)正在有條不紊的發(fā)展前行中。

二、可應用領(lǐng)域與現(xiàn)實需求

（一）對于研發(fā)團隊

三維模擬動畫可以清晰直觀地看到后期裝配過程中，針對不利于裝配實施的地方，簡單方便地調(diào)整動畫直到合適，然后再修改實物，不用擔心后期返工耗費時間和成本的問題。三維模擬動畫相比平面的流程圖紙，產(chǎn)生更加立體直觀的效果，帶來質(zhì)量和效率的保證。

（二）對于生產(chǎn)公司

對于生產(chǎn)廠家來說，大規(guī)模天線陣列的尺寸變大，裝配成本提高，一旦出錯會有很大的損失。三維動畫模擬演示大規(guī)模天線陣列裝配通過三維計算機技術(shù)，對裝配過程進行預覽，可以對其有詳細、全面的了解。提前制作裝配動畫，可以防止裝配過程中的一些失誤，對漏洞進行提前糾正和調(diào)整，為裝配過程帶來效率和質(zhì)量保證。裝配動畫也可以提前給裝配人員進行培訓，通過動畫的講解，更加清晰直觀地了解裝配的技術(shù)。

（三）對于用戶

用戶在購買和使用一項產(chǎn)品或引進一種新技術(shù)前，首先會去了解其基本信息和工作原理，而尖端技術(shù)往往晦澀難懂，難以解釋。在本研究小組2022 年7 月開展的一項調(diào)研的結(jié)果顯示，超過九成的人對大規(guī)模天線陣列技術(shù)知之甚少。動畫模擬能在很大程度上解決向用戶展示技術(shù)機制的困難。此外，調(diào)查結(jié)果還顯示：83.18%的受訪者更希望通過動畫來了解一項未知技術(shù)（圖2）。并且如果在科技館里看到有關(guān)動畫演示的內(nèi)容，超過97% 的人愿意駐足觀看，這說明在眾多展示形式中，人們更傾向于選擇觀看動畫演示。

三、技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢與現(xiàn)實意義

（一）技術(shù)的設計內(nèi)容與創(chuàng)新點

以三維動畫獨有的展示形式來解釋大規(guī)模天線陣列技術(shù)設備的裝配方式，通過數(shù)字媒體技術(shù)將裝配過程以多角度、視頻化的形式，更清晰直觀地展示給技術(shù)人員，進而解決目前大規(guī)模天線陣列裝置技術(shù)要求高、講解難度大等問題。一方面提高裝配效率，縮短建設工期；另一方面也為之后更多的設備制造與安裝參考提供了可行思路。

（二）技術(shù)優(yōu)勢

三維動畫軟件相較于工業(yè)軟件有更豐富的材質(zhì)和燈光，能夠達到更逼真的視覺效果。同時，粒子特效和數(shù)字合成等CG 技術(shù)的綜合應用，大大加強了畫面的真實感，其視覺沖擊力也遠超工業(yè)軟件。

此外，三維動畫制作與使用能夠突破時間和空間的限制，受外界環(huán)境影響更小，特別是針對一些拍攝難度大、無法實現(xiàn)實拍的場景，可以通過三維動畫制作虛擬場景，進而模擬現(xiàn)實中難以展示的畫面。

（三）動畫模擬天線裝配的現(xiàn)實意義

在大規(guī)模天線陣列裝配中，三維動畫模擬有其顯著的作用和優(yōu)勢。其“成本低”這一點就占據(jù)了絕對優(yōu)勢，天線作為高精尖設備，因其專業(yè)性和結(jié)構(gòu)的煩瑣復雜，本就價格高昂。而三維動畫因使用電腦操作，則很好地彌補了這一點，并在節(jié)省經(jīng)費的基礎之上有效提高模擬效果的精度和質(zhì)量，進而達到更優(yōu)質(zhì)的效果。

三維動畫不僅可以從不同角度更加立體地展示天線陣列的完整效果，其對于天線裝配不同環(huán)節(jié)與不同步驟的動態(tài)展示也是一大特色。這就能使技術(shù)人員提前看到最終成果和安裝的全部流程，便于對安裝過程中可能出現(xiàn)的問題提前做出判斷。

此外，天線設備大都精密細致，各種線路的規(guī)模龐大復雜，三維動畫突破了平面圖紙的限制，不只是在視覺上放大或縮小，在模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)時也表現(xiàn)得更加清楚全面，讓“死”設備“活”起來。

三維動畫發(fā)展至今，其操作的靈活度與上手難度已經(jīng)得到極大改善。不僅方便，三維動畫利用切刀、倒角、布爾運算等操作可以將模型制作成任何人們想要的形狀。這里要提到“共形設計”，“共形”在飛機、導彈、艦艇等設備上使用較多，因為考慮到空氣動力學，這類設備很難在外觀上做出大的改變，所以要求天線在外觀上向它們共形，而制作一個新的模型對三維動畫技術(shù)來講并不是什么難事。

大規(guī)模天線陣列用于通信基站時信號要覆蓋整個城市范圍，如果有哪里沒有覆蓋，手機等通信設備就無法使用。三維動畫可以模擬展示裝配后基站輻射的方向范圍，直觀地展示所覆蓋的面積。

四、研究局限與展望

由于以往的天線主要依靠平面圖紙進行展示和安裝，缺少現(xiàn)有的3D 模型庫，且不同天線的結(jié)構(gòu)差異較大，動畫模擬前期在模型制作上需要較大投入；另外，三維動畫模擬技術(shù)在大規(guī)模天線陣列裝配的領(lǐng)域存在一定空白，且學科跨度較大，可借鑒經(jīng)驗較少，需要投入較多的精力在前期探索研究。

在實際應用中，根據(jù)實際需求修改部分外觀、線路以及安裝思路，即可制作出裝配施工流程演示視頻，從而大幅度提高效率和降低制作成本。

三維動畫演示也可以放置到科技館等場所展示，讓大眾也了解到天線技術(shù)，可以科普知識。動畫生動的表現(xiàn)手法、交互功能也更能提起大眾對天線技術(shù)的興趣，讓更多的青少年也了解到天線技術(shù)，未來會有更多的人參與到這門技術(shù)的研究中來。

五、結(jié)束語

三維動畫模擬演示裝配過程對大規(guī)模天線技術(shù)裝配有著極其重要的應用價值，符合天津等多地科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃中重點支持5G 等新一代通信技術(shù)的要求，對大規(guī)模天線技術(shù)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實意義。

大規(guī)模天線陣列裝配技術(shù)在模擬實體展示方面有所欠缺，需要通過更全面的方式補充模擬裝配這一環(huán)節(jié)。三維動畫模擬演示所帶來的便捷對于研究團隊、生產(chǎn)公司都有很大的益處和幫助，特別是三維動畫的視覺效果也讓用戶樂于了解大規(guī)模天線技術(shù)。因此，三維動畫模擬裝配能夠在一定程度上滿足當前技術(shù)研發(fā)和科普教育的現(xiàn)實需求。三維動畫所具有的立體性、可塑性以及仿真性對于模擬大規(guī)模天線陣列裝配這種極其復雜的技術(shù)有無可替代的優(yōu)勢，在降低成本和提高效率等方面有著重要意義。