基于3DS MAX制作機(jī)械動畫原理課件的研究

郭　鑫，曹巨江

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021)

基于3DS MAX制作機(jī)械動畫原理課件的研究

郭鑫，曹巨江

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021)

摘要：詳細(xì)介紹了在3DS MAX軟件中制作機(jī)械動畫運(yùn)動原理的過程，以四連桿機(jī)構(gòu)的動畫制作為例，從三維造型的引入、機(jī)構(gòu)零件的渲染以及動畫的制作3個(gè)方面進(jìn)行了闡述，為機(jī)構(gòu)機(jī)械動畫制作提供了新方法，充分展示了3DS MAX軟件動畫技術(shù)在多媒體課件中的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：四連桿機(jī)構(gòu)；三維建模；動畫制作；3DS MAX

在一些機(jī)械原理課程中，對于各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的講解通常采用的是結(jié)合一些機(jī)構(gòu)的三視圖并配合教師的經(jīng)驗(yàn)口述出來的，抽象的機(jī)構(gòu)運(yùn)動和空間結(jié)構(gòu)讓學(xué)生難以理解，從而使教學(xué)質(zhì)量不理想。為了解決這一問題，除了一些使用有機(jī)玻璃或塑料制成模型的傳統(tǒng)方法外，通常會采用機(jī)械軟件來繪制機(jī)構(gòu)的三維動畫模型并應(yīng)用在教學(xué)的多媒體課件中，加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)構(gòu)運(yùn)動和空間機(jī)構(gòu)的理解。然而，傳統(tǒng)的模型受到尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，使得動畫效果不明顯，機(jī)械軟件繪制的三維動畫模型視覺效果不逼真，使得演示效果不理想[1]。

三維動畫渲染和制作軟件3DS MAX是美國Autodesk公司出品的最流行的三維制作軟件，是全世界最知名的三維動畫制作軟件，在三維建模、動畫和渲染等方面能夠制作出高品質(zhì)的視覺效果，可以創(chuàng)建出各種各樣的虛擬顯示效果和生動逼真的動畫場景[2]。本文利用3DS MAX軟件將四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動做成動畫，不僅有利于研究機(jī)構(gòu)在空間的運(yùn)動情況，而且方便在多媒體教學(xué)中演示。

13DS MAX建模

三維建模是制作三維動畫的基礎(chǔ)，其好壞直接影響三維動畫的真實(shí)度。在建模中應(yīng)遵循一個(gè)原則，即在能夠保證視覺對象不失真的前提下，盡量采用最簡單的模型[3]。

1.1零件的建模

三維建模過程在此不詳細(xì)敘述，但要注意下述5點(diǎn)：1)建模前先分析建模的步驟，確定先做哪個(gè)零件以及每一個(gè)零件的細(xì)節(jié)；2)建模時(shí)注意給零件命名以及給予每一個(gè)部件明顯的區(qū)分；3)注意NURBS曲面建模的細(xì)節(jié)、相關(guān)零件的前后順序及中間的間隙；4)建模過程中成組零件，并且以組為單位命名；5)在四連桿機(jī)構(gòu)的建模中，適當(dāng)放大細(xì)節(jié)的展示，便于播放時(shí)學(xué)習(xí)。

1.2四連桿機(jī)構(gòu)的裝配

3DS MAX軟件與Creo軟件的裝配有很大的區(qū)別，Creo軟件裝配是選擇性命令，通過軸向的正確選擇就可以進(jìn)行裝配；然而，在3DS MAX軟件中則需要零件一個(gè)一個(gè)地裝配，尤其要注意零件之間的配合。四連桿機(jī)構(gòu)的建模圖如圖1所示。

圖1　四連桿機(jī)構(gòu)的建模圖

2給零件賦予材質(zhì)

渲染部分也是零件制作的一個(gè)重要部分，材質(zhì)的好壞直接影響到輸出動畫的真實(shí)程度。渲染時(shí)對不同的零件給予顏色上的區(qū)分，并賦予零件材質(zhì)，使其更加逼真，更加真實(shí)。對于材質(zhì)的編輯，以四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄為例，首先選擇一個(gè)材質(zhì)球，然后對該材質(zhì)球進(jìn)行編輯。在Standard中選擇合適的材質(zhì)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，使得曲柄的材質(zhì)視覺效果更具有真實(shí)感。將曲柄的外觀加入貼圖，以便于區(qū)別其他的結(jié)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)的渲染圖如圖2所示。

圖2　四連桿機(jī)構(gòu)的渲染圖

3制作動畫

按照實(shí)際的四連桿機(jī)構(gòu)裝配過程制作動畫，具體過程如下。

1)對于四連桿機(jī)構(gòu)局部的動畫，應(yīng)先進(jìn)行運(yùn)動分析。四連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)架、搖桿、連桿和曲柄組成，應(yīng)對四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)立幾個(gè)組件，為了動畫制作的方便，對組件進(jìn)行命名。曲柄的轉(zhuǎn)動以及搖桿和連桿的轉(zhuǎn)動是一體的，曲柄的轉(zhuǎn)動帶動連桿和搖桿之間的運(yùn)動，如果其中一個(gè)轉(zhuǎn)動出現(xiàn)問題，其他的轉(zhuǎn)動就不會實(shí)現(xiàn)，整個(gè)動畫的畫面就會進(jìn)入失敗狀況；所以，三者之間的轉(zhuǎn)動是相輔相成的。

2)設(shè)置動畫前，應(yīng)先對動畫時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，將動畫時(shí)間長度改為300幀，動畫播放的時(shí)長由原來的3 s增加到現(xiàn)在的10 s；其次，對曲柄的轉(zhuǎn)動命令進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)曲柄的轉(zhuǎn)動頻率；然后，設(shè)置搖桿，調(diào)節(jié)搖桿的旋轉(zhuǎn)命令；最后，設(shè)置連桿的動畫命令，連桿的運(yùn)動關(guān)系到搖桿和曲柄之間的運(yùn)動銜接，所以連桿的運(yùn)行軌跡是曲柄、搖桿和連桿運(yùn)作動畫最關(guān)鍵的一步，而且連桿的動畫命令相對搖桿和曲柄更加復(fù)雜，連桿不僅隨著曲柄的轉(zhuǎn)動而運(yùn)動，而且自身也有一個(gè)傾斜變動的動畫。連桿的動畫命令由2部分組成：a.設(shè)置連桿自身的動畫命令；b.設(shè)置連桿沿著曲柄的運(yùn)動軌跡，并采用路徑動畫的方式制作。為了保證三者之間的協(xié)調(diào)差距更小，可以細(xì)微地調(diào)節(jié)曲線編輯器的數(shù)據(jù)，尤其是連桿的運(yùn)動，既要跟曲柄的轉(zhuǎn)動結(jié)合，又要兼顧到后面搖桿的轉(zhuǎn)動；因此，需要在曲線編輯器中對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。另外，需要注意的是連桿在x、y、z軸每一幀移動的幅度都是不一樣的。四連桿機(jī)構(gòu)的局部動畫如圖3所示。

圖3　四連桿機(jī)構(gòu)的局部動畫

3)對于裝配完畢的四連桿機(jī)構(gòu)，先鎖定z軸的位置，最好使得z軸位于零件的中間位置。零件轉(zhuǎn)動時(shí)繞著鎖定的z軸旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)45°停頓一下，同時(shí)，通過調(diào)整曲線保證旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)平穩(wěn)。為了方便觀看者對四連桿機(jī)構(gòu)的外觀進(jìn)行仔細(xì)認(rèn)識，選擇360°旋轉(zhuǎn)動畫角度。在動畫的制作過程中可以選用3DS MAX軟件中的設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)來做，大約6幀設(shè)為1個(gè)自動關(guān)鍵點(diǎn)，到了第50幀設(shè)置成反向旋轉(zhuǎn)。四連桿機(jī)構(gòu)720°的旋轉(zhuǎn)不僅對外觀有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識和了解，對于動畫的播放也可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動起始的控制。四連桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)畫面如圖4所示。

圖4　四連桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)畫面

所有的設(shè)置完成后，按Render開始渲染，最后生成avi格式的輸出文件[4]。

4結(jié)語

采用3DS MAX軟件制作的四連桿機(jī)構(gòu)動畫可以很好地模擬出四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，直觀地了解各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動過程。對四連桿機(jī)構(gòu)的每個(gè)角落，每個(gè)零件都可以清楚地在制作的動畫中看到。在動畫播放時(shí)，可以隨意控制，甚至反復(fù)地播放。這些優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在多媒體課件中使得整個(gè)教學(xué)過程變得更加生動、直觀，能夠有效地提高學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷昌貴,王蘭美.蝸輪蝸桿減速箱拆裝動畫的設(shè)計(jì)與制作[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(6):99-101.

[2] 王忠鵬. 基于3D Max軟件在三維視覺形象設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 西安：西北大學(xué),2012.

[3] 孫倩.基于3DS MAX的三維建模及其在Virtools環(huán)境中的應(yīng)用[J].中國科技信息,2008(12):94-95.

[4] 殷昌貴,王蘭美.機(jī)油泵拆裝動畫的設(shè)計(jì)與制作[J].機(jī)床與液壓,2005(5):166-167，169.

責(zé)任編輯鄭練

Research on Mechanical Principle of Animation Courseware based on 3DS MAX

GUO Xin, CAO Jujiang

(College of Art & Design, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

Abstract:The process of animating a mechanical movement in the 3DS MAX software was presented in details, took four bar mechanism of the animation for example, it was discussed from three sections such as three-dimensional modeling, mechanism parts of rendering and animation making. It provided a new way for institutional simulation animation, and fully showed the 3 DS MAX animation technology advantage in multimedia courseware.

Key words：four bar mechanism, three dimensions modeling, animation, 3DS MAX

收稿日期：2014-05-30

作者簡介：郭鑫(1988-)，女，碩士研究生，主要從事工業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)管理等方面的研究。

中圖分類號：TP 317.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B