三維仿真動畫在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用

張婷婷

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 200093）

0 引 言

海洋在地球表面積中占有最大的比例，是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要資源寶庫與拓展空間。步入二十一世紀(jì)后，海洋事業(yè)在國家整體發(fā)展中占有重要地位，其發(fā)揮的作用越來越明顯。國家多次頒布相關(guān)政策，劃分多個以海洋經(jīng)濟(jì)為主題的發(fā)展區(qū)域，促進(jìn)我國海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展。在我國海洋工程發(fā)展的過程中，有許多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)揮了重要的推動作用，本文將針對三維仿真動畫技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展、應(yīng)用進(jìn)行分析討論。

1 三維仿真動畫技術(shù)概述

三維仿真動畫又稱為仿真三維動畫或三維動畫仿真技術(shù)，是一種利用計算機(jī)技術(shù)，用三維數(shù)字模型動畫進(jìn)行展示的呈現(xiàn)方式。隨著三維建模、渲染器數(shù)字化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷成熟與快速發(fā)展，三維仿真動畫作為當(dāng)前熱門的視覺表達(dá)方式也愈加精進(jìn)[1]。與二維圖像相比，三維仿真動畫產(chǎn)生的視覺效果可以讓人們對動畫所展示的對象、對象的狀態(tài)以及對象所處的環(huán)境有更加直觀的識別與認(rèn)知，更容易讓人們體驗到身臨其境的感覺。特別是在工程模擬中，該技術(shù)可以幫助人們提前領(lǐng)略工程完工后的效果。與其他藝術(shù)創(chuàng)作類三維動畫相比，三維仿真動畫的制作與應(yīng)用有著不同之處，其對所表達(dá)對象的呈現(xiàn)尺度、光影、環(huán)境、材質(zhì)等要求要與客觀世界的真實(shí)條件相符合，對所呈現(xiàn)的畫面要求有足夠的真實(shí)感與沉浸感。但三維仿真動畫的出現(xiàn)及存在絕不僅僅是為了模仿客觀世界的現(xiàn)實(shí)存在，而是讓人類創(chuàng)新的想象力有了可以著陸和展示的虛擬世界環(huán)境，找到了可以創(chuàng)造無限可能的“平行世界”或“純視覺化鏡像空間”[2]。

由于三維仿真動畫具有高效的物體模擬能力以及較高的真實(shí)性、精準(zhǔn)性、可操作性，其被廣泛地運(yùn)用到娛樂、教育、醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域。對于三維仿真動畫，人們最常了解到的就是影視制作中的視頻特效制作、特技、片頭飛字以及廣告產(chǎn)品展示等[3]。

2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀

海洋工程是指以海洋資源開發(fā)利用、保護(hù)及恢復(fù)為主要目的，且工程主體位于海岸線向海一側(cè)的新建、改建以及擴(kuò)建工程。海洋工程是我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要載體，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其基本可分為以下五種類型。

（1）海洋資源開發(fā)工程，如海洋漁業(yè)工程、海洋生物工程、海水利用工程、海洋油氣資源開發(fā)工程、海洋金屬資源開發(fā)工程以及海洋可再生資源開發(fā)利用工程等。

（2）海洋裝備制造工程，如海上鉆井平臺、船舶制造工程、海洋觀測儀器以及海洋探測裝備等。

（3）海洋空間利用工程，如港口運(yùn)輸工程、跨海橋梁工程、海底隧道工程、海底電纜管道工程、臨海工業(yè)工程、人工島工程以及圍填海工程等。

（4）海洋管理工程，如海洋執(zhí)法系統(tǒng)、海洋信息系統(tǒng)、海洋預(yù)報系統(tǒng)、海洋監(jiān)測系統(tǒng)以及海洋打撈救生系統(tǒng)等。

（5）海洋軍事工程，如軍港、軍艦、潛艇、監(jiān)視工程、預(yù)警工程以及海岸防衛(wèi)工程。

近些年來，我國的海洋工程發(fā)展在規(guī)模與數(shù)量上發(fā)生了巨大的變化[4]。大型基礎(chǔ)設(shè)施與重化工業(yè)逐漸在沿海地區(qū)布局，使得我國海洋工程建設(shè)規(guī)模不斷地擴(kuò)大。同時，我國海洋工程技術(shù)也在不斷進(jìn)步，使得我國海洋工程建設(shè)的質(zhì)量與效率得到了大幅度的提高；對海洋資源的開發(fā)利用方式逐漸更加節(jié)約高效，對海洋空間的開發(fā)也逐步擴(kuò)大，從近海區(qū)向深海區(qū)探進(jìn)，資源的充分利用與空間的進(jìn)一步開發(fā)為我國海洋工程與國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。海洋工程的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化，我國傳統(tǒng)海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長，我國海上娛樂產(chǎn)業(yè)、海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、海洋生物制品、海水淡化及海洋可再生能源開發(fā)利用等多種新興產(chǎn)業(yè)已逐漸形成規(guī)模，穩(wěn)定發(fā)展。

3 三維仿真動畫在海洋工程中的應(yīng)用

3.1 海洋石油工程

海洋石油工程與陸地石油工程相比，其對相關(guān)技術(shù)與投入的要求極高，且很容易帶來較大的風(fēng)險。因此，在開展分析施工可行性、施工流程仿真模擬、檢查結(jié)構(gòu)物干涉等工作方面對海洋石油工程的整體有著十分重要的作用。利用三維仿真動畫技術(shù)可以很好地模擬出海洋中的實(shí)際情況，在實(shí)施海洋石油工程時，可通過建立環(huán)境模型、設(shè)備模型進(jìn)行動畫制作，對設(shè)備在海洋中的作業(yè)進(jìn)行模擬，為相關(guān)管理人員對下一步工程的決策提供有效依據(jù)。高質(zhì)量水平的三維仿真動畫模擬技術(shù)可以直接促進(jìn)施工可行性分析、施工流程仿真模擬、結(jié)構(gòu)物干涉檢查等工作良好完成，大幅度減少相關(guān)成本的投入，同時可以幫助設(shè)計單位更快速地發(fā)現(xiàn)施工設(shè)計方案存在的不足，還可以讓施工人員對施工方案的過程與細(xì)節(jié)有更加直觀的了解，從而達(dá)到提高整體工程質(zhì)量、縮短施工周期、減少相關(guān)成本投入以及提高項目收益的目的。

3.2 海洋工程設(shè)施三維建模

大型工程建設(shè)項目大多采用三維建模技術(shù)，隨著數(shù)字工程、工程改造等市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，三維激光掃描與實(shí)景建模技術(shù)的應(yīng)用也取得了較大的發(fā)展與提高。海洋工程設(shè)施三維建模的具體工作內(nèi)容通常包括以下3個階段。

（1）數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集階段，首先應(yīng)采用無人機(jī)進(jìn)行多角度的航拍，獲取海洋工程設(shè)施的多角度影像數(shù)據(jù)。獲得到的影像數(shù)據(jù)包含高精度位置信息，能根據(jù)專業(yè)的幾何參數(shù)檢校，提供準(zhǔn)確的內(nèi)方位元素。對于設(shè)施內(nèi)部，主要采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用該技術(shù)獲取到的數(shù)據(jù)可在三維成果中直接進(jìn)行模型的測量與管理。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括影像數(shù)據(jù)處理與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。影像數(shù)據(jù)處理指的是對每架無人機(jī)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和處理，經(jīng)過不斷地調(diào)整，獲得最終需要的數(shù)據(jù)，所有結(jié)果在經(jīng)過質(zhì)量檢查合格后進(jìn)行整理歸檔，獲得最終的航拍成果。在無人機(jī)攝影采集的影像中，影像預(yù)處理中的勻光勻色調(diào)校及處理速度是影響影像效果的關(guān)鍵因素[5]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理就是對經(jīng)過激光掃描技術(shù)后獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并整理、分割、降噪處理等。

（3）模型創(chuàng)建。海上設(shè)施的外輪廓模型創(chuàng)建以無人機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于相關(guān)建模技術(shù)進(jìn)行模型建立，并將建立后的模型輸出展示。海洋工程設(shè)施內(nèi)部設(shè)備經(jīng)由激光掃描技術(shù)后獲得彩色點(diǎn)云成果，直接構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)，獲得色彩真實(shí)的三維模型。

3.3 海洋平臺主機(jī)安裝

在海洋平臺主機(jī)安裝方面，三維仿真動畫技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)勢通常表現(xiàn)在以下方面。

（1）設(shè)計方面。對于一些特大型設(shè)備或極易與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的設(shè)備，利用三維軟件進(jìn)行建模設(shè)計與仿真后，可以在正式施工前就發(fā)現(xiàn)其中存在的隱患與不足，便于設(shè)計人員互相交流設(shè)計思路，并有針對性地提出解決、優(yōu)化安裝方案，確定設(shè)備的組裝工序，不僅提高了施工的效率，還保證了施工效果的高質(zhì)量。

（2）指導(dǎo)施工方面。在施工前應(yīng)用三維仿真動畫技術(shù)可以幫助對施工人員進(jìn)行講解與指導(dǎo)，能讓施工人員更清晰明了地熟悉施工中的注意事項，了解各項設(shè)備的組成形狀、質(zhì)量與大小，便于對設(shè)備安裝的全面了解和對整體的把握，不僅能加快整體施工進(jìn)度、縮短工期，還可以避免出現(xiàn)因施工人員對設(shè)備進(jìn)行錯誤安裝而導(dǎo)致施工后出現(xiàn)較差施工效果的情況。

（3）管理方面。通過三維仿真動畫對施工效果進(jìn)行全景展示，除了為管理人員與工作人員提供更加直觀的視覺表達(dá)與準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)表達(dá)外，還有利于管理人員對項目設(shè)備建造的風(fēng)險評估、整體把握與控制以及設(shè)備的施工管理，是對項目建造的全新控制管理手段。

3.4 海洋半潛平臺仿真設(shè)計

3.4.1 腳本設(shè)計

腳本設(shè)計是海洋半潛平臺三維仿真動畫制作的關(guān)鍵。制作人員要充分了解設(shè)計對象的具體工作流程，并在此基礎(chǔ)上制定出更加符合實(shí)際的設(shè)計方案，以便對畫面、環(huán)境等多處細(xì)節(jié)進(jìn)行確認(rèn)。之后，以保證方案的科學(xué)性、時效性作為前提，由管理者、設(shè)計單位及制造單位等進(jìn)行多方面的分析論證，最終確定整個三維仿真動畫設(shè)計方案。

3.4.2 模型材質(zhì)

海洋半潛平臺建模是三維仿真動畫制作不可缺少的重要工作。由相關(guān)工作人員使用Tribon M3軟件與NURBS曲面工業(yè)設(shè)計軟件進(jìn)行模型制作，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到3DS MAX軟件中對三維仿真動畫的場景進(jìn)行模型構(gòu)建。

由于整個平臺模型信息量較大，因此模型的質(zhì)量必將有所降低，整體合理精簡化，而模型的紋理、材質(zhì)貼圖的制作則相對精細(xì)一些[6]。為了突出平臺模型仿真的真實(shí)效果，相關(guān)工作人員應(yīng)將工廠提供的材料材質(zhì)、顏色譜系表作為模型貼圖制作的基礎(chǔ)，為整個平臺準(zhǔn)確地提供材質(zhì)來源；再結(jié)合之前所收集的資料，為平臺設(shè)備提供設(shè)計的細(xì)節(jié)資料，如對防噴器、鐵鉆工等進(jìn)行貼圖繪制；最后再采用3DS MAX軟件中UV紋理編輯器進(jìn)行對位與編輯，并配合整體模型，實(shí)現(xiàn)最好的模型效果。

3.4.3 動畫制作

動畫制作是三維仿真動畫制作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。通過分析計算所得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合3DS MAX自身的參數(shù)化設(shè)置，可以很好地模擬出相關(guān)設(shè)備在工作時的狀況。除此之外，還可以在其中加入異形影響因素，如海水、波浪、風(fēng)力等，更真實(shí)地還原平臺出塢時的場景[7]。

4 結(jié) 語

三維仿真動畫技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅在海洋工程方案的展示與優(yōu)化方面發(fā)揮了重要作用，還為海洋工程設(shè)計全面應(yīng)用三維仿真技術(shù)創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)了三維仿真動畫技術(shù)與海洋工程的共同發(fā)展。海洋工程通過對三維模型的建設(shè)、模擬，有效地提高了相關(guān)工程的工作效率，為管理人員進(jìn)行決策提供了重要的參考，為我國海洋強(qiáng)國建設(shè)提供了有力的支撐與保障。