模塊化設(shè)計(jì)方法在盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫中的應(yīng)用

安秀欣

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙410100）

模塊化設(shè)計(jì)（Modular Design）是為了取得最佳效益，從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，研究產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的構(gòu)成形式，用分解和組合的方法建立模塊體系，并運(yùn)用模塊組合為成品（或系統(tǒng)）的全過程[1]。模塊的大批量特性可以降低成本，提高效率，模塊的快速組合特性可以形成多樣性的產(chǎn)品[2]。

盾構(gòu)機(jī)是集開挖、出渣、支護(hù)、導(dǎo)向等工序?yàn)橐惑w的大型隧道施工成套裝備。盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫，是通過運(yùn)用三維動(dòng)畫仿真技術(shù)構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)虛擬施工場景，模擬其工作原理及各項(xiàng)功能特性，主要用于產(chǎn)品推廣、技術(shù)交流、項(xiàng)目投標(biāo)、重大項(xiàng)目驗(yàn)收及重大獎(jiǎng)項(xiàng)申報(bào)等用途，已成為盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品推廣及營銷的重要手段。

盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫在設(shè)計(jì)制作過程中也存在很多弊端：

（1）盾構(gòu)機(jī)為定制化、非標(biāo)產(chǎn)品，其工業(yè)動(dòng)畫內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)、適用范圍小。

（2）盾構(gòu)機(jī)因系統(tǒng)龐大、施工過程復(fù)雜，使得其工業(yè)動(dòng)畫模擬難度大、制作周期長。

（3）為滿足不同機(jī)型、不同用途的盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫需求，需投入大量的人工成本與時(shí)間成本。為解決這些問題，在盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)制作過程中引入模塊化設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)各工業(yè)動(dòng)畫進(jìn)行相似性分析，綜合考慮其作業(yè)模式與制作流程，從而得到適用于盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的模塊化設(shè)計(jì)方法。

1 盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫內(nèi)容分析

由于盾構(gòu)機(jī)是地下隧道施工裝備，因其作業(yè)環(huán)境惡劣，空間狹小，難以實(shí)地觀測(cè)和拍攝其施工狀態(tài)。為了更直觀、更全面地介紹設(shè)備特性，一般情況下，施工原理是盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的必展內(nèi)容。

以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（見圖1）為例，其施工原理為：盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，渣土通過刀盤開口進(jìn)入開挖倉，螺旋輸送機(jī)將開挖倉內(nèi)渣土輸送至后配套皮帶機(jī)上，渣土經(jīng)皮帶機(jī)傳送至后配套系統(tǒng)尾部并被卸放到下方的渣車內(nèi)，由渣車運(yùn)出洞外。推進(jìn)油缸頂推管片使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)距離為一環(huán)管片寬度時(shí)，停止掘進(jìn)，進(jìn)行管片拼裝，拼裝機(jī)依次進(jìn)行管片塊的抓取和拼裝，當(dāng)封頂塊拼裝完畢后，即完成整環(huán)管片的拼裝。之后盾構(gòu)機(jī)再次進(jìn)入推進(jìn)模式，推進(jìn)油缸全部撐緊在管片環(huán)上繼續(xù)向前推進(jìn)。在推進(jìn)的同時(shí)，注漿系統(tǒng)通過盾尾的注漿管對(duì)管片與開挖直徑之間的空隙進(jìn)行同步注漿來使周圍土體獲得及時(shí)的支撐。二次注漿一般滯后于盾尾幾環(huán)管片，通過管片的吊裝孔注入到管片壁后。

盾構(gòu)機(jī)的施工原理展示可以簡要概括為開挖、出渣、支護(hù)三大主要施工環(huán)節(jié)，不同機(jī)型的功能實(shí)現(xiàn)方式或者功能結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，通過歸納分析不同機(jī)型盾構(gòu)機(jī)施工原理的相似性和通用性，梳理出具備常用化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)畫內(nèi)容，作為模塊化設(shè)計(jì)的范圍。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

2 動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的設(shè)計(jì)方法

2.1 預(yù)設(shè)模塊布局規(guī)劃

盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的制作內(nèi)容主要有模型、材質(zhì)、渲染、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、特效、施工場景，以及后期剪輯合成七個(gè)方面。基于盾構(gòu)機(jī)的施工原理，模塊布局規(guī)劃是按照動(dòng)畫制作的內(nèi)容逐項(xiàng)展開分類梳理。其中，運(yùn)動(dòng)關(guān)系是依托產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，難以從模型中剝離出來，所以，運(yùn)動(dòng)關(guān)系這一部分內(nèi)容不納入梳理范圍，但在通用模型中須建立完善的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。最終得出模塊布局框架圖（見圖2），包含模型預(yù)設(shè)、材質(zhì)預(yù)設(shè)、渲染預(yù)設(shè)、特效預(yù)設(shè)、場景預(yù)設(shè)和后期預(yù)設(shè)六項(xiàng)模塊內(nèi)容。

圖2 模塊布局框架圖

模型預(yù)設(shè)模塊，一般分為兩個(gè)部分，一是盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品的通用模型預(yù)設(shè)模塊，這部分的預(yù)設(shè)模塊參照盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品模塊化的結(jié)構(gòu)單元模塊進(jìn)行劃分，主要包括盾構(gòu)機(jī)的一些非關(guān)鍵展示的通用部件模型；二是動(dòng)畫場景中其他輔助展現(xiàn)的通用模型預(yù)設(shè)模塊，其中包括人物骨骼模型、作業(yè)工具模型（扳手、螺絲刀等）、輔助工程機(jī)械（吊車、挖掘機(jī)等）、施工環(huán)境模型（植物、城市建筑、交通工具等）。

材質(zhì)預(yù)設(shè)模塊，是為盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫預(yù)制的不同特性的材料及表面紋理的材質(zhì)集合。材質(zhì)預(yù)設(shè)模塊基本上可劃分為金屬類材質(zhì)（不銹鋼、銹蝕金屬等）、油漆類材質(zhì)（各類顏色油漆）、地質(zhì)類材質(zhì)（軟巖、硬巖等1-8級(jí)地質(zhì)）、其他材質(zhì)（油液、橡膠、玻璃、皮革等），以及特殊表現(xiàn)材質(zhì)（發(fā)光材質(zhì)、線框材質(zhì)等），其中油漆類材質(zhì)須符合企業(yè)產(chǎn)品的涂裝色彩相關(guān)規(guī)范，滿足盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的使用需求。

渲染預(yù)設(shè)模塊，是不同畫面渲染精度的參數(shù)預(yù)設(shè)集合，主要分為超清、高清、標(biāo)清三種渲染預(yù)設(shè)，用以輸出不同分辨率要求的視頻。

特效預(yù)設(shè)模塊，依據(jù)盾構(gòu)機(jī)的施工原理劃分特效預(yù)設(shè)模塊，盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫常用的粒子特效主要是兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是開挖渣土類特效，主要有三類：（1）刀盤開挖掌子面的渣土特效，包括落渣特效和渣土改良特效；（2）開挖倉內(nèi)的渣土特效，包括落渣特效、渣土堆積特效、鏟斗刮渣特效、渣土改良特效和破碎機(jī)碎渣特效；（3）渣土運(yùn)輸特效，包括螺旋機(jī)運(yùn)輸特效、管路運(yùn)輸特效、皮帶機(jī)運(yùn)輸特效共三種。二是穩(wěn)固地質(zhì)類特效，主要有超前注漿特效和壁后回填特效。相同的施工特效，通過不同的制作手段和工具會(huì)有不同呈現(xiàn)效果，所以，特效預(yù)設(shè)模塊依據(jù)展示手段分別設(shè)置有三維模擬特效和后期制作特效。

場景預(yù)設(shè)模塊，為滿足不同盾構(gòu)機(jī)機(jī)型、不同施工需求的場景預(yù)設(shè)，主要?jiǎng)澐譃槌鞘袌鼍?、鄉(xiāng)村場景、山地場景、荒漠場景、草原場景、江河場景、煤礦場景，以及空白場景八大類型，每類場景均設(shè)置多個(gè)施工作業(yè)場景預(yù)設(shè)模塊，一方面用于展現(xiàn)不同機(jī)型的作業(yè)施工地點(diǎn)，比如，城市場景類型中，在道路兩側(cè)設(shè)置地表淺層的管廊作業(yè)施工場景模塊，在地下設(shè)置地鐵隧道建設(shè)的施工作業(yè)場景模塊，在高速路下方設(shè)置建設(shè)涵洞的施工作業(yè)場景模塊等等，用于滿足不同機(jī)型的施工作業(yè)需求；另一方面擴(kuò)大作業(yè)場景的選擇空間，比如，城市場景中的地鐵隧道施工場景可在城市的不同角落設(shè)置多個(gè)模塊，減少同一場景模塊反復(fù)使用而引起的審美疲勞。

后期預(yù)設(shè)模塊，主要是針對(duì)動(dòng)畫視頻后期剪輯合成的效果預(yù)設(shè)模塊，可劃分為設(shè)計(jì)元素、設(shè)計(jì)版式及調(diào)色預(yù)設(shè)三大類，各類型預(yù)設(shè)模塊包括有多種設(shè)計(jì)風(fēng)格，滿足不同的使用需求，而且同種設(shè)計(jì)風(fēng)格的模塊可以自由組合進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)視頻風(fēng)格的整體統(tǒng)一化和局部多樣化。

2.2 模塊設(shè)計(jì)制作

通過單元模塊的組合變化，從而實(shí)現(xiàn)多樣化的動(dòng)畫效果，是模塊化設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，預(yù)設(shè)模塊是否好用，關(guān)鍵在于單元模塊的規(guī)范化程度，下面以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掌子面落渣特效的PF粒子預(yù)設(shè)模塊為例，介紹模塊的規(guī)范化制作方法。

第一步，在制作粒子預(yù)設(shè)模塊之前，先分析掌子面落渣的物理過程，主要包括：（1）隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，刀具擠壓破碎掌子面，產(chǎn)生大小不一的渣土、煙塵及渣土下落的過程；（2）在渣土的下落過程中刀盤刀具對(duì)較大粒徑的渣土進(jìn)行二次破碎并產(chǎn)生煙塵的過程；（3）在渣土下落至隧道的下部邊緣時(shí)，渣土堆積進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的過程。第二步，根據(jù)掌子面落渣的物理過程設(shè)計(jì)PF粒子事件，初步形成粒子基礎(chǔ)模塊，一是模擬首次破碎產(chǎn)生的大粒徑渣土在下落過程中進(jìn)行二次破碎，在下落至隧道下部邊緣消失的過程；二是模擬首次破碎產(chǎn)生的小粒徑渣土和煙塵，下落至隧道下部邊緣消失的過程。渣土堆積進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的過程是由其他模擬方法來實(shí)現(xiàn)的，不在此講述。第三步，通過分析不同設(shè)備在此過程中的相同點(diǎn)及不同點(diǎn)，從而得到預(yù)設(shè)模塊中的可固化內(nèi)容與可變化內(nèi)容。實(shí)際施工過程中，相同點(diǎn)是掌子面落渣的物理過程基本上是一樣的，不同點(diǎn)是設(shè)備刀具布局不同、盾構(gòu)機(jī)直徑不同和開挖地質(zhì)不同，對(duì)應(yīng)到粒子預(yù)設(shè)模塊當(dāng)中，可固化內(nèi)容為：（1）粒子事件的框架結(jié)構(gòu)及各事件之間的聯(lián)系；（2）粒子事件中的力場；（3）粒子的出生速率及運(yùn)動(dòng)速度?？勺兓瘍?nèi)容為：（1）粒子的發(fā)射位置、碰撞位置；（2）粒子的出生時(shí)間、碰撞時(shí)間和消除時(shí)間；（3）粒子的形狀、材質(zhì)。第四步，在可固化內(nèi)容與可變化內(nèi)容基礎(chǔ)上對(duì)基礎(chǔ)模塊進(jìn)一步規(guī)范形成可通用的模塊。主要是針對(duì)可變化內(nèi)容的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行規(guī)范化管理：（1）粒子的發(fā)射器對(duì)象統(tǒng)一設(shè)置為“Launch-位置名稱”可編輯多邊形，只需在可編輯多邊形的元素層級(jí)上靈活調(diào)整發(fā)射面的數(shù)量、位置及大小，使其與刀盤對(duì)應(yīng)；粒子的碰撞對(duì)象統(tǒng)一設(shè)置為“Collision-碰撞面名稱”全導(dǎo)向器，根據(jù)不同的刀盤輪廓繪制可編輯多邊形作為碰撞對(duì)象鏈接到全導(dǎo)向器；（2）粒子的出生時(shí)間、碰撞時(shí)間和消除時(shí)間根據(jù)動(dòng)畫展示需要及刀盤直徑進(jìn)行調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)即可；（3）粒子的形狀、材質(zhì)根據(jù)地質(zhì)需要進(jìn)行相應(yīng)的替換操作即可，其中，在調(diào)整粒子的形狀時(shí)需按照相同的粒子大小進(jìn)行替換。

2.3 模塊管理規(guī)范

模塊化不僅要規(guī)范各模塊的數(shù)據(jù)接口，更要統(tǒng)一各模塊的管理方式，以下分別是從粒子預(yù)設(shè)模塊的命名規(guī)范、預(yù)覽規(guī)范、層級(jí)規(guī)范和輔助對(duì)象的分類規(guī)范四個(gè)方面講解相關(guān)的規(guī)范方式。

粒子預(yù)設(shè)模塊均采用統(tǒng)一的命名規(guī)則，便于快速識(shí)別模塊的用途及內(nèi)容，每個(gè)模塊的“預(yù)設(shè)名”采用“粒子位置-粒子內(nèi)容”的命名格式，例如“掌子面-小粒徑渣土、煙塵”“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”；每個(gè)模塊的“預(yù)設(shè)描述”中具體說明預(yù)設(shè)模塊中所包含的事件，便于全面了解模塊的具體構(gòu)成，例如“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”模塊的“預(yù)設(shè)描述”為：（1）大粒徑渣土：出生-二次碰撞-消除；（2）煙塵：出生-消除；通過預(yù)設(shè)名和預(yù)設(shè)描述能夠了解模塊的用途和構(gòu)成，并快速了解模塊的制作思路和使用方法。

在粒子預(yù)設(shè)文件夾內(nèi)，均為各粒子預(yù)設(shè)模塊預(yù)制了200幀預(yù)覽動(dòng)畫和一張效果圖，可以通過預(yù)覽圖進(jìn)一步判斷模塊是否滿足展示需求。

每個(gè)預(yù)設(shè)模塊中，對(duì)包含的所有對(duì)象統(tǒng)一層級(jí)管理規(guī)范，便于預(yù)設(shè)模塊各對(duì)象能夠快速匹配到新項(xiàng)目中。各模塊均設(shè)定三個(gè)層級(jí)，分別為粒子層、刪除層、默認(rèn)層，粒子層內(nèi)包含粒子本身所涉及的對(duì)象；刪除層內(nèi)為燈光和設(shè)備對(duì)象，為可替換對(duì)象，完成新項(xiàng)目的對(duì)象替換后，該層的內(nèi)容即可刪除；默認(rèn)層內(nèi)不放置任何對(duì)象。

粒子模塊內(nèi)部對(duì)象較多且關(guān)系復(fù)雜，為便于整體移動(dòng)粒子模塊與新項(xiàng)目匹配，將整體預(yù)設(shè)模塊連接到一個(gè)虛擬對(duì)象，該虛擬對(duì)象可以控制整個(gè)模塊的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放操作，減少拾取各個(gè)對(duì)象的繁瑣操作，同時(shí)，為便于虛擬對(duì)象的識(shí)別與拾取，統(tǒng)一規(guī)范該類虛擬對(duì)象的顏色為藍(lán)色。

3 動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的集成方法

對(duì)于動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的集成方法分為三種，第一種是軟件自帶預(yù)設(shè)功能，可以直接集成到軟件中，例如，粒子預(yù)設(shè)模塊可以直接作為預(yù)設(shè)流集成到3Dmax軟件當(dāng)中，使用時(shí)直接拖動(dòng)預(yù)設(shè)流進(jìn)行選擇即可；第二種是借助一些集成插件將模塊內(nèi)容集成到軟件中，一般此類型插件的功能更為人性化，但適用范圍有限，例如Project Manager插件可以集成燈光、材質(zhì)、模型等預(yù)設(shè)內(nèi)容并嵌入到3Dmax軟件當(dāng)中，同時(shí)具備實(shí)時(shí)預(yù)覽功能；第三種是將預(yù)設(shè)內(nèi)容整合到本地資源當(dāng)中統(tǒng)一管理，可進(jìn)行加載調(diào)用，此方法是針對(duì)不能集成到軟件中的模塊管理方法。預(yù)設(shè)模塊的集成方法應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境需要及其他客觀因素進(jìn)行選擇性使用。

4 動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的優(yōu)勢(shì)

動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的應(yīng)用不僅使動(dòng)畫制作周期大大縮短，動(dòng)畫的制作水平也有很大提升。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）模塊化引入了平行作業(yè)，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)依次作業(yè)變成多點(diǎn)同時(shí)作業(yè)[3]，例如，在動(dòng)畫設(shè)計(jì)規(guī)劃完成之后，可以同時(shí)開展設(shè)備模型梳理、賦材質(zhì)、施工場景、后期合成框架及后期特效的設(shè)計(jì)制作；在分鏡設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以同時(shí)開展開挖、出渣、支護(hù)的分鏡設(shè)計(jì)。模塊化應(yīng)用改變了盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的工作模式，大幅度縮短制作周期，能夠快速響應(yīng)緊急項(xiàng)目的動(dòng)畫需求。（2）預(yù)設(shè)模塊的應(yīng)用改變了動(dòng)畫制作方式，將新建作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒄{(diào)作業(yè)，例如，設(shè)計(jì)制作粒子特效時(shí)，使用預(yù)設(shè)模塊減少了創(chuàng)建發(fā)射/導(dǎo)向物體、創(chuàng)建力場、設(shè)計(jì)粒子流框架，以及綜合各項(xiàng)參數(shù)反復(fù)調(diào)整測(cè)試效果的過程，節(jié)約大量的制作時(shí)間，只需替換粒子的發(fā)射/導(dǎo)向物體，調(diào)整粒子的時(shí)間、形狀、材質(zhì)，即可完成粒子特效的設(shè)計(jì)制作，設(shè)計(jì)師可以將更多的時(shí)間和精力放在動(dòng)畫的創(chuàng)意構(gòu)思與設(shè)計(jì)工作中。（3）模塊化的應(yīng)用使工業(yè)動(dòng)畫的成品質(zhì)量不再依賴設(shè)計(jì)師個(gè)人制作水平，更大程度上取決于動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的質(zhì)量，而所有預(yù)設(shè)模塊均為精良制作，數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)清晰，視覺效果優(yōu)質(zhì)美觀，動(dòng)畫成品質(zhì)量得到保證，提高了工業(yè)動(dòng)畫的整體水平。

5 結(jié)束語

工業(yè)動(dòng)畫在市場日益成熟的盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，而模塊化設(shè)計(jì)方法同時(shí)兼顧工業(yè)動(dòng)畫的適用廣度和設(shè)計(jì)制作的專業(yè)深度，不僅簡化了繁瑣的設(shè)計(jì)制作任務(wù)，還進(jìn)一步優(yōu)化了工業(yè)動(dòng)畫的作業(yè)模式與制作流程，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)動(dòng)畫制作效率和設(shè)計(jì)水平的雙提升，模塊化必將成為盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的重要發(fā)展趨勢(shì)。