基于3DVIA Composer快速制作三維仿真動畫及建立模型的方法探討

王莉

摘要：本文通過對3DVIA Composer軟件制作裝配仿真動畫的方法研究，肯定并闡述了其快速制作仿真動畫的優勢，對其制作流程中能夠有效提高制作動畫效率的方法進行探討歸納，并結合實際案例具體是如何實現的，闡明了3DVIA Composer在快速制作動畫方面的一些有益的參考方案建議以滿足實際運用需求。提出了使用SketchUp軟件來快速創建三維模型的優勢，并可與3DVIA Composer軟件轉化銜接來制作仿真動畫。這些都成為虛擬交互的一部分，由此衍生出了目前虛擬制造蓬勃發展的事態和結合智能制造應用的展望。

關鍵詞：3DVIAComposer；仿真動畫；虛擬交互；SketchUp；智能制造

1 引言

在產品的設計研發過程中需要為產品配套好的說明手冊、展示和宣傳方式，這是產品設計制造發展的必然需求和提高產品競爭力的方法之一。如何準確、直觀且形象地將產品結構、功能、裝配關系及裝配過程表達出來，以及模擬關鍵工況的運行效果，傳統的表達三維仿真動畫軟件如3Ds max、Maya等雖能將其參數化表現出來，但產品數模卻不容易實時更新和替換，即渲染完成后如需修改以前的3D數據模型，將需要重新制作仿真動畫和渲染，這將浪費了有限的時間和大量的資源。在此基礎上，如何快速便捷地制作三維仿真動畫以及對其方法進行分析歸納總結顯得尤為重要，在提高設計研發能力和生產加工工藝方面可以做到節約時間和成本，增強產品認知與體驗的效果，如圖1所示。

2 3DVIA Composer簡介

3DVIA Composer是法國Dassault System（達索）公司研制出的一款圖形設計軟件[1]。與傳統的CATIA、UG、Pro-E和SolidWorks等三維建模軟件不同，它著眼于快速地導入產品三維模型，對模型的位置、材質和裝配信息等進行編輯處理，并以發布多種格式的技術文檔以及渲染生成裝配仿真動畫為最終目的。因此，3DVIA Composer是一款非常優秀的溝通軟件，且不限于工程師之間，還可以應用于內容提供者與用戶之間。此外，3DVIA Composer具有較強的過程三維顯示功能，對其中剛性模型的任何變動都可以被記錄為動畫，可以極大地減輕識別文字與圖紙的繁瑣工作。

3 3DVIA Composer制作仿真動畫的優勢

3DVIA Composer制作動畫的原理是關鍵幀動畫，關鍵幀動畫的工作原理是通過記錄模型在更改前與更改后的起始點和結束點，并由計算機完成狀態改變點之間的過渡變化，通過將一系列的靜態連續場景動態化的手段，將生成的展示內容用于仿真再現動作過程及說明文檔。構成仿真動畫的關鍵幀有位置關鍵幀、照相機關鍵幀、效果關鍵幀（控制熱點、透明度等）、形狀關鍵幀、剖切面關鍵幀以及digger關鍵幀。剖切面關鍵幀如圖2所示，digger關鍵幀如圖3所示。

采用3DVIA Composer軟件來制作三維仿真動畫，亦能將產品的安裝裝配、拆卸、檢查和維護等過程清楚地展示，可以指導工人的實際操作，提高裝配效率與質量，節省了產品從研發到實際投入生產的時間。關鍵其還可以實現觀看方式和細節認知的人機交互體驗，并可將產品相關輔助技術資料表達出來，以及實現自動更新產品的文檔編制。

其快速直觀的展示能力，不僅有利于形象化的宣傳，還可清晰地表達產品的形態外觀，可用于制作維護說明手冊、工藝卡片、培訓裝配員工和介紹產品演示等，如圖4所示。更為重要的是，其在作為虛擬展示的過程中，可以通過交互式的體驗，包括自身內容相關環節精細化、場景中相關元素差異化的觀看方式等，將人與機器界面交互在設計過程和最終展示目的間很好地協調起來。其中，交互性是指用戶對場景中的元素可操作程度及從環境中得到反饋的真實程度。在這樣的設計中，用戶需在實施過程中控制信息的各個方面，根據實施的目的需求和建模展示習慣來得到技術的輸出。而在3DVIA Composer中，基礎動畫、關鍵幀設置、引導標簽和文本屬性鏈接是實現虛擬展示及交互技術的關鍵。

4 3DVIA Composer快速制作仿真動畫的方法

3DVIA Composer通過簡化處理其他CAD軟件建立的模型，在產品早期的設計階段就進行快速地三維技術展示，優化從設計的設計要求及制造的工藝要求，以及在相關過程中對投入的資源進行可實施性評價。

4.1 維護說明手冊

在產品設計中期，可利用3DVIA Composer與主流三維設計工具充分集成的優勢，進行維護說明手冊的制作，包括技術圖解、材料清單、三維可視爆炸圖和各種視圖的說明。在設計階段完成以后，仍可對部分零件的細節進行修改并快速更新，從而達到整個維護說明手冊的圖片信息按需要隨時更新的目的，從而使得工程設計人員可以無需多花費過多的精力來進行產品技術要求展示的表述，使產品在并行設計的過程中更加快速、有效和流暢。打印機殼技術圖解如圖5所示，三維可視爆炸圖如圖6所示。

4.2 安裝、維修和拆卸過程

產品安裝后需要維護、維修和檢查，也有可能要對一些零件進行拆卸更換，我們可以使用3DVIA Composer制作非常直觀地裝配維修動畫，維護、維修、安裝以及拆卸過程一目了然，可以表達展示復雜的拆卸安裝過程。這些清晰的裝配技術展示內容，不僅可以用于產品設計與制造過程中的交流，也可在產品形成制造工藝的過程中，把它用來對員工進行培訓，這樣可以使工藝技術人員在極短時間內深刻地理解技術要求與技術實施方法并記住裝配流程，降低技術實施的難度。員工亦可通過可視化瀏覽器了解產品的裝配屬性、工藝信息和裝配仿真等，以便更高效地進行制造生產。

4.3 簡化裝配動畫

在簡化裝配動畫的制作過程中，通常是采用視圖過渡創建動畫，包括創建視圖選擇集來表述裝配狀態和拆解狀態，如圖7所示。所創建的視圖是裝配過程的標準關鍵視圖，然后通過細化動畫，如播放視圖動畫時可將視圖拖拽到時間軸上，通過加時間、加細節來豐富具體動畫的內容和情節。此時視圖內記錄了所有對象的可見性、屬性和位置信息，信息量非常大，在將視圖拖拽到時間軸后，做動畫之前，可先清理刪除未使用的關鍵幀，這樣可以減少關鍵幀的數量，減輕模型大小。標準關鍵視圖上可使用標記，使用標記的好處是用來做交互式動畫，通過制作文本按鈕可將事件動畫鏈接到從某個標記開始播放。

4.4 產品介紹演示

通過3DVIA Composer制作的交互式三維仿真方案，在進行產品說明介紹時可以嵌入到PPT、PDF和Word文檔中，這樣在這些文檔中就可以播放操作靜態的或動態的三維模型，使產品的特點和優點給人們留下直觀深刻的印象。

4.5 虛擬交互設計展示

飛機裝配技術作為衡量飛機制造技術水平的高低，對飛機的全生命周期起至關重要的作用。鑒于二維工藝文件在裝配現場應用的局限性，可運用虛擬交互設計軟件3DVIA Composer對關鍵工況的裝配干擾、設計不到位、裝配間隙和干涉以及裝配狀態進行提前模擬表達出來，這種觀看模式的交互、細節展示的交互以及虛擬切換等都很好地讓工作人員體驗到了與產品和系統的互動認知效果，如圖8所示。其中，虛擬切換包括控制動畫鏈接、材質鏈接和產品虛擬展示片段選項鏈接，鏈接的設置是通過文本屬性鏈接參數實現的，操作切換虛擬展示的內容較為便利。此外，3DVIA Composer制作的虛擬展示發布文件也具有交互性，可生成程序包、網頁文件等，將虛擬展示交互動畫發布于互聯網，可用于更好地推廣介紹產品[2]。

4.6 簡化3D數據模型，加快渲染

模型的輕量化與精度密切相關，在3DVIA Composer中，精度的高低體現為三角面片的多少。經過輕量化的三維工藝場景模型不僅大大簡化了各個零件模型的大小、精確度降低、數據大小降低、并且零件模型加載和顯示速度都更快了。在簡化三維模型時，我們可以根據實際需求決定是否需要讓不確定運動與否的模型表達出動畫仿真過程，并可提前隱藏一些在制作仿真動畫時才出現的零部件。還可提前創建好“選擇集”，選擇集的好處在于可以快速進行工藝模型的拆分和選取。通過3DVIA Composer制作的技術文檔信息來源于實時的3D模型數據，產品設計更改之后，3D數據模型也要修改，而3DVIA Composer提供了即時更新功能，當工藝模型發生更改時，可以通過3DVIA Composer對工藝模型的構成部分和設計出的實體模型進行快捷更新。這些都可作為加快設計意圖的實現與技術優化的方法，高精度的三維仿真離不開高質量的模型與計算，模型經過精致的渲染計算處理后，在顯示終端呈現出真實、自然的交互仿真。工藝場景模型的渲染計算效果如圖9所示。

此外，在3DVIA Composer中可添加可視化效果，增加仿真動畫的逼真程度，可根據需求添加“淡入”“淡出”效果，還可添加“熱點”效果進行間隔閃動。這些與光源、顏色和材質貼圖等共同構成了可視化的效果處理。

5 SketchUp軟件快速建模

在項目的整合實施過程中發現無論是CATIA、SolidWorks、Pro-E以及UG等機械設計軟件，還是3ds Max、Maya等三維多邊形建模軟件，雖然其在表達物體結構和功能方面具有強大的可操作性和精確度；而在非工程制圖的情況下，比如在制作三維仿真動畫或建筑類模擬效果制圖的情況下，使用上述軟件的建模效率就顯得較為低下、刻板和細節頗多。此時，參數化的建模不再是唯一要求，怎樣快速地將所需模型準確表達出來，而少了工程制圖的繁雜非必需功能，使用SketchUp軟件建模顯得恰到好處。

采用SketchUp軟件來創建三維模型，亦能將物體的結構和功能清晰地表達出來，其簡潔的功能規劃設置和插件模型庫的設置，為其快速制作三維模型、添加材質和渲染計算仿真動畫等提供了強大的參數支持和選擇。其創建出的三維仿真模型，亦可導入到其他三維軟件如3ds Max、3DVIA Composer等進行仿真動畫制作。其快速不僅體現在功能規劃設置和插件模型庫的設置，還體現在這些命令功能的便捷運用和模型、材質的快速表達上，如圖10所示。此外，二維圖紙和圖片也可導入使用。

6 虛擬制造的優勢

基于3DVIA Composer和SketchUp軟件制作三維仿真動畫，最快的實施方法是通過已有的CAD系統產生三維模型（無論模型是否參數化），再將其導入成虛擬現實軟件支持的統一格式，然后將統一格式的模型載入到軟件的環境中，統一完成產品的三維仿真動畫與虛擬交互設計，在最終交互時，用戶可以充分利用手中的各種硬件資源設備，例如三維顯示器、VR、AR等產生最接近真實狀況的感覺。在這個過程中，快速制作三維仿真動畫是虛擬制造基于產品生命周期中進行實施的一個環節，是在快速仿真的環境下可以對計算機產生的數據模型，通過計算機輔助設計技術進行模擬分析。通過利用這樣的建模與分析技術，技術人員完全不需要等待零件的制造成最終的實物狀態，甚至在設計的早期，在建立零件藍草圖模型時就可以對這些模型進行虛擬裝配，進而檢查零部件的設計合理性，和他們之間的裝配間隙和干涉，通過檢查各種狀態，及時發現在未來制造過程中可能會出現的設計錯誤。當發現零件不符合要求時，可以迅速方便地在計算機里更改模型，并同步更新生成新的模型和自動更新相關的設計與裝配圖，最終實現設計、裝配與制造的并行設計與智能化制造。通過虛擬制造技術，可以縮短產品的開發周期，有利于提高產品的質量和可靠性，有利于降低產品開發成本，提高企業的競爭力[3]。

基于虛擬制造技術的三維仿真動畫及其建立模型的方法實施，可以從根本上改變現在傳統機械工程設計領域中設計、試制、修改以及批產的傳統制造循環模式。在產品真正生產之前，設計人員就首先可以在計算機的環境中設計出軟產品原型，代替傳統的實物進行分析與試驗，對其設計性能和可制造性進行定量預測和評價，最大程度地縮短產品的設計與制造周期，從而降低產品的各方面開發成本，提高企業快速響應市場需求變化的能力。基于虛擬制造技術的三維仿真動畫及其建立模型的方法在制造業中將會在未來得到廣泛的推廣應用，其所應用前景廣泛，目前在航空航天、汽車等領域中的應用尤為迫切。

7 應用與智能制造的展望

傳統的三維仿真動畫軟件制作動畫時細節多，產品數模卻不容易實時更新和替換，渲染時間長，在工程應用中快速制作能力不夠。3DVIA Composer在簡化處理模型、選擇模型以及更新模型方面相對方便快捷，還可實現觀看方式和細節認知的人機交互體驗，渲染速度也較快，節省大量的時間和資源。在工程應用領域中運用前景和效果可觀。基于3DVIA Composer和Sketchup軟件實現三維可視化裝配工藝流程的優化，就是在制作三維裝配仿真圖的基礎上，將產品設計和裝配工藝的信息以三維技術圖解表現，使裝配技術人員能夠以一種更直觀有效的方式了解產品的裝配關系和技術說明，減少看二維圖紙和理解文字工藝規程說明的時間，提高了裝配工作的準確率和效率。其所傳遞的三維裝配工藝信息改進了車間裝配現場工作指令的傳遞形式，實現了無紙化、數字化傳遞，可實時更新、更改三維模型和裝配場景以及工藝說明，其工藝設計和過程仿真的結果可載入虛擬交互的軟件環境，進而轉入最終交互的硬件設備資源，成為虛擬裝配與制造的一個有力競爭環節。

3DVIA Composer和Sketchup等工程軟件作為智能制造應用的基礎軟件，其所制作的三維仿真動畫可運用到AR眼鏡、透明工廠中，實現虛實結合、實時互動，開啟全新視角，從而為智能制造的大規模應用提供豐富的素材。在私有云、5G和AR等技術的支持下，基于3DVIA Composer和Sketchup等工程軟件的特點，實現圖像數據在技術人員之間的實時交互，可遠程協助信息通過5G網絡實現設計、工藝和操作人員的實時交互，實現產品全生命周期的協同效率改善，從而大幅提升工作效率及質量。AR眼鏡終端可實時調取云平臺存儲的數模，并將數模與裝配場景虛實結合，輔助裝配人員進行操作，大大提高裝配效率，提升裝配質量，并可起到防錯目的。采用AR全息投影技術，可將虛擬的三維模型與現場實物1：1疊加，將所有的裝配信息清晰地直接展現出來，輔助現場工人裝配。結合5G智能制造的其他技術如實時定位追蹤技術，可實現技術人員在現場實時查看云端存儲的任意模型和數據，并指導操作。至此，智能制造技術結合3DVIA Composer軟件制作三維仿真動畫將會得到更加廣泛和精確的應用。

參考文獻

[1]劉昌麗，康士廷.SolidWorks2013完全自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2] Mel Slater.計算機圖形學與虛擬環境[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]周暉，楊湘杰，章力.虛擬制造技術在產品設計中的應用[J].北京：制造業自動化，2007（8）：89-91.