基于多媒體技術的輔助運輸設備演示系統設計與動畫仿真

李尊忠 王 鵬

1皖北煤電集團公司錢營孜煤礦 宿州 234116 2上海民航職業技術學院科研處 上海 200232

0 引言

為滿足現代煤炭企業對工作效率、勞動保護、安全生產的需求，眾多中小型礦井選擇發展高效礦井輔助運輸設備，提高輔助運輸系統機械化水平，緩解輔助運輸效率低、配套差的難題。為推動公司輔助運輸設備改造，與高校合作開發、應用了井下輔助運輸設備演示系統軟件，用于井下順槽連續牽引車、無軌膠輪車等輔助運輸設備的虛擬展示。用多媒體技術平臺和動畫仿真結合營造的虛擬設備場景，給用戶帶來身臨其境的沉浸感和逼真體驗。為推動虛擬仿真技術在機電產品展示中的應用，對其方案架構和動畫仿真設計進行研究和闡述。

1 演示系統方案設計

選擇系統開發平臺。演示系統開發主流技術有手段有視頻實景錄制、通用編程軟件開發、VRML虛擬現實平臺開發等[1]。考慮到本項目的客戶地域分散、網絡接入條件差、項目開發預算少、富媒體信息量大，要求軟件安裝和使用簡便，確定采用基于Authorware開發平臺的多媒體技術進行開發[2]。

總體設計使用Authorware7.0版軟件，該軟件的優勢是流程設計與資源合成，同時，還需要多媒體素材制作和編輯軟件的支持。為此選用AutoCAD等制圖軟件造型建模、3ds Max及F1ash設計仿真動畫、其他圖像處理和音視頻剪輯軟件提升素材效果，形成的設計方案結構與相互關系如圖1所示。在本項目中，除了Authorware流程設計外，最大的難點是動畫仿真設計。

圖1 輔助運輸設備演示系統框圖

2 動畫仿真設計過程

2.1 動畫仿真設計軟件

根據需求分析和方案規劃，從行業主流制作軟件中選擇3ds MAX 2008進行三維動畫設計。這款軟件功不僅提供了場景數據的分級視圖、快速場景分析和復雜場景處理功能，而且能與同一公司的AutoCAD系列機械、建筑制圖軟件開展良好的協同工作。同時，該軟件對硬件要求較低，支持多種格式的文件導入，便于利用其他軟件制作的圖形進行材質、燈光及動畫處理。

雖然制作的三維動畫能實現良好的視覺效果，但仍存在一定問題，如構件出現相互遮擋、重點不易突出、細節不易表達清楚等。因此，輔以Macromedia F1ash軟件制作平面動畫，將某些局部問題進行必要的簡化和突出說明。F1ash是矢量動畫設計軟件的代表，可將音樂、聲效、動畫以及富有新意的界面融合在一起。兩者融合可形成主要場景、主體功能用三維動畫展示，局部細節用二維動畫補充的表現形式[3]。

2.2 動畫仿真設計過程

動畫仿真設計過程先后完成了順槽連續牽引車、防爆無軌膠輪車的建模及全景動畫展示，牽引車車列過彎道、過壓繩輪仿真動畫，以及整車在巷道內運行的場景展示等設計內容。

以順槽連續牽引車的動畫制作為例說明制作過程：該套裝置由無級繩絞車、梭車、鋼絲繩張緊裝置、主（副）壓繩輪、尾輪及其他附屬裝置構成，具有造型對象多、結構復雜的特點。在分析設備構成后，確定對梭車、絞車、壓繩裝置在三維軟件中重點建模或導入三維軟件中制作的結構模型；對其他附屬零部件用標準幾何體或擠壓成形導入的二維圖形，經布爾、組合處理后生成[4]。做到重點突出、粗細結合，從源頭上減少待處理的數據量。

當造型建模和貼材質后，一方面繼續制作梭車等主要部件的展示動畫，該部分較簡單，重點是做好燈光和鏡頭的運用；另一方面是構建整車巷道運行的場景動畫。巷道運行動畫制作，首先定路徑、建巷道、鋪鐵軌；其次根據路徑特點和演示需要，將大場景分成4個鏡頭，從不同角度展現車列及井筒裝備的動態效果；然后，分鏡頭將所需設備Merge到總圖中放置好；接著調整攝像機、加入燈光、設置動畫、渲染場景、輸出視頻文件；最后，在Video Post中加入過渡段和背景圖片，合成整幅動畫。

3 關鍵問題與設計技巧

3.1 靈活選用坐標系

3ds MAX中坐標軸的方向依選取坐標系而改變，進行變換之前必須先選定坐標系，確定軸的方向[5]。

World世界坐標系用來確定對象在場景中的位置，項目中的多數場景在這種坐標系下完成，Local局部坐標系用于傾斜物體沿自身軸線的移動、旋轉。絞車鐵軌建模中因對象與世界坐標系軸線間存在夾角，用世界坐標系或View視圖坐標系設計速度慢且不精確，如選用某段軌道的局部坐標系，使鐵軌沿Y、Z軸移動，可實現方便快速定位；壓繩輪轉動中，選取局部坐標系也可使輪轂方便地沿軸線旋轉。此外，利用Pick拾取坐標系的方法也很便利，合理使用可把場景中任何對象的局部坐標系快速用作另一對象，如在布置無級繩絞車總圖時，通過拾取軌道的局部坐標系用于其他物體的坐標系，可使絞車、壓繩裝置和枕木等快速沿軌道移動。

3.2 選擇建模方法

三維動畫建模的關鍵是選擇合適的方法。首先，應明確3ds MAX是藝術展示工具，并非繪制圖紙軟件，要得到工業級零部件，可在專業繪圖軟件中建立平面模型，再利用3ds MAX的建模工具生成。其次，應把握多邊形、面片、NURBS等建模方法的特點，依據具體情況評價。最后，建模對象的多邊形數目和節點數目會對計算工作量產生極大影響，不應追求過高精確度，可用貼圖代替面和節點的建立，不為渲染中不可見的部分建模，減少部分非必要的細節。

以無級繩絞車齒輪嚙合建模為例，絞車中的大齒輪在AutoCAD中繪制平面標準齒輪輪廓，導入3d Max環境中，由齒輪參數確定旋轉中心、齒距，在Hierarchy面板中將齒廓頂點調整到旋轉中心，利用旋轉陣列功能產生全部齒輪輪廓，再用合適的幾何體與齒廓進行布爾運算完成輪轂建模。小齒輪的建模，則可以采用簡易方法，直接在3ds MAX中擠壓出近似的單個輪齒，再經旋轉陣列得到全部齒形。齒輪嚙合的動畫的實現，可在動畫設計狀態下依據傳動比調整旋轉速度得到。

3.3 材質、貼圖與照明的實現

在材質編輯器中進行材質設置。標準材質適用于大多數情況，可通過設置陰影中顏色、光線中顏色、高光中顏色等參數調節明暗特性。項目設計中，多數物體是在確定材質顏色后加入高光和環境光，根據材質特點采用不同的明暗模式，相應調整反光范圍、強度、柔化、不透明度等參數，得到預期效果。

貼圖中除選擇通道和參數設置外，還要依據表面給定貼圖坐標，貼圖應在建模后進行以防止破壞坐標。井壁等復合材質對象，可在Diffuse貼圖通道中貼入巖石圖案并拷貝到Bump通道，將2個通道的數值調高以獲得浮雕效果，再加上貼圖坐標完成巷道場景。提前采集造型對象的實物照片，可大大減少材質紋理創建難度和數據處理量，產生逼真效果。燈光照明中的默認光源不適宜渲染。對于井筒等大場景，除區段照明外，還常常分區段采用三角形照明，或自擬照明方案以產生特殊效果。

燈光運用要求較高美學功底，項目設計中還采用將對象置于較暗的燈光下，利用陰影和反射烘托真實場景，掩飾工程人員藝術設計的不足。

3.4 攝像機與鏡頭的設置

攝像機是動畫制作的核心要素。攝像機路徑創建可通過為攝像機設定關鍵幀實現，或在場景中繪出路徑再將其指定給攝像機及攝像機目標，后者更易控制，動畫更流暢。直接為攝像機指定路徑會使其限定在路徑上，調整位置易破壞運動性質，若鏈接到虛擬對象上更易產生逼真效果。因此，通常沿攝像機移動方向用樣條曲線繪制路徑，再創建一個虛擬對象作為攝像機、攝像機目標和路徑的媒介。

對于較大的場面，還要用多個鏡頭多角度展現運動物體。如無級繩絞車動畫，用4個鏡頭分別從遠方注視、后方跟隨（自由攝像機鏈接到車列上）、前方跟隨和前方俯視（目標攝像機固定拍攝）等角度表現車列運行時情景；無軌膠輪車用到5個鏡頭多視角反映其在起伏巷道中的運行情況。對于過壓繩輪等局部動畫，由于時間短，用多鏡頭會使變換過于頻繁，可采取單獨設置路徑，將攝像機鏈接在與路徑限定的虛擬物體上，調整路徑頂點實現從不同視角觀察車列運動、繩輪開合變化的效果。

3.5 渲染與后期制作的完成

場景制作后需對圖像進行渲染，生成動畫或效果圖。若電腦硬件配置不高，會使渲染時間過長，出錯又需返工。探索分段渲染、局部預覽的方法，即將動畫分成若干段，預覽片段效果是否符合，檢查無誤后再利用空閑時間渲染。采用分布式網絡渲染或云渲染方式，也可收到既縮短渲染時間，又有在意外中斷時消除后繼續原有進程渲染的容錯效果[6]。

分段渲染得到各鏡頭視頻文件后，需要集中合成。可采用Video Post軟件，將渲染后的場景事件作為圖像輸入事件加入隊列實現。增加或編輯場景事件的范圍，能生成快慢不同的效果，對于車列過壓繩輪和彎道等特效，可用這種手段慢鏡頭表現。

4 結語

本項目的實施，實踐了三維動畫與二維動畫融合使用表現場景畫面的仿真形式，探索了三維動畫演示設備運行的步驟和關鍵技巧，驗證了基于多媒體技術呈現機電設備主體結構與運行工況的技術路徑。利用純軟件技術和簡易設備增強用戶虛擬體驗的方法，能有效滿足向分散在城鄉各地的中小煤礦推廣先進礦山設備的需求。不足之處的是參數由開發者預先設置，無法根據用戶選用的設備型號動態調整，這也是下一步會繼續研究的方向。