通過三維動畫模擬演示大規模天線陣列裝配的研究

布清云 劉嘉儀 陶雪 馬雨初

關鍵詞：三維動畫；大規模天線陣列技術；MIMO 陣列；移動通信

在信息時代，數據吞吐量爆炸式增長，而在移動通信網絡中，整個系統最前端關鍵的部分——天線，也從未停下升級的腳步。面對逐漸復雜的需求變化，大規模天線技術的可視化演示越發重要。本文旨在說明三維動畫對模擬大規模天線陣列的裝配演示的重要輔助作用，采用市場調研、數據分析、實例操作等方法進行了系統性研究。相較于傳統的平面圖紙分析，三維模擬裝配有以下幾個優點：

①能夠以更簡潔、更直觀、更人性化的方式展示天

線陣列裝配的三維概念；

②擁有更逼真的模擬效果，大幅度提升裝配效率；

③預先檢測誤差，有效地降低產品后續裝配的成本。

一、研究背景

（一）天線技術發展現狀

天線技術直接影響著5G 等無線通信技術的發展。國外對大規模天線的研究開始較早，起步高，并且也開發出了一系列性能較好的天線產品。歐洲、亞太、北美地區比較早開發5G，基本完成了5G 網絡的商用；其他地區也緊隨其后地進行5G 的發展。國外的研究機構開展了大量以5G 產業為基礎的大規模天線開發工作和面通過三維動畫模擬演示大規模天線陣列裝配的研究向第五代通信技術的有源集成化天線陣列的研究工作。

長期以來，我國政府高度重視天線技術的研發，如今發展迅猛，取得了重大成果。特別是最近幾年，從第五代移動通信技術在“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃中得到大力推進，再到如今天津市科技創新“十四五”規劃中重點支持5G 等新一代通信技術攻關，第五代通信技術成為國家的重點發展項目。而5G 的核心之一——大規模天線技術，則在更多不同領域的通信業務中發揮著建設性作用。近年來，我國高校的科研院所、運營商、設備制造商和相關領域的核心單位都在集中精力研究大規模天線技術，在取得了很大成就的同時，也遇到了很多問題。大規模天線陣列需要擴展系統，所以天線的外觀、尺寸、重量、數量和功耗都可能成倍增長（圖1）。用平面圖紙與工廠交流無法直觀立體的展示復雜的陣列關系，如果溝通不好還會增加試錯的成本。

在此之前，受發展時間短和技術條件等多方面制約，有關大規模天線技術的動畫展示與應用較少，該領域仍存在一定的空白。

（二）動畫技術發展現狀（國際、國內）

計算機三維成像技術的不斷發展促進了三維動畫的發展，三維動畫的立體性、可塑性以及仿真性在各個領域的應用都有獨到之處，人們也越來越重視三維動畫技術的研究，三維動畫如今已經成為一個大規模的全球性產業。在設備制造和使用領域，與平面圖紙相比，三維動畫的優點是更加直接客觀，數據的呈現方式立體直白、通俗易懂，能帶給客戶最直接的感受，無論是產品形象還是數據反饋都較為直觀，進程中的項目能夠提前讓客戶預見實施后的最終成果，不僅方便客戶溝通，還較大地節省了項目時間。

三維動畫技術在國外起步早，起始和全盛時期都在國外。20 世紀70 年代末， 美國開始探索電腦制作動畫，起初是運用較簡單的計算機技術。在1985 年， 微軟公司正式發布Windows 1.0， 之后將工作站上的Softimage 移植到PC 機上。1996 年4 月，3DS 的升級版本3DS MAX1.0橫空出世。下一年， 由迪士尼發行的三維動畫片《玩具總動員》在上映后一炮而紅，這代表三維動畫已經正式進入普通人的生活。而后，迪士尼隨即推出了更多的三維動畫， 例如《玩具總動員2》《怪物公司》和《蟲蟲特工隊》這些動畫都取得了非凡的成就。1998 年，Maya 的問世給三維動畫帶來了更多可能性。越來越多制作軟件的出現促進了三維動畫應用領域的不斷擴展和發展。建筑裝飾、產品設計、廣告電影片、MTV、電視專欄、全數字電影制作等等，國外的三維動畫技術一直處于領先的地位。

我國的三維動畫起步晚，屬于新興技術產業，但隨著科技的快速發展和政府的大力支持，我國的三維動畫技術水平也有了質的飛躍。隨著制作軟件的豐富和專業學科的設立，我國三維動畫方面的人才也大大增加。三維動畫技術在我國多個領域都有很好的表現，比如成都繹東道科技港珠澳大橋檢車動畫演示、中國美術館動畫模擬方案、大眾模擬生產線等等。三維動畫技術帶來的影響力以及經濟效益不斷增強，國家對三維動畫的發展也越來越關注，不斷引進國外的先進技術，培養相關人才，三維動畫行業正在有條不紊的發展前行中。

二、可應用領域與現實需求

（一）對于研發團隊

三維模擬動畫可以清晰直觀地看到后期裝配過程中，針對不利于裝配實施的地方，簡單方便地調整動畫直到合適，然后再修改實物，不用擔心后期返工耗費時間和成本的問題。三維模擬動畫相比平面的流程圖紙，產生更加立體直觀的效果，帶來質量和效率的保證。

（二）對于生產公司

對于生產廠家來說，大規模天線陣列的尺寸變大，裝配成本提高，一旦出錯會有很大的損失。三維動畫模擬演示大規模天線陣列裝配通過三維計算機技術，對裝配過程進行預覽，可以對其有詳細、全面的了解。提前制作裝配動畫，可以防止裝配過程中的一些失誤，對漏洞進行提前糾正和調整，為裝配過程帶來效率和質量保證。裝配動畫也可以提前給裝配人員進行培訓，通過動畫的講解，更加清晰直觀地了解裝配的技術。

（三）對于用戶

用戶在購買和使用一項產品或引進一種新技術前，首先會去了解其基本信息和工作原理，而尖端技術往往晦澀難懂，難以解釋。在本研究小組2022 年7 月開展的一項調研的結果顯示，超過九成的人對大規模天線陣列技術知之甚少。動畫模擬能在很大程度上解決向用戶展示技術機制的困難。此外，調查結果還顯示：83.18%的受訪者更希望通過動畫來了解一項未知技術（圖2）。并且如果在科技館里看到有關動畫演示的內容，超過97% 的人愿意駐足觀看，這說明在眾多展示形式中，人們更傾向于選擇觀看動畫演示。

三、技術結合的優勢與現實意義

（一）技術的設計內容與創新點

以三維動畫獨有的展示形式來解釋大規模天線陣列技術設備的裝配方式，通過數字媒體技術將裝配過程以多角度、視頻化的形式，更清晰直觀地展示給技術人員，進而解決目前大規模天線陣列裝置技術要求高、講解難度大等問題。一方面提高裝配效率，縮短建設工期；另一方面也為之后更多的設備制造與安裝參考提供了可行思路。

（二）技術優勢

三維動畫軟件相較于工業軟件有更豐富的材質和燈光，能夠達到更逼真的視覺效果。同時，粒子特效和數字合成等CG 技術的綜合應用，大大加強了畫面的真實感，其視覺沖擊力也遠超工業軟件。

此外，三維動畫制作與使用能夠突破時間和空間的限制，受外界環境影響更小，特別是針對一些拍攝難度大、無法實現實拍的場景，可以通過三維動畫制作虛擬場景，進而模擬現實中難以展示的畫面。

（三）動畫模擬天線裝配的現實意義

在大規模天線陣列裝配中，三維動畫模擬有其顯著的作用和優勢。其“成本低”這一點就占據了絕對優勢，天線作為高精尖設備，因其專業性和結構的煩瑣復雜，本就價格高昂。而三維動畫因使用電腦操作，則很好地彌補了這一點，并在節省經費的基礎之上有效提高模擬效果的精度和質量，進而達到更優質的效果。

三維動畫不僅可以從不同角度更加立體地展示天線陣列的完整效果，其對于天線裝配不同環節與不同步驟的動態展示也是一大特色。這就能使技術人員提前看到最終成果和安裝的全部流程，便于對安裝過程中可能出現的問題提前做出判斷。

此外，天線設備大都精密細致，各種線路的規模龐大復雜，三維動畫突破了平面圖紙的限制，不只是在視覺上放大或縮小，在模擬內部結構時也表現得更加清楚全面，讓“死”設備“活”起來。

三維動畫發展至今，其操作的靈活度與上手難度已經得到極大改善。不僅方便，三維動畫利用切刀、倒角、布爾運算等操作可以將模型制作成任何人們想要的形狀。這里要提到“共形設計”，“共形”在飛機、導彈、艦艇等設備上使用較多，因為考慮到空氣動力學，這類設備很難在外觀上做出大的改變，所以要求天線在外觀上向它們共形，而制作一個新的模型對三維動畫技術來講并不是什么難事。

大規模天線陣列用于通信基站時信號要覆蓋整個城市范圍，如果有哪里沒有覆蓋，手機等通信設備就無法使用。三維動畫可以模擬展示裝配后基站輻射的方向范圍，直觀地展示所覆蓋的面積。

四、研究局限與展望

由于以往的天線主要依靠平面圖紙進行展示和安裝，缺少現有的3D 模型庫，且不同天線的結構差異較大，動畫模擬前期在模型制作上需要較大投入；另外，三維動畫模擬技術在大規模天線陣列裝配的領域存在一定空白，且學科跨度較大，可借鑒經驗較少，需要投入較多的精力在前期探索研究。

在實際應用中，根據實際需求修改部分外觀、線路以及安裝思路，即可制作出裝配施工流程演示視頻，從而大幅度提高效率和降低制作成本。

三維動畫演示也可以放置到科技館等場所展示，讓大眾也了解到天線技術，可以科普知識。動畫生動的表現手法、交互功能也更能提起大眾對天線技術的興趣，讓更多的青少年也了解到天線技術，未來會有更多的人參與到這門技術的研究中來。

五、結束語

三維動畫模擬演示裝配過程對大規模天線技術裝配有著極其重要的應用價值，符合天津等多地科技創新“十四五”規劃中重點支持5G 等新一代通信技術的要求，對大規模天線技術的發展有重要的現實意義。

大規模天線陣列裝配技術在模擬實體展示方面有所欠缺，需要通過更全面的方式補充模擬裝配這一環節。三維動畫模擬演示所帶來的便捷對于研究團隊、生產公司都有很大的益處和幫助，特別是三維動畫的視覺效果也讓用戶樂于了解大規模天線技術。因此，三維動畫模擬裝配能夠在一定程度上滿足當前技術研發和科普教育的現實需求。三維動畫所具有的立體性、可塑性以及仿真性對于模擬大規模天線陣列裝配這種極其復雜的技術有無可替代的優勢，在降低成本和提高效率等方面有著重要意義。