基于3D max与AE的现代制造工程实训装置三维动画技术研究

刘 玮，钱筱琳，刘佳文，杨继全

（1.南京林业大学 家具与工业设计学院，南京 210037；2.南京师范大学 信息与控制研究所，南京 210042）

0 引言

三维动画是计算机图形学与艺术设计相结合的交叉学科，目前已在影视创作、广告宣传、教学展示、科学研究等诸多领域发挥着非常重要的作用。工程演示动画主要基于工业产品、机电设备、生产过程、工艺原理等，通过直观、真实、生动等方式对演示对象的功能、性能、结构、流程、方法等进行动画展示，是以相关科学技术原理为指导的，集展示性、教育性、艺术性于一体的数字资源。

1 三维动画技术原理

三维动画技术又称为三维预渲染回放技术，即对运动过程的关键帧画面进行三维预渲染，从而得到若干幅连续的画面组成的图像序列，由此得到完整的三维动画视频，也叫关键帧动画或帧动画。制作三维动画常用的工具平台有3D max、AutoCAD、Maya等[1]。

三维动画的技术原理包括模型及场景建立、动画制作、材质与光线控制、渲染输出等部分。首先，利用三维造型软件在电脑上建立各个三维物体的造型及其所处环境的模型，并做好规划与分组，组成一个制作动画所需的完整场景；其次，定义关键帧并制作关键帧及部分中间帧；然后，根据原型、美学及视觉要求进行材质、贴图及光线的设计与制作；最后渲染输出生成动画视频。

2 现代制造工程实训装置及其动画制作要求

2.1 现代制造工程实训装置简介

本文基于南京恒律机械电子有限公司、苏州瑞思机电有限公司和南京财经大学共同开发建设的现代制造工程综合实验室实训装置，进行该装置演示动画的开发与技术研究。现代制造工程实训装置是高校实验室中面向机电工程、自动化、工程管理等专业的综合性、基础性实训系统。系统集成了自动控制技术、视频测量技术、物联网络技术、工业六轴机器人和信息管理技术等先进科技，可以开展现代工业产品设计/制造/检测/物流一体化、产品在线测量、视觉测量、精密测量、动态测量、设备和系统过程的状态检测与故障诊断、可靠性与质量控制、质量设计、质量评价、质量管理等领域的教学与实验研究。装置结构如图1所示。

图1 现代制造工程实训装置结构简图

该实训装置主要由八大系统及中央控制平台组成。

机器人安装搬运系统主要完成工件的取放、固定等动作，由工件暂持装置、工件安装装置、六轴工业机器人、机器人编程软件和机器人仿真系统等组成。

自动传输系统由AGV自动传送小车和传输轨道组成，直线运行，能准确停靠各工作站点，其上的机械手臂具有4工位旋转可伸缩可升降特点，能完成对停靠各站进行上、下工件的取放操作，是系统的传送枢纽。

立体仓库系统采用组合式铝制型材搭建，用于存放代加工的原料或者已加工检测完好的成品货物，可根据不同的设定方案在组态中自由配置仓位状态。

测量系统与检测系统可自动将工件夹紧定位并对工件进行三坐标测量、硬度测量、红外探伤等操作，并将工件的内部缺陷、硬度、精度等测量数据进行自动储存及生成分析图像。

数控加工系统采用工业控制标准，自动气动门；可根据上位机自动加工调度以加工所需产品。

零件安装系统可以对机器人和CNC机床加工的多个有装配关系的零件，分别进行自动装配，以检验设计和加工的合理性，并对安装过程中出现的问题进行分析。

拆卸分拣系统可以对各类产品的形状、颜色进行自动识别，并自动侦测各零件的精度，并根据精度等级实现不同级别和特征零件的自动分类。

2.2 现代制造工程实训装置动画设计与制作思路

现代制造工程实训装置动画的制作通过现场观看演示、结构测绘、拍摄照片与视频等方式对设备的主要功能、结构、尺寸及各部件动作等关键技术参数进行采集、理解与掌握的基础上，基于3D max技术，建立各系统的三维模型；并根据装置整体功能实现及各站点动作要求，规划动画流程并设置动画；基于不同材质、灯光等技术进行渲染实验，进而确定渲染标准；最后基于制定的渲染标准，应用AE软件，进行动画的渲染输出与特效的添加。

3 基于3D max与AE的现代制造工程实训装置三维动画制作

3.1 三维模型的建立及场景搭建

计算机三维动画首要的步骤是对客观物体进行计算机三维模型重建，模型是三维场景的主体。目前广泛采用的建模方法主要有四类，分别是：参数化几何体与样条曲线建模、复合对象建模、表面细分建模和patch 与 NURBS 高级建模[2]。本文应用的建模技术主要有以下三种：

1）二维图形建模。即首先通过创建二维曲线，通过挤压、弯曲、旋转等三维操作将二维图形制作出有一定体量的三维模型。文中的实训装置工作台面、铝型材支撑结构、规则形态零部件等模型均通过这种方式建立。

2）二维放样建模。即通过二维曲线的组合，创建出像是栏杆、软管一类形态重复的物体。文中立体仓储系统中的塑料拖链等通过这种方式建立。

3）多边形建模。即通过将复杂实物设想成多个简单多边形，通过调节多边形的点、线、面，这样多个简单多边形组合形成复杂实物的过程，通过对它的点、线、面的编辑得到任意模型，适合创建形状复杂的模型。场景中的机器人搬运系统、显示器、AGV小车等大多数模型均以这种方式创建。

由于该实训装置结构比较复杂，零部件数量多，为了保证后期动画制作及渲染的顺利进行，建模时要注意在不影响模型视觉效果的情况下，尽量减少点面数，避免由于模型数量过多引起的计算量急剧增大，甚至无法运行。在建立好该实训装置所有的模型之后，进一步根据该实训装置所处的环境，为其搭建一个适合的室内场景来丰富整体画面效果。最终建立好的实训装置模型及场景如图2所示。

图2 三维模型及场景

图3 动画流程图

3.2 动画的设定

动画是对物体属性（包括位置、大小、形状、色彩等）随时间变化的运动轨迹的规范描述[1]。现代制造工程实训装置演示动画是一套演示设备主要功能与整体工作流程的动画，因此制作之前首先应根据设备原型，制定出完整的动画流程（如图3所示），流程安排应尽可能顺畅、合理，避免动作重复。

之后再制作各系统内部件与物体的具体运动。在计算机三维动画中，对客观物体本身、光源及虚拟的摄像机均可设置运动轨迹。该实训装置演示动画涉及的运动物体主要有装置中的运动部件、工件以及摄像机。运动轨迹的设定方法主要有关键帧法、关节运动法、变形运动法和物理量模拟法等四种[1]。装置中大多数部件及工件的动作以直线运动为主，制作时主要采用关键帧法。立体仓储系统中，塑料拖链在运动的过程中会出现伸缩变形，可采用变形运动法制作。机器人安装搬运系统中的六轴机械手臂的旋转、取放工件等动画是制作中的难点，机械手旋转运动采用关节运动法制作，制作时应注意处理好节点之间的关联性以及动作之间的停顿，把握好机械手运动的节奏感。通过在“运动”面板中设置工件的高级链接关系动画关键帧，可方便解决机械手从AGV小车等部位取放工件的动画，轻松实现工件位置的转换，如图4所示。

在完成装置的机械动画之后，采用跟摄的方式设置自由摄像机的运动轨迹，使摄像机始终跟随实训装置各系统内部件运动的被摄主体一起运动。跟镜头可使画面始终跟随一个运动的主体，被摄对象在画面中的位置相对稳定，这种方式能够连续而详尽地表现运动中的被摄主体，既能突出主体，又能交待主体运动方向、速度、体态及其与环境的关系。

3.3 渲染标准的制定

在完成装置的动画设定之后，为模型赋予材质、为场景设定光源，进行渲染调试，渲染调试主要涉及到两方面的内容：

1) 渲染器的选择。工程演示动画的表现效果与影视动画、角色动画等所要求特定的艺术表现效果要求不同，应既客观、真实，与动画主体所处的实际环境相协调，又具有一定抽象性与概括性，因此选择3D max内置的扫描线渲染器，既可节省动画渲染的时间，又可达到需要的渲染效果。

图4 工件高级链接关系设置

2) 模型材质及渲染参数的设置。模型及场景的材质设置以装置自身材质为主要参考依据，根据画面的明暗层次要求，将模型材质划分为三类：环境场景、工作台面等在画面中处于次要地位的静止物体、台面上主要结构部件（铝型材制造）及运动部件。对于环境及无动作的次要静止物体，材质设置应在满足质量要求的前提下控制材质质量，增大材质的模糊值，使其产生一种亚光的轻微反射感，避免环境场景过于精细逼真，过度吸引观看者的注意力而喧宾夺主。主要结构部件及运动部件是动画视觉的中心，材质设置时相应提高反射数值，并精细化调高材质质量。

按照以上原则，通过对动画的输出效果与输出效率进行渲染实验，确定动画的渲染标准。

3.4 动画的渲染输出及特效添加

经过上述建立模型及场景、确定动画流程、制作动画，布置灯光、调节材质、渲染设置等过程之后，采取分段渲染的方式，在3D MAX中渲染完成序列，并将分段的序列导入After Effects中进行后期合成。After Effects 是Adobe公司推出的动态影像设计制作不可或缺的辅助工具，是视频后期合成处理的专业非线性编辑软件。

素材导入AE后，色彩上会出现灰暗的情况，可在现有层上增加一个调节层，增加曲线，通过调整亮度、饱和度等参数让画面整体色彩、明暗与层次关系更生动饱满，视觉重点突出。通过添加一个固态层，为场景添加环形渐变过渡效果，使窗户处的背景与整体场景相融合。通过为静态光波图层设置二维跟踪功能、并添加线性擦除效果等模拟声波扫描、红外探伤等装置特效。最后，设置动画最终输出参数与输出格式，完成视频文件的生成。最终合成的动画如图5所示。

4 结束语

现代制造工程实训装置三维动画是典型的工程演示动画，本文将3Dmax建模、渲染、动画制作与AE后期合成技术相结合，基于该实训装置的功能、结构与工作原理，进行了动画技术的研究与实践，通过在制作过程中发现和解决技术上的问题，为相关领域的动画制作提供了一种可借鉴的比较高效的制作方式与一些实用制作技术，具有较好的推广应用价值。

图5 最终动画截图

[1] 胡西伟.基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[D].武汉大学,2005.

[2] 朱喜基.车辆防御性驾驶培训中三维教学动画设计研究[D].上海师范大学,2010.