耙吸挖泥船疏浚施工三维动画仿真

辛海霞，金玉盟，吴 瑕

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461）

耙吸挖泥船疏浚施工三维动画仿真

辛海霞，金玉盟，吴 瑕

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461）

为促进三维动画技术在疏浚行业中的广泛应用，具体介绍了三维建模、材质贴图、灯光、特效、摄影机、动画、渲染等三维动画关键技术，并以应用广泛的耙吸挖泥船的疏浚施工三维动画制作为例，详细说明了运用这些技术进行三维动画制作的具体方法和过程。

三维动画技术；三维建模；关键帧；渲染；耙吸挖泥船

Biography：XIN Hai-xia（1979-），female，engineer.

随着计算机技术的快速发展，三维动画技术已广泛应用于工程、影视、广告、工业设计、建筑设计等多个领域。在疏浚行业中，利用三维动画技术可以精确地建立各种疏浚设备的三维模型，真实地模拟水下作业环境，直观、形象地反映各种疏浚施工过程。许多国际疏浚企业如波斯卡利斯、范奥德、德米、扬德努等，很早就采用三维动画技术来制作介绍挖泥船疏浚施工过程和宣传企业疏浚设备和技术实力等方面的三维动画视频影像，并且获得了很好的反响与收益。与国际疏浚企业相比，国内疏浚企业在应用三维动画技术方面起步较晚，对于挖泥船施工过程的三维动画模拟成果相对较少。因此，为了更直观、更全面、更形象地向观者说明各种挖泥船的施工过程，更好地彰显疏浚企业设备和技术的竞争优势，利用三维动画技术制作挖泥船施工过程三维动画是非常必要的。目前实现三维动画仿真的软件工具有多种如 OpenGL［1-2］、DirectX、PROE［3］、AutoCAD［4］、3ds max［5］、maya等，其中 OpenGL、Direct算法比较复杂，编程工作量大，PROE、AutoCAD 主要功能是建模，maya系统比较复杂，主要用于影视和动漫，而3ds max具有强大的三维建模、材质、灯光、动画、渲染等功能，是目前应用最为广泛的三维建模、动画、渲染软件之一。本文将以应用广泛的耙吸挖泥船为例，具体介绍基于3ds max运用三维动画技术制作挖泥船疏浚施工三维动画的方法和过程。

1 三维动画技术应用原理

三维动画技术是一门综合利用计算机图形图像学、数学、物理学、艺术和其他相关学科知识，利用三维动画软件在计算机中设计出实物模型、材质、纹理、环境、灯光、动态和特效，并生成连续的具有虚拟真实感画面的高新技术。

1.1 三维动画制作流程图

三维动画制作是一个复杂的过程，制作流程如图1所示。

1.2 技术方案

1.2.1 三维建模

三维建模是三维动画制作的基础环节，只有建立准确、逼真的模型，才能进行下面的工作，才能为模型赋予材质和设置灯光、特效等操作。目前最常用的建模方法有3种，分别是多边形建模、NURBS建模和细分曲面建模［6］。多边形建模的思想很简单，就是先用三角形、矩形或其他多边形来创建基础面，再通过挤出、车削、倒角、FFD等变形工具制作出各种形状的三维物体。NURBS建模是一种以数学方程式来定义曲线的方式，由曲线组成曲面，再有曲面组成立体模型，曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短［7］。细分曲面建模是一种新发展起来的建模技术，可对多边形进行多次细分，从而达到光滑细腻的效果，有些类似于对多边形进行NURBS曲面的建模操作［8］。多边形建模的主要优点是简单、方便和快速，适合于构造具有规则形状的物体。NURBS建模是一种专门创建曲面物体的建模方法。细分曲面建模适合完成三维人物或卡通角色的建模。

1.2.2 材质贴图三维模型创建完成后，必须设置适当的材质才能使对象看起来更加真实。材质是指对真实材料视觉效果的模拟，具体体现在物体的颜色、质感、反射、折射、表面粗糙程度以及纹理等特性上。应用贴图，可以将图像、图案，甚至表面纹理添加至对象，可以增加材质外观的真实感和复杂度。三维动画软件包含多种材质和贴图类型，其中标准材质是默认的材质类型，它提供了一种比较简单、直观的方式来描述模型表面属性，如果不使用贴图，标准材质将使物体显示单一的颜色。目前最常用2种贴图方式分别是2D贴图和3D贴图。

1.2.3 灯光、特效

图1 三维动画制作流程图Fig.1 3D animation making process

设置灯光，能够达到照明场景、烘托环境气氛、增强物体表面的光泽、色彩以及亮度等多种效果。设置特效，目的是实现对各种光、雾、火等自然特效的真实模拟。通常采用三光源设置法：主体光、辅助光与背景光。主体光用来照亮场景中的主要对象与其周围区域，亮度最高。辅助光又称补光，用来填充阴影区以及被主体光遗漏的场景区域，亮度只有主体光的50%～80%。背景光作用是增加背景的亮度，从而衬托主体，并使主体对象与背景相分离，亮度宜暗不可太亮。

1.2.4 摄影机

摄影机决定画面的构图，能够从特定的观察点表现场景。依照摄影原理在三维动画软件中使用摄影机工具，能够实现动画设计的分镜头展示效果。摄影机分为两种，一种是目标摄影机，另一种是自由摄影机。目标摄影机用于观察目标对象周围的区域，包括摄影机、目标两部分，可以单独进行控制调整，并分别设置动画。自由摄影机用于观察摄像机方向内的场景内容。当摄影机的位置沿一个路径设置动画时，使用自由摄影机更方便。

1.2.5 动画

动画设置是整个三维动画制作的重点和核心，根据动作设计，在三维动画制作软件中运用已建立的模型制作出一个个动画片段。动作与画面的变化通过关键帧来实现，设定动画的主要画面为关键帧，关键帧之间的过渡由计算机来完成。设置动画，首先要创建记录每个动画序列起点和终点的关键帧，然后通过三维动画软件计算并补每个关键帧之间的插值，从而生成完整的动画。三维动画软件制作动画的种类大致分为五类：基本变换动画、参数动画、角色动画、粒子动画和动力学动画。

1.2.6 渲染

渲染，是指根据场景的设置、赋予物体的材质和贴图、灯光等，由程序绘出一幅完整的画面或一段动画。三维动画必须渲染才能输出。渲染是由渲染器完成，渲染器有线扫描方式、光线跟踪方式以及辐射度渲染方式等。V-Ray是目前最流行的一款渲染器，操作方便、易于掌握，在全局光照、光线跟踪、光能传递方面算法合理、先进，拥有速度和质量上的双重优势。可以根据不同的要求使用不同的渲染器进行渲染。通常输出为JPEG格式和TIFF格式的图片文件以及AVI格式的视频文件。

1.2.7 后期编辑合成

各个三维动画片段制作完成后，将之前所做的动画片段、声音等素材，按照前期规划设计，通过影片编辑软件编辑，最终生成三维动画影视文件。具体工作流程为采集影片素材、剪辑动画片段、设置转场效果、添加字幕标题、进行配音配乐、输出影片。

2 耙吸挖泥船疏浚施工三维动画制作

2.1 总体思路

耙吸挖泥船是主要疏浚设备之一，具有自航、自挖、自载和自卸等多种性能，被广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程。耙吸式挖泥船的结构和疏浚过程都非常复杂，因此制作形象、直观的耙吸挖泥船疏浚施工三维动画应用于疏浚行业的市场经营、企业宣传及施工教学等各个领域是非常必要的。

选择3ds max作为耙吸挖泥船疏浚施工三维动画制作软件。耙吸挖泥船疏浚施工三维动画的具体制作思路为：首先，分析施工场景中耙吸挖泥船、天空、海水、泥面等各个物体的结构特征，分别选择适当的建模方法进行三维建模；然后对场景中的三维模型进行材质贴图，增强物体的真实感；在场景中设置灯光、特效增强环境的真实感；设置摄影机，实现下耙、挖泥、装舱、提耙、抛泥等分镜头效果；根据耙吸挖泥船的施工过程对三维模型设置下耙、挖泥、装舱、提耙、抛泥等动画；最后，选择合适的渲染器把整个动画内容渲染出来；用影片编辑软件编辑生成挖泥船施工动画视频文件。

2.2 耙吸挖泥船疏浚施工三维动画制作方法和过程

2.2.1 三维建模

本三维动画制作首先需要建立耙吸挖泥船及施工场景两大类三维模型。耙吸式挖泥船主要由船体、船楼、泥舱、泥泵、耙吸管、耙头、吊架、绞车、溢流系统、泥门等部件组成［9］。施工场景主要包括天空、海水、泥面等三维模型。

完成三维建模主要经过2个步骤：第一步，首先分析耙吸挖泥船及施工场景中各个物体的结构特征，针对不同造型的物体采用不同的建模方法。耙吸挖泥船的船体是由结构复杂的曲面组成的，采用NURBS建模方法进行三维建模。船楼、泥舱、耙头等采用多边形建模法进行三维模型。由于AUTOCAD绘图软件有其他绘图软件无法比拟的精确性，传统的做法是先把AutoCAD软件中的耙吸挖泥船平面图导入到3ds max中，各个物体再分别采用不同的建模方法结合挤出、车削、倒角、FFD等变形工具生成三维模型。天空、海水、泥面等施工场景可以通过直接利用3ds max中的基本几何体建立三维建模。第二步，耙吸挖泥船和施工场景三维模型全部建立完后将这些部件放置在合适的空间位置，最后组成一个完整的耙吸挖泥船施工三维场景。图2为耙吸挖泥船施工三维场景。

2.2.2 进行材质贴图

完成三维建模后，根据耙吸挖泥船的实际颜色，对耙吸挖泥船上的各种设备分别设定相应的单一颜色的标准材质来实现挖泥船真实的颜色效果。根据实际的施工场景，对水面设置噪波贴图来实现水面真实的波动效果，对泥面设置位图贴图来实现真实的泥面效果。

2.2.3 设置灯光、特效

3ds max内置有泛光灯、聚光灯、平行光等多种类型的标准灯，其中泛光灯向四周发射光线，能产生均匀的照射效果，能够投射阴影，可以用来模仿太阳等发光对象，在室外环境中应用较多。在耙吸挖泥船施工三维场景中，利用泛光灯分别创建主体光、辅助光与背景光，通过逼真的照明效果来增强场景的真实感。

3ds max提供了火、雾、体积雾、体积光等特殊的环境效果。在耙吸挖泥船施工三维场景中对水面设置雾来实现真实的雾茫茫的大气效果，对天空设置体积雾来实现真实的云雾效果。

图2 耙吸挖泥船施工三维场景Fig.2 3D dredging scene of trailing suction hopper dredger

2.2.4 设置摄影机

在耙吸挖泥船施工三维场景中通过设置多个目标摄影机实现下耙、挖泥、装舱、提耙、抛泥等局部动作展示效果；通过设置多个自由摄影机实现耙吸挖泥船整体结构、管线输泥以及施工场景展示效果。

2.2.5 设置动画

设置动画之前，需要对耙吸挖泥船整个施工过程进行分析，以确定施工三维动画的制作步骤及方法。

耙吸挖泥船的疏浚过程：耙吸挖泥船航行至接近挖泥区时，降低航速，通过吊架把耙吸管摆动到船舷以外，利用绞车下放耙吸管，直到耙吸管后端的耙头下放至泥面。挖泥船边航行边拖曳耙头前移，耙松和挖掘水下土层的泥沙，在泥泵的抽吸作用下将泥浆吸入耙头、耙吸管，再经泥泵和船上管路排送到泥舱内。泥沙在泥舱内沉淀，随着进入舱内泥沙量的增加，泥浆液面逐渐升高，当升高至与溢流口的高度一致时开始溢流，将一些低浓度的泥浆溢流出船舷外［8］。当泥舱装满后，停止挖泥作业，提升耙吸管和耙头航行至指定地点抛泥。抛泥可通过3种方式进行：第一种是通过泥舱底部所设置的泥门，自行将舱内泥沙卸空；第二种是在船艏的连接设备上接上排泥管线，通过泥舱所设置的吸泥管，用船上的泥泵将泥浆吸出，经排泥管线将泥浆输送到吹填区；第三种与第二种类似，只是不接管线，启动水泵和泥泵，将泥浆从船艏的喷嘴喷射到吹填区。抛泥完毕后再返回挖泥区，进行下一循环挖泥施工。

通过分析耙吸挖泥船的整个施工过程，需要在3ds max中依次制作出耙吸挖泥船下耙、挖泥、装舱、提耙、抛泥等各个施工过程的动画片段。在制作下耙、挖泥、提耙等施工动画前，先要对动作部件——船体与吊架、吊架与耙吸管、耙吸管与耙头建立父子从属关系，再对各部件分别设置相应的旋转或移动等基本变换动画关键帧。每一个动作根据持续时间的长短分别设置不同的帧数。同时，通过设置粒子动画和动力学动画来真实表现装舱、抛泥的施工过程。另外，为了更好地突出动画的主题，通过变焦或移动摄影机的位置及角度使其产生稳定、流畅的动画效果。

2.2.6 渲染输出动画文件

将下耙、挖泥、装舱、提耙、抛泥等各个施工过程的动画全部设置完成后，使用3ds max的自带渲染器进行渲染并得到相应的动画片段文件。与其他渲染器相比，3ds max的自带渲染器具有渲染速度快、集成性能好的特点，适合大型三维动画仿真渲染［10］。图3为施工过程渲染图：3-a下耙、3-b挖泥、3-c装舱、3-d泥门、3-e泄泥管线吹泥、3-f直接抛泥。

2.2.7 后期编辑合成

图3 施工过程Fig.3 Dredging process

耙吸挖泥船整个施工过程的三维动画片段渲染输出后，再通过后期影片编辑软件进行采集影片素材、剪辑动画片段、设置转场效果、添加字幕标题、配音配乐，最终生成完整的耙吸挖泥船疏浚施工三维动画影视文件。

3 工程应用

本成果已经在多个项目的宣传演示中应用，而且其三维动画制作技术也得以在其他挖泥船疏浚施工三维动画制作中推广。如在天津航道局港珠澳疏浚项目中，制作了砂桩船施工三维动画、耙吸船施工三维动画、整平船施工三维动画、钢板桩施工三维动画，为施工生产提供了有力的影像技术支持。在鲅鱼圈疏浚项目的施工培训中采用了绞吸挖泥船标准化三维动画，对全面提高挖泥船施工管理水平和生产效率产生了积极的作用。申报2010年度水运工程工法期间，应用了滨海型绞吸挖泥船“单桩双锚四缆”、绞吸船变管径、软土基大管径管线架设、耙吸船主动耙头调整活动罩对地角度、耙吸挖泥船S型施工、真空预压工程坡向地形地基处理和耙吸船双耙挂链扫浅总共7个施工工法的三维动画，形象、直观地反映了各个工法的实际施工工艺流程，为天津航道局成功申报2010年度水运工法起到了很好的辅助作用。

4 结语

本文具体介绍了三维建模、材质贴图、灯光、特效、摄影机、动画、渲染等关键的三维动画技术，并以耙吸挖泥船疏浚施工三维动画的制作方法和过程为例，说明三维动画技术在疏浚行业中的具体应用，从而为其他挖泥船施工三维动画制作提供借鉴。同时，最终生成的耙吸挖泥船疏浚施工三维动画影视文件为疏浚企业提供了一个形象、直观的可视化宣传途径，可广泛应用于市场经营、企业宣传、施工教学等多个领域。因此，三维动画技术在疏浚行业中具有很大的应用价值和推广价值。

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3D animation simulation of dredging process of trailing suction hopper dredger

XIN Hai-xia，JIN Yu-meng，WU Xia
（CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection and Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300461，China）

To promote the application of 3D animation technology in dredging industry，some key points of 3D animation technology were described，including 3D modeling，materials，mapping，lighting and special effect，camera，animation and rendering.And then by the example of the making of 3D animation of the dredging process of widely used trailing suction hopper dredger，the specific methods and processes to make 3D animation were illustrated in detail by using these technologies.

3D animation technology；3D modeling；key frame；rendering；trailing suction hopper dredger

TP 311；TV 52

A

1005-8443（2012）03-0264-06

2012-02-20；

2012-03-09

辛海霞（1979-），女，山东省泰安人，工程师，主要从事三维动画仿真技术研究。