通过三维动画模拟演示大规模天线阵列装配的研究

布清云 刘嘉仪 陶雪 马雨初

关键词：三维动画；大规模天线阵列技术；MIMO 阵列；移动通信

在信息时代，数据吞吐量爆炸式增长，而在移动通信网络中，整个系统最前端关键的部分——天线，也从未停下升级的脚步。面对逐渐复杂的需求变化，大规模天线技术的可视化演示越发重要。本文旨在说明三维动画对模拟大规模天线阵列的装配演示的重要辅助作用，采用市场调研、数据分析、实例操作等方法进行了系统性研究。相较于传统的平面图纸分析，三维模拟装配有以下几个优点：

①能够以更简洁、更直观、更人性化的方式展示天

线阵列装配的三维概念；

②拥有更逼真的模拟效果，大幅度提升装配效率；

③预先检测误差，有效地降低产品后续装配的成本。

一、研究背景

（一）天线技术发展现状

天线技术直接影响着5G 等无线通信技术的发展。国外对大规模天线的研究开始较早，起步高，并且也开发出了一系列性能较好的天线产品。欧洲、亚太、北美地区比较早开发5G，基本完成了5G 网络的商用；其他地区也紧随其后地进行5G 的发展。国外的研究机构开展了大量以5G 产业为基础的大规模天线开发工作和面通过三维动画模拟演示大规模天线阵列装配的研究向第五代通信技术的有源集成化天线阵列的研究工作。

长期以来，我国政府高度重视天线技术的研发，如今发展迅猛，取得了重大成果。特别是最近几年，从第五代移动通信技术在“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中得到大力推进，再到如今天津市科技创新“十四五”规划中重点支持5G 等新一代通信技术攻关，第五代通信技术成为国家的重点发展项目。而5G 的核心之一——大規模天线技术，则在更多不同领域的通信业务中发挥着建设性作用。近年来，我国高校的科研院所、运营商、设备制造商和相关领域的核心单位都在集中精力研究大规模天线技术，在取得了很大成就的同时，也遇到了很多问题。大规模天线阵列需要扩展系统，所以天线的外观、尺寸、重量、数量和功耗都可能成倍增长（图1）。用平面图纸与工厂交流无法直观立体的展示复杂的阵列关系，如果沟通不好还会增加试错的成本。

在此之前，受发展时间短和技术条件等多方面制约，有关大规模天线技术的动画展示与应用较少，该领域仍存在一定的空白。

（二）动画技术发展现状（国际、国内）

计算机三维成像技术的不断发展促进了三维动画的发展，三维动画的立体性、可塑性以及仿真性在各个领域的应用都有独到之处，人们也越来越重视三维动画技术的研究，三维动画如今已经成为一个大规模的全球性产业。在设备制造和使用领域，与平面图纸相比，三维动画的优点是更加直接客观，数据的呈现方式立体直白、通俗易懂，能带给客户最直接的感受，无论是产品形象还是数据反馈都较为直观，进程中的项目能够提前让客户预见实施后的最终成果，不仅方便客户沟通，还较大地节省了项目时间。

三维动画技术在国外起步早，起始和全盛时期都在国外。20 世纪70 年代末， 美国开始探索电脑制作动画，起初是运用较简单的计算机技术。在1985 年， 微软公司正式发布Windows 1.0， 之后将工作站上的Softimage 移植到PC 机上。1996 年4 月，3DS 的升级版本3DS MAX1.0横空出世。下一年， 由迪士尼发行的三维动画片《玩具总动员》在上映后一炮而红，这代表三维动画已经正式进入普通人的生活。而后，迪士尼随即推出了更多的三维动画， 例如《玩具总动员2》《怪物公司》和《虫虫特工队》这些动画都取得了非凡的成就。1998 年，Maya 的问世给三维动画带来了更多可能性。越来越多制作软件的出现促进了三维动画应用领域的不断扩展和发展。建筑装饰、产品设计、广告电影片、MTV、电视专栏、全数字电影制作等等，国外的三维动画技术一直处于领先的地位。

我国的三维动画起步晚，属于新兴技术产业，但随着科技的快速发展和政府的大力支持，我国的三维动画技术水平也有了质的飞跃。随着制作软件的丰富和专业学科的设立，我国三维动画方面的人才也大大增加。三维动画技术在我国多个领域都有很好的表现，比如成都绎东道科技港珠澳大桥检车动画演示、中国美术馆动画模拟方案、大众模拟生产线等等。三维动画技术带来的影响力以及经济效益不断增强，国家对三维动画的发展也越来越关注，不断引进国外的先进技术，培养相关人才，三维动画行业正在有条不紊的发展前行中。

二、可应用领域与现实需求

（一）对于研发团队

三维模拟动画可以清晰直观地看到后期装配过程中，针对不利于装配实施的地方，简单方便地调整动画直到合适，然后再修改实物，不用担心后期返工耗费时间和成本的问题。三维模拟动画相比平面的流程图纸，产生更加立体直观的效果，带来质量和效率的保证。

（二）对于生产公司

对于生产厂家来说，大规模天线阵列的尺寸变大，装配成本提高，一旦出错会有很大的损失。三维动画模拟演示大规模天线阵列装配通过三维计算机技术，对装配过程进行预览，可以对其有详细、全面的了解。提前制作装配动画，可以防止装配过程中的一些失误，对漏洞进行提前纠正和调整，为装配过程带来效率和质量保证。装配动画也可以提前给装配人员进行培训，通过动画的讲解，更加清晰直观地了解装配的技术。

（三）对于用户

用户在购买和使用一项产品或引进一种新技术前，首先会去了解其基本信息和工作原理，而尖端技术往往晦涩难懂，难以解释。在本研究小组2022 年7 月开展的一项调研的结果显示，超过九成的人对大规模天线阵列技术知之甚少。动画模拟能在很大程度上解决向用户展示技术机制的困难。此外，调查结果还显示：83.18%的受访者更希望通过动画来了解一项未知技术（图2）。并且如果在科技馆里看到有关动画演示的内容，超过97% 的人愿意驻足观看，这说明在众多展示形式中，人们更倾向于选择观看动画演示。

三、技术结合的优势与现实意义

（一）技术的设计内容与创新点

以三维动画独有的展示形式来解释大规模天线阵列技术设备的装配方式，通过数字媒体技术将装配过程以多角度、视频化的形式，更清晰直观地展示给技术人员，进而解决目前大规模天线阵列装置技术要求高、讲解难度大等问题。一方面提高装配效率，缩短建设工期；另一方面也为之后更多的设备制造与安装参考提供了可行思路。

（二）技术优势

三维动画软件相较于工业软件有更丰富的材质和灯光，能够达到更逼真的视觉效果。同时，粒子特效和数字合成等CG 技术的综合应用，大大加强了画面的真实感，其视觉冲击力也远超工业软件。

此外，三维动画制作与使用能够突破时间和空间的限制，受外界环境影响更小，特别是针对一些拍摄难度大、无法实现实拍的场景，可以通过三维动画制作虚拟场景，进而模拟现实中难以展示的画面。

（三）动画模拟天线装配的现实意义

在大规模天线阵列装配中，三维动画模拟有其显著的作用和优势。其“成本低”这一点就占据了绝对优势，天线作为高精尖设备，因其专業性和结构的烦琐复杂，本就价格高昂。而三维动画因使用电脑操作，则很好地弥补了这一点，并在节省经费的基础之上有效提高模拟效果的精度和质量，进而达到更优质的效果。

三维动画不仅可以从不同角度更加立体地展示天线阵列的完整效果，其对于天线装配不同环节与不同步骤的动态展示也是一大特色。这就能使技术人员提前看到最终成果和安装的全部流程，便于对安装过程中可能出现的问题提前做出判断。

此外，天线设备大都精密细致，各种线路的规模庞大复杂，三维动画突破了平面图纸的限制，不只是在视觉上放大或缩小，在模拟内部结构时也表现得更加清楚全面，让“死”设备“活”起来。

三维动画发展至今，其操作的灵活度与上手难度已经得到极大改善。不仅方便，三维动画利用切刀、倒角、布尔运算等操作可以将模型制作成任何人们想要的形状。这里要提到“共形设计”，“共形”在飞机、导弹、舰艇等设备上使用较多，因为考虑到空气动力学，这类设备很难在外观上做出大的改变，所以要求天线在外观上向它们共形，而制作一个新的模型对三维动画技术来讲并不是什么难事。

大规模天线阵列用于通信基站时信号要覆盖整个城市范围，如果有哪里没有覆盖，手机等通信设备就无法使用。三维动画可以模拟展示装配后基站辐射的方向范围，直观地展示所覆盖的面积。

四、研究局限与展望

由于以往的天线主要依靠平面图纸进行展示和安装，缺少现有的3D 模型库，且不同天线的结构差异较大，动画模拟前期在模型制作上需要较大投入；另外，三维动画模拟技术在大规模天线阵列装配的领域存在一定空白，且学科跨度较大，可借鉴经验较少，需要投入较多的精力在前期探索研究。

在实际应用中，根据实际需求修改部分外观、线路以及安装思路，即可制作出装配施工流程演示视频，从而大幅度提高效率和降低制作成本。

三维动画演示也可以放置到科技馆等场所展示，让大众也了解到天线技术，可以科普知识。动画生动的表现手法、交互功能也更能提起大众对天线技术的兴趣，让更多的青少年也了解到天线技术，未来会有更多的人参与到这门技术的研究中来。

五、结束语

三维动画模拟演示装配过程对大规模天线技术装配有着极其重要的应用价值，符合天津等多地科技创新“十四五”规划中重点支持5G 等新一代通信技术的要求，对大规模天线技术的发展有重要的现实意义。

大规模天线阵列装配技术在模拟实体展示方面有所欠缺，需要通过更全面的方式补充模拟装配这一环节。三维动画模拟演示所带来的便捷对于研究团队、生产公司都有很大的益处和帮助，特别是三维动画的视觉效果也让用户乐于了解大规模天线技术。因此，三维动画模拟装配能够在一定程度上满足当前技术研发和科普教育的现实需求。三维动画所具有的立体性、可塑性以及仿真性对于模拟大规模天线阵列装配这种极其复杂的技术有无可替代的优势，在降低成本和提高效率等方面有着重要意义。