辛海霞，金玉盟，吳 瑕

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461）

耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫仿真

辛海霞，金玉盟，吳 瑕

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461）

為促進(jìn)三維動(dòng)畫技術(shù)在疏浚行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，具體介紹了三維建模、材質(zhì)貼圖、燈光、特效、攝影機(jī)、動(dòng)畫、渲染等三維動(dòng)畫關(guān)鍵技術(shù)，并以應(yīng)用廣泛的耙吸挖泥船的疏浚施工三維動(dòng)畫制作為例，詳細(xì)說明了運(yùn)用這些技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)畫制作的具體方法和過程。

三維動(dòng)畫技術(shù)；三維建模；關(guān)鍵幀；渲染；耙吸挖泥船

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

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維動(dòng)畫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程、影視、廣告、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。在疏浚行業(yè)中，利用三維動(dòng)畫技術(shù)可以精確地建立各種疏浚設(shè)備的三維模型，真實(shí)地模擬水下作業(yè)環(huán)境，直觀、形象地反映各種疏浚施工過程。許多國際疏浚企業(yè)如波斯卡利斯、范奧德、德米、揚(yáng)德努等，很早就采用三維動(dòng)畫技術(shù)來制作介紹挖泥船疏浚施工過程和宣傳企業(yè)疏浚設(shè)備和技術(shù)實(shí)力等方面的三維動(dòng)畫視頻影像，并且獲得了很好的反響與收益。與國際疏浚企業(yè)相比，國內(nèi)疏浚企業(yè)在應(yīng)用三維動(dòng)畫技術(shù)方面起步較晚，對(duì)于挖泥船施工過程的三維動(dòng)畫模擬成果相對(duì)較少。因此，為了更直觀、更全面、更形象地向觀者說明各種挖泥船的施工過程，更好地彰顯疏浚企業(yè)設(shè)備和技術(shù)的競爭優(yōu)勢(shì)，利用三維動(dòng)畫技術(shù)制作挖泥船施工過程三維動(dòng)畫是非常必要的。目前實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫仿真的軟件工具有多種如 OpenGL［1-2］、DirectX、PROE［3］、AutoCAD［4］、3ds max［5］、maya等，其中 OpenGL、Direct算法比較復(fù)雜，編程工作量大，PROE、AutoCAD 主要功能是建模，maya系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要用于影視和動(dòng)漫，而3ds max具有強(qiáng)大的三維建模、材質(zhì)、燈光、動(dòng)畫、渲染等功能，是目前應(yīng)用最為廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件之一。本文將以應(yīng)用廣泛的耙吸挖泥船為例，具體介紹基于3ds max運(yùn)用三維動(dòng)畫技術(shù)制作挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫的方法和過程。

1 三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用原理

三維動(dòng)畫技術(shù)是一門綜合利用計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、藝術(shù)和其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)，利用三維動(dòng)畫軟件在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出實(shí)物模型、材質(zhì)、紋理、環(huán)境、燈光、動(dòng)態(tài)和特效，并生成連續(xù)的具有虛擬真實(shí)感畫面的高新技術(shù)。

1.1 三維動(dòng)畫制作流程圖

三維動(dòng)畫制作是一個(gè)復(fù)雜的過程，制作流程如圖1所示。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 三維建模

三維建模是三維動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，只有建立準(zhǔn)確、逼真的模型，才能進(jìn)行下面的工作，才能為模型賦予材質(zhì)和設(shè)置燈光、特效等操作。目前最常用的建模方法有3種，分別是多邊形建模、NURBS建模和細(xì)分曲面建模［6］。多邊形建模的思想很簡單，就是先用三角形、矩形或其他多邊形來創(chuàng)建基礎(chǔ)面，再通過擠出、車削、倒角、FFD等變形工具制作出各種形狀的三維物體。NURBS建模是一種以數(shù)學(xué)方程式來定義曲線的方式，由曲線組成曲面，再有曲面組成立體模型，曲線有控制點(diǎn)可以控制曲線曲率、方向、長短［7］。細(xì)分曲面建模是一種新發(fā)展起來的建模技術(shù)，可對(duì)多邊形進(jìn)行多次細(xì)分，從而達(dá)到光滑細(xì)膩的效果，有些類似于對(duì)多邊形進(jìn)行NURBS曲面的建模操作［8］。多邊形建模的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便和快速，適合于構(gòu)造具有規(guī)則形狀的物體。NURBS建模是一種專門創(chuàng)建曲面物體的建模方法。細(xì)分曲面建模適合完成三維人物或卡通角色的建模。

1.2.2 材質(zhì)貼圖三維模型創(chuàng)建完成后，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)才能使對(duì)象看起來更加真實(shí)。材質(zhì)是指對(duì)真實(shí)材料視覺效果的模擬，具體體現(xiàn)在物體的顏色、質(zhì)感、反射、折射、表面粗糙程度以及紋理等特性上。應(yīng)用貼圖，可以將圖像、圖案，甚至表面紋理添加至對(duì)象，可以增加材質(zhì)外觀的真實(shí)感和復(fù)雜度。三維動(dòng)畫軟件包含多種材質(zhì)和貼圖類型，其中標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)是默認(rèn)的材質(zhì)類型，它提供了一種比較簡單、直觀的方式來描述模型表面屬性，如果不使用貼圖，標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)將使物體顯示單一的顏色。目前最常用2種貼圖方式分別是2D貼圖和3D貼圖。

1.2.3 燈光、特效

圖1 三維動(dòng)畫制作流程圖Fig.1 3D animation making process

設(shè)置燈光，能夠達(dá)到照明場景、烘托環(huán)境氣氛、增強(qiáng)物體表面的光澤、色彩以及亮度等多種效果。設(shè)置特效，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)各種光、霧、火等自然特效的真實(shí)模擬。通常采用三光源設(shè)置法：主體光、輔助光與背景光。主體光用來照亮場景中的主要對(duì)象與其周圍區(qū)域，亮度最高。輔助光又稱補(bǔ)光，用來填充陰影區(qū)以及被主體光遺漏的場景區(qū)域，亮度只有主體光的50%～80%。背景光作用是增加背景的亮度，從而襯托主體，并使主體對(duì)象與背景相分離，亮度宜暗不可太亮。

1.2.4 攝影機(jī)

攝影機(jī)決定畫面的構(gòu)圖，能夠從特定的觀察點(diǎn)表現(xiàn)場景。依照攝影原理在三維動(dòng)畫軟件中使用攝影機(jī)工具，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)畫設(shè)計(jì)的分鏡頭展示效果。攝影機(jī)分為兩種，一種是目標(biāo)攝影機(jī)，另一種是自由攝影機(jī)。目標(biāo)攝影機(jī)用于觀察目標(biāo)對(duì)象周圍的區(qū)域，包括攝影機(jī)、目標(biāo)兩部分，可以單獨(dú)進(jìn)行控制調(diào)整，并分別設(shè)置動(dòng)畫。自由攝影機(jī)用于觀察攝像機(jī)方向內(nèi)的場景內(nèi)容。當(dāng)攝影機(jī)的位置沿一個(gè)路徑設(shè)置動(dòng)畫時(shí)，使用自由攝影機(jī)更方便。

1.2.5 動(dòng)畫

動(dòng)畫設(shè)置是整個(gè)三維動(dòng)畫制作的重點(diǎn)和核心，根據(jù)動(dòng)作設(shè)計(jì)，在三維動(dòng)畫制作軟件中運(yùn)用已建立的模型制作出一個(gè)個(gè)動(dòng)畫片段。動(dòng)作與畫面的變化通過關(guān)鍵幀來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定動(dòng)畫的主要畫面為關(guān)鍵幀，關(guān)鍵幀之間的過渡由計(jì)算機(jī)來完成。設(shè)置動(dòng)畫，首先要?jiǎng)?chuàng)建記錄每個(gè)動(dòng)畫序列起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)鍵幀，然后通過三維動(dòng)畫軟件計(jì)算并補(bǔ)每個(gè)關(guān)鍵幀之間的插值，從而生成完整的動(dòng)畫。三維動(dòng)畫軟件制作動(dòng)畫的種類大致分為五類：基本變換動(dòng)畫、參數(shù)動(dòng)畫、角色動(dòng)畫、粒子動(dòng)畫和動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫。

1.2.6 渲染

渲染，是指根據(jù)場景的設(shè)置、賦予物體的材質(zhì)和貼圖、燈光等，由程序繪出一幅完整的畫面或一段動(dòng)畫。三維動(dòng)畫必須渲染才能輸出。渲染是由渲染器完成，渲染器有線掃描方式、光線跟蹤方式以及輻射度渲染方式等。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、光線跟蹤、光能傳遞方面算法合理、先進(jìn)，擁有速度和質(zhì)量上的雙重優(yōu)勢(shì)?？梢愿鶕?jù)不同的要求使用不同的渲染器進(jìn)行渲染。通常輸出為JPEG格式和TIFF格式的圖片文件以及AVI格式的視頻文件。

1.2.7 后期編輯合成

各個(gè)三維動(dòng)畫片段制作完成后，將之前所做的動(dòng)畫片段、聲音等素材，按照前期規(guī)劃設(shè)計(jì)，通過影片編輯軟件編輯，最終生成三維動(dòng)畫影視文件。具體工作流程為采集影片素材、剪輯動(dòng)畫片段、設(shè)置轉(zhuǎn)場效果、添加字幕標(biāo)題、進(jìn)行配音配樂、輸出影片。

2 耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫制作

2.1 總體思路

耙吸挖泥船是主要疏浚設(shè)備之一，具有自航、自挖、自載和自卸等多種性能，被廣泛應(yīng)用于港口、航道疏浚及吹填工程。耙吸式挖泥船的結(jié)構(gòu)和疏浚過程都非常復(fù)雜，因此制作形象、直觀的耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫應(yīng)用于疏浚行業(yè)的市場經(jīng)營、企業(yè)宣傳及施工教學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域是非常必要的。

選擇3ds max作為耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫制作軟件。耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫的具體制作思路為：首先，分析施工場景中耙吸挖泥船、天空、海水、泥面等各個(gè)物體的結(jié)構(gòu)特征，分別選擇適當(dāng)?shù)慕７椒ㄟM(jìn)行三維建模；然后對(duì)場景中的三維模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖，增強(qiáng)物體的真實(shí)感；在場景中設(shè)置燈光、特效增強(qiáng)環(huán)境的真實(shí)感；設(shè)置攝影機(jī)，實(shí)現(xiàn)下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等分鏡頭效果；根據(jù)耙吸挖泥船的施工過程對(duì)三維模型設(shè)置下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等動(dòng)畫；最后，選擇合適的渲染器把整個(gè)動(dòng)畫內(nèi)容渲染出來；用影片編輯軟件編輯生成挖泥船施工動(dòng)畫視頻文件。

2.2 耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫制作方法和過程

2.2.1 三維建模

本三維動(dòng)畫制作首先需要建立耙吸挖泥船及施工場景兩大類三維模型。耙吸式挖泥船主要由船體、船樓、泥艙、泥泵、耙吸管、耙頭、吊架、絞車、溢流系統(tǒng)、泥門等部件組成［9］。施工場景主要包括天空、海水、泥面等三維模型。

完成三維建模主要經(jīng)過2個(gè)步驟：第一步，首先分析耙吸挖泥船及施工場景中各個(gè)物體的結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)不同造型的物體采用不同的建模方法。耙吸挖泥船的船體是由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面組成的，采用NURBS建模方法進(jìn)行三維建模。船樓、泥艙、耙頭等采用多邊形建模法進(jìn)行三維模型。由于AUTOCAD繪圖軟件有其他繪圖軟件無法比擬的精確性，傳統(tǒng)的做法是先把AutoCAD軟件中的耙吸挖泥船平面圖導(dǎo)入到3ds max中，各個(gè)物體再分別采用不同的建模方法結(jié)合擠出、車削、倒角、FFD等變形工具生成三維模型。天空、海水、泥面等施工場景可以通過直接利用3ds max中的基本幾何體建立三維建模。第二步，耙吸挖泥船和施工場景三維模型全部建立完后將這些部件放置在合適的空間位置，最后組成一個(gè)完整的耙吸挖泥船施工三維場景。圖2為耙吸挖泥船施工三維場景。

2.2.2 進(jìn)行材質(zhì)貼圖

完成三維建模后，根據(jù)耙吸挖泥船的實(shí)際顏色，對(duì)耙吸挖泥船上的各種設(shè)備分別設(shè)定相應(yīng)的單一顏色的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)挖泥船真實(shí)的顏色效果。根據(jù)實(shí)際的施工場景，對(duì)水面設(shè)置噪波貼圖來實(shí)現(xiàn)水面真實(shí)的波動(dòng)效果，對(duì)泥面設(shè)置位圖貼圖來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的泥面效果。

2.2.3 設(shè)置燈光、特效

3ds max內(nèi)置有泛光燈、聚光燈、平行光等多種類型的標(biāo)準(zhǔn)燈，其中泛光燈向四周發(fā)射光線，能產(chǎn)生均勻的照射效果，能夠投射陰影，可以用來模仿太陽等發(fā)光對(duì)象，在室外環(huán)境中應(yīng)用較多。在耙吸挖泥船施工三維場景中，利用泛光燈分別創(chuàng)建主體光、輔助光與背景光，通過逼真的照明效果來增強(qiáng)場景的真實(shí)感。

3ds max提供了火、霧、體積霧、體積光等特殊的環(huán)境效果。在耙吸挖泥船施工三維場景中對(duì)水面設(shè)置霧來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的霧茫茫的大氣效果，對(duì)天空設(shè)置體積霧來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的云霧效果。

圖2 耙吸挖泥船施工三維場景Fig.2 3D dredging scene of trailing suction hopper dredger

2.2.4 設(shè)置攝影機(jī)

在耙吸挖泥船施工三維場景中通過設(shè)置多個(gè)目標(biāo)攝影機(jī)實(shí)現(xiàn)下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等局部動(dòng)作展示效果；通過設(shè)置多個(gè)自由攝影機(jī)實(shí)現(xiàn)耙吸挖泥船整體結(jié)構(gòu)、管線輸泥以及施工場景展示效果。

2.2.5 設(shè)置動(dòng)畫

設(shè)置動(dòng)畫之前，需要對(duì)耙吸挖泥船整個(gè)施工過程進(jìn)行分析，以確定施工三維動(dòng)畫的制作步驟及方法。

耙吸挖泥船的疏浚過程：耙吸挖泥船航行至接近挖泥區(qū)時(shí)，降低航速，通過吊架把耙吸管擺動(dòng)到船舷以外，利用絞車下放耙吸管，直到耙吸管后端的耙頭下放至泥面。挖泥船邊航行邊拖曳耙頭前移，耙松和挖掘水下土層的泥沙，在泥泵的抽吸作用下將泥漿吸入耙頭、耙吸管，再經(jīng)泥泵和船上管路排送到泥艙內(nèi)。泥沙在泥艙內(nèi)沉淀，隨著進(jìn)入艙內(nèi)泥沙量的增加，泥漿液面逐漸升高，當(dāng)升高至與溢流口的高度一致時(shí)開始溢流，將一些低濃度的泥漿溢流出船舷外［8］。當(dāng)泥艙裝滿后，停止挖泥作業(yè)，提升耙吸管和耙頭航行至指定地點(diǎn)拋泥。拋泥可通過3種方式進(jìn)行：第一種是通過泥艙底部所設(shè)置的泥門，自行將艙內(nèi)泥沙卸空；第二種是在船艏的連接設(shè)備上接上排泥管線，通過泥艙所設(shè)置的吸泥管，用船上的泥泵將泥漿吸出，經(jīng)排泥管線將泥漿輸送到吹填區(qū)；第三種與第二種類似，只是不接管線，啟動(dòng)水泵和泥泵，將泥漿從船艏的噴嘴噴射到吹填區(qū)。拋泥完畢后再返回挖泥區(qū)，進(jìn)行下一循環(huán)挖泥施工。

通過分析耙吸挖泥船的整個(gè)施工過程，需要在3ds max中依次制作出耙吸挖泥船下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等各個(gè)施工過程的動(dòng)畫片段。在制作下耙、挖泥、提耙等施工動(dòng)畫前，先要對(duì)動(dòng)作部件——船體與吊架、吊架與耙吸管、耙吸管與耙頭建立父子從屬關(guān)系，再對(duì)各部件分別設(shè)置相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)等基本變換動(dòng)畫關(guān)鍵幀。每一個(gè)動(dòng)作根據(jù)持續(xù)時(shí)間的長短分別設(shè)置不同的幀數(shù)。同時(shí)，通過設(shè)置粒子動(dòng)畫和動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫來真實(shí)表現(xiàn)裝艙、拋泥的施工過程。另外，為了更好地突出動(dòng)畫的主題，通過變焦或移動(dòng)攝影機(jī)的位置及角度使其產(chǎn)生穩(wěn)定、流暢的動(dòng)畫效果。

2.2.6 渲染輸出動(dòng)畫文件

將下耙、挖泥、裝艙、提耙、拋泥等各個(gè)施工過程的動(dòng)畫全部設(shè)置完成后，使用3ds max的自帶渲染器進(jìn)行渲染并得到相應(yīng)的動(dòng)畫片段文件。與其他渲染器相比，3ds max的自帶渲染器具有渲染速度快、集成性能好的特點(diǎn)，適合大型三維動(dòng)畫仿真渲染［10］。圖3為施工過程渲染圖：3-a下耙、3-b挖泥、3-c裝艙、3-d泥門、3-e泄泥管線吹泥、3-f直接拋泥。

2.2.7 后期編輯合成

圖3 施工過程Fig.3 Dredging process

耙吸挖泥船整個(gè)施工過程的三維動(dòng)畫片段渲染輸出后，再通過后期影片編輯軟件進(jìn)行采集影片素材、剪輯動(dòng)畫片段、設(shè)置轉(zhuǎn)場效果、添加字幕標(biāo)題、配音配樂，最終生成完整的耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫影視文件。

3 工程應(yīng)用

本成果已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目的宣傳演示中應(yīng)用，而且其三維動(dòng)畫制作技術(shù)也得以在其他挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫制作中推廣。如在天津航道局港珠澳疏浚項(xiàng)目中，制作了砂樁船施工三維動(dòng)畫、耙吸船施工三維動(dòng)畫、整平船施工三維動(dòng)畫、鋼板樁施工三維動(dòng)畫，為施工生產(chǎn)提供了有力的影像技術(shù)支持。在鲅魚圈疏浚項(xiàng)目的施工培訓(xùn)中采用了絞吸挖泥船標(biāo)準(zhǔn)化三維動(dòng)畫，對(duì)全面提高挖泥船施工管理水平和生產(chǎn)效率產(chǎn)生了積極的作用。申報(bào)2010年度水運(yùn)工程工法期間，應(yīng)用了濱海型絞吸挖泥船“單樁雙錨四纜”、絞吸船變管徑、軟土基大管徑管線架設(shè)、耙吸船主動(dòng)耙頭調(diào)整活動(dòng)罩對(duì)地角度、耙吸挖泥船S型施工、真空預(yù)壓工程坡向地形地基處理和耙吸船雙耙掛鏈掃淺總共7個(gè)施工工法的三維動(dòng)畫，形象、直觀地反映了各個(gè)工法的實(shí)際施工工藝流程，為天津航道局成功申報(bào)2010年度水運(yùn)工法起到了很好的輔助作用。

4 結(jié)語

本文具體介紹了三維建模、材質(zhì)貼圖、燈光、特效、攝影機(jī)、動(dòng)畫、渲染等關(guān)鍵的三維動(dòng)畫技術(shù)，并以耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫的制作方法和過程為例，說明三維動(dòng)畫技術(shù)在疏浚行業(yè)中的具體應(yīng)用，從而為其他挖泥船施工三維動(dòng)畫制作提供借鑒。同時(shí)，最終生成的耙吸挖泥船疏浚施工三維動(dòng)畫影視文件為疏浚企業(yè)提供了一個(gè)形象、直觀的可視化宣傳途徑，可廣泛應(yīng)用于市場經(jīng)營、企業(yè)宣傳、施工教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。因此，三維動(dòng)畫技術(shù)在疏浚行業(yè)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)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，山東省泰安人，工程師，主要從事三維動(dòng)畫仿真技術(shù)研究。