基于3ds Max的大型有色矿山破碎系统三维仿真动画

王静婕, 林乙丑, 殷立涛, 高 杰, 刘 秀

(1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司,河南 洛阳 471003;2. 矿山重型装备国家重点实验室,河南 洛阳 471003)

0 前 言

机械类产品在设计及生产的过程中通常以二维图纸为依据和媒介.为了把这些产品的结构、特点、功能和工作原理在生产前更形象、更直观地通过动画形式立体呈现出来,可以利用3ds Max和Premiere软件的巧妙衔接使用来实现[1].通过三维动画多角度、全方位的演示,突破了以前无法拍摄产品内部结构、单靠文字和CAD图纸说明的瓶颈,结合人机工程学原理、色彩构成原理和营销心理学原理等尽可能地将整体场景完美地呈现给客户.本文以大型有色矿山破碎系统及其主要设备半移动式旋回破碎站和高压辊磨站为例进行具体分析.

1 软件平台简介

3ds Max拥有强大的三维可视化平台.在模拟生产线的整体场景中,可以对研究对象进行实体建模、真实光线模拟、摄像机设置、材质设置、动画设置与渲染,并可通过查看运动轨迹及时对模型运动效果进行修正,从而把模拟结果用直观、可视化的形式展示出来[2].

动态模拟效果可以基于3ds Max的动态模拟系统reactor进行直观模拟,也可利用其大量的插件及脚本进行模拟.3ds Max 2013中完善的reactor系统可以更好地将不同自然属性的物体参数设置得更加详尽,以达到更真实的模拟效果.产品、环境的材质设置在3ds Max中的vray渲染器支持下,可模拟出真实状态下的视觉效果.

3ds Max是世界上使用最广泛、功能最强大的动画制作软件之一,充分利用好其在机械产品动画中的优势,可以向用户及设计人员展现出整套生产线近乎完全真实的可视化效果.

2 模型的建立及基本参数设置

2.1 3ds Max与Autodesk CAD相结合进行三维建模

图1为3ds Max与Autodesk CAD相结合进行三维建模的过程示意图.首先在Autodesk CAD中将产品的二维图进行简单的前期处理,然后将其三视图按比例分别导入3ds Max的三个视图内,并将三个视图内二维图的相对位置调整好,如图1(a)所示.高压辊磨机机架的二维图导入,接着利用3ds Max的建模系统进行产品的部件建模,如图1(b)所示.然后利用同样的方式进行高压辊磨机整机的建模,如图1(c)所示.

2.2 3ds Max进行产品及环境的材质、灯光设置

利用3ds Max中的材质编辑器与GroundWiz山体插件进行产品及环境的颜色及材质设置,如图2、图3所示.在3ds Max的VraySun中对模拟实际光线效果进行设置,如图4所示.最终达到了所需效果,如图5(a)和5(b)所示.

图1 3ds Max与Autodesk CAD相结合进行三维建模

图2 产品的材质设置

图3 山体插件的应用

图4 环境的光线设置

图5 最终模拟效果图

3 利用3ds Max进行动画制作

3ds Max中动画制作可以通过创建子父对象、制作关键帧、reactor系统、粒子系统和轨迹视图、脚本等来实现[3-4].

3.1 利用关键帧进行动画制作

首先对子父对象及关键帧进行设置,再进行轨迹图的调试,进而完成产品单机动画的制作,如图6所示.

图6 高压辊磨机动画关键帧的制作

3.2 利用粒子系统进行动画制作

在3ds Max中利用粒子系统制作动画的例子有很多,例如喷泉、下雪、瀑布等的制作,但由于这些动作的特点多是以无规则、飞溅效果居多,因此制作相对容易且效果明显.而矿山处理系统中,物料经过机器的破碎、碾压等过程却都有机架的范围约束,粒子的下落速度不均、下落路径受机架内壁约束、下落过程中体积不断变化,因此在制作该动画的过程中,花费了大量的时间模拟物料在机器中下落破碎的运动情况,并取得了十分逼真的模拟效果.

物料自由下落经过机器破碎碾压过程的制作方法主要有5个步骤.通过这5个步骤的设置,最后能够获得理想的效果,如图7所示.

(1) 将机架剖视,使之能看到动锥、偏心套和齿轮的运动状态.制作这三者的关键帧动画.

(2) 根据动锥的运动轨迹,创建样条线,勾画出粒子的下落路径,如图7(a)所示.

(3) 根据机器破碎物料的原理,分两段创建粒子云系统,并设置路径跟随,如图7(b)所示.

(4) 设置粒子云系统中的粒子生成、粒子类型、旋转和碰撞卷展栏中的参数,如图7(c)和图7(d)所示.

(5) 根据机器动画修正粒子的相关参数.

图8为机器开始工作的渲染后动画.图8(a)为物料下落瞬间的渲染后动画;图8(b)为物料经过动锥与机架内壁相互挤压破碎后的渲染后动画.

3.3 利用脚本进行动画制作

在3ds Max中如果利用关键帧来制作履带的动画效果会非常的复杂,而利用履带脚本Pedrail Maker制作该动画,就会显得非常简单[5].

图7 物料自由下落经过机器破碎碾压过程

履带车载着破碎站一起移动的动画制作方法,主要步骤:

(1) 建立一节履带模型,如图9(a)所示.

图8 渲染后动画

图9 履带车载着破碎站一起移动的动画制作

(2) 根据履带车的结构,建立两条样条线路径,如图9(b)所示.

(3) 运行履带脚本,分别拾取路径和履带节,设置相关参数,生成履带,如图9(c)所示.

(4) 履带生成动画,根据场景需要有针对性地调整履带脚本内的相关参数,如图10(a)和10(b)所示.

图10 半移动式旋回破碎站履带车动画效果图

4 设置摄像机镜头

在3ds Max中制作完成所有的动画后,根据动画的时间设置建立摄像机,分镜头表现生产系统中不同设备的工作状况及设备之间的相互联系.

对摄像机进行关键帧设置,利用轨迹线对其进行调整,如图11所示.

图11 摄像机关键帧设置及轨迹

5 利用Premiere进行后期剪辑及编辑

在3ds Max中所有的动画和摄像机都设置完成后,分别对各个镜头进行批量渲染,渲染格式为.tga.渲染完成后,在Premiere中建立项目,并导入所有相关素材.

在Premiere中进行后期剪辑、编辑的制作,主要有以下几个步骤:

(1) 新建项目中设置的视频尺寸应和3ds Max中渲染的动画帧尺寸相同,如果标准尺寸中没有所需尺寸,则可选择“常规”工具栏下编辑模式中的桌面编辑模式对视频画面大小进行相应调整,如图12(a)所示.

(2) 导入素材.其中在导入3ds Max渲染后的.tga格式素材时应先选择第一个文件,并在序列图像上打勾,如图12(b)所示.

(3) 在序列中进行素材的剪辑,增加字幕等,如图12(c)所示.

(4) 添加转场效果,如图12(d)所示.

(5) 进行完一系列的剪辑和编辑后,对素材进行视频输出,如图12(e)所示.

采用3ds Max进行产品及整个生产系统真实工作状况的仿真模拟,利用Premiere对3ds Max渲染的素材进行后期剪辑及视频文件的输出,可以进一步增加厂家的综合效益.

6 结 论

本文制作了大型矿山破碎系统中重要的三大部分——半移动式旋回破碎站、圆锥破碎站、高压辊磨站的仿真动画及整体场景动画,对旋回破碎站、圆锥破碎机、高压辊磨机的运动情况进行了详细研究说明.充分应用了3ds Max和Premiere的各自优势,制作出反应产品的真实工作状况的影片.可以向用户提前展示产品各方面的优良特性,让用户有一个更为直观的视觉概念,大大提高了用户对产品的认识度.

产品组装动画在安装及售后服务方面,为技术人员提供了更加便捷的方法向客户说明安装方法、问题所在.单机动画和场景动画的演示,以更加直观的方式展示厂家产品和成套项目的整体效果,使客户在购买产品前有更鲜明的视觉感触.在与国外客户的洽谈中,三维仿真动画演示能够逾越语言和文化的鸿沟,快速地让客户了解厂家的实力和水平,从而接受厂家的产品,形成有效营销.

图12 在Premiere中进行后期剪辑、编辑的制作流程

参考文献:

[1] 徐柏涛.VRay超级写实渲染完全解析[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2] 陈维俊.3ds Max/VRay印象效果图光与材质表现技法[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[3] 周青.建筑漫游动画制作高级技法[M].北京:机械工业出版社,2002：299-314.

[4] 卢正刚.水晶石技法3ds Max建筑动画制作[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[5] 彭国华.3ds Max三维动画制作技法[M].北京:电子工业出版社,2009.