三维仿真动画在海洋工程领域的应用

张婷婷

（上海船舶电子设备研究所，上海 200093）

0 引 言

海洋在地球表面积中占有最大的比例，是国家经济社会发展的重要资源宝库与拓展空间。步入二十一世纪后，海洋事业在国家整体发展中占有重要地位，其发挥的作用越来越明显。国家多次颁布相关政策，划分多个以海洋经济为主题的发展区域，促进我国海洋工程领域的发展。在我国海洋工程发展的过程中，有许多先进的技术发挥了重要的推动作用，本文将针对三维仿真动画技术在海洋工程领域的发展、应用进行分析讨论。

1 三维仿真动画技术概述

三维仿真动画又称为仿真三维动画或三维动画仿真技术，是一种利用计算机技术，用三维数字模型动画进行展示的呈现方式。随着三维建模、渲染器数字化技术等相关技术的不断成熟与快速发展，三维仿真动画作为当前热门的视觉表达方式也愈加精进[1]。与二维图像相比，三维仿真动画产生的视觉效果可以让人们对动画所展示的对象、对象的状态以及对象所处的环境有更加直观的识别与认知，更容易让人们体验到身临其境的感觉。特别是在工程模拟中，该技术可以帮助人们提前领略工程完工后的效果。与其他艺术创作类三维动画相比，三维仿真动画的制作与应用有着不同之处，其对所表达对象的呈现尺度、光影、环境、材质等要求要与客观世界的真实条件相符合，对所呈现的画面要求有足够的真实感与沉浸感。但三维仿真动画的出现及存在绝不仅仅是为了模仿客观世界的现实存在，而是让人类创新的想象力有了可以着陆和展示的虚拟世界环境，找到了可以创造无限可能的“平行世界”或“纯视觉化镜像空间”[2]。

由于三维仿真动画具有高效的物体模拟能力以及较高的真实性、精准性、可操作性，其被广泛地运用到娱乐、教育、医学、军事等诸多领域。对于三维仿真动画，人们最常了解到的就是影视制作中的视频特效制作、特技、片头飞字以及广告产品展示等[3]。

2 我国海洋工程发展现状

海洋工程是指以海洋资源开发利用、保护及恢复为主要目的，且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建以及扩建工程。海洋工程是我国海洋经济发展的主要载体，随着海洋经济的快速发展，其基本可分为以下五种类型。

（1）海洋资源开发工程，如海洋渔业工程、海洋生物工程、海水利用工程、海洋油气资源开发工程、海洋金属资源开发工程以及海洋可再生资源开发利用工程等。

（2）海洋装备制造工程，如海上钻井平台、船舶制造工程、海洋观测仪器以及海洋探测装备等。

（3）海洋空间利用工程，如港口运输工程、跨海桥梁工程、海底隧道工程、海底电缆管道工程、临海工业工程、人工岛工程以及围填海工程等。

（4）海洋管理工程，如海洋执法系统、海洋信息系统、海洋预报系统、海洋监测系统以及海洋打捞救生系统等。

（5）海洋军事工程，如军港、军舰、潜艇、监视工程、预警工程以及海岸防卫工程。

近些年来，我国的海洋工程发展在规模与数量上发生了巨大的变化[4]。大型基础设施与重化工业逐渐在沿海地区布局，使得我国海洋工程建设规模不断地扩大。同时，我国海洋工程技术也在不断进步，使得我国海洋工程建设的质量与效率得到了大幅度的提高；对海洋资源的开发利用方式逐渐更加节约高效，对海洋空间的开发也逐步扩大，从近海区向深海区探进，资源的充分利用与空间的进一步开发为我国海洋工程与国家经济的发展起到了重要的促进作用。海洋工程的产业结构也产生了相应的变化，我国传统海洋产业发展与经济稳定增长，我国海上娱乐产业、海上风电产业、海洋生物制品、海水淡化及海洋可再生能源开发利用等多种新兴产业已逐渐形成规模，稳定发展。

3 三维仿真动画在海洋工程中的应用

3.1 海洋石油工程

海洋石油工程与陆地石油工程相比，其对相关技术与投入的要求极高，且很容易带来较大的风险。因此，在开展分析施工可行性、施工流程仿真模拟、检查结构物干涉等工作方面对海洋石油工程的整体有着十分重要的作用。利用三维仿真动画技术可以很好地模拟出海洋中的实际情况，在实施海洋石油工程时，可通过建立环境模型、设备模型进行动画制作，对设备在海洋中的作业进行模拟，为相关管理人员对下一步工程的决策提供有效依据。高质量水平的三维仿真动画模拟技术可以直接促进施工可行性分析、施工流程仿真模拟、结构物干涉检查等工作良好完成，大幅度减少相关成本的投入，同时可以帮助设计单位更快速地发现施工设计方案存在的不足，还可以让施工人员对施工方案的过程与细节有更加直观的了解，从而达到提高整体工程质量、缩短施工周期、减少相关成本投入以及提高项目收益的目的。

3.2 海洋工程设施三维建模

大型工程建设项目大多采用三维建模技术，随着数字工程、工程改造等市场规模的不断扩大，三维激光扫描与实景建模技术的应用也取得了较大的发展与提高。海洋工程设施三维建模的具体工作内容通常包括以下3个阶段。

（1）数据采集。在数据采集阶段，首先应采用无人机进行多角度的航拍，获取海洋工程设施的多角度影像数据。获得到的影像数据包含高精度位置信息，能根据专业的几何参数检校，提供准确的内方位元素。对于设施内部，主要采用三维激光扫描技术进行数据采集，利用该技术获取到的数据可在三维成果中直接进行模型的测量与管理。

（2）数据预处理。数据预处理包括影像数据处理与点云数据处理。影像数据处理指的是对每架无人机获得的数据进行检查和处理，经过不断地调整，获得最终需要的数据，所有结果在经过质量检查合格后进行整理归档，获得最终的航拍成果。在无人机摄影采集的影像中，影像预处理中的匀光匀色调校及处理速度是影响影像效果的关键因素[5]。点云数据预处理就是对经过激光扫描技术后获得的点云数据进行合并整理、分割、降噪处理等。

（3）模型创建。海上设施的外轮廓模型创建以无人机拍摄的数据为基础，基于相关建模技术进行模型建立，并将建立后的模型输出展示。海洋工程设施内部设备经由激光扫描技术后获得彩色点云成果，直接构建三维网络，获得色彩真实的三维模型。

3.3 海洋平台主机安装

在海洋平台主机安装方面，三维仿真动画技术的应用与优势通常表现在以下方面。

（1）设计方面。对于一些特大型设备或极易与结构发生碰撞的设备，利用三维软件进行建模设计与仿真后，可以在正式施工前就发现其中存在的隐患与不足，便于设计人员互相交流设计思路，并有针对性地提出解决、优化安装方案，确定设备的组装工序，不仅提高了施工的效率，还保证了施工效果的高质量。

（2）指导施工方面。在施工前应用三维仿真动画技术可以帮助对施工人员进行讲解与指导，能让施工人员更清晰明了地熟悉施工中的注意事项，了解各项设备的组成形状、质量与大小，便于对设备安装的全面了解和对整体的把握，不仅能加快整体施工进度、缩短工期，还可以避免出现因施工人员对设备进行错误安装而导致施工后出现较差施工效果的情况。

（3）管理方面。通过三维仿真动画对施工效果进行全景展示，除了为管理人员与工作人员提供更加直观的视觉表达与准确的数据表达外，还有利于管理人员对项目设备建造的风险评估、整体把握与控制以及设备的施工管理，是对项目建造的全新控制管理手段。

3.4 海洋半潜平台仿真设计

3.4.1 脚本设计

脚本设计是海洋半潜平台三维仿真动画制作的关键。制作人员要充分了解设计对象的具体工作流程，并在此基础上制定出更加符合实际的设计方案，以便对画面、环境等多处细节进行确认。之后，以保证方案的科学性、时效性作为前提，由管理者、设计单位及制造单位等进行多方面的分析论证，最终确定整个三维仿真动画设计方案。

3.4.2 模型材质

海洋半潜平台建模是三维仿真动画制作不可缺少的重要工作。由相关工作人员使用Tribon M3软件与NURBS曲面工业设计软件进行模型制作，经过转换后导入到3DS MAX软件中对三维仿真动画的场景进行模型构建。

由于整个平台模型信息量较大，因此模型的质量必将有所降低，整体合理精简化，而模型的纹理、材质贴图的制作则相对精细一些[6]。为了突出平台模型仿真的真实效果，相关工作人员应将工厂提供的材料材质、颜色谱系表作为模型贴图制作的基础，为整个平台准确地提供材质来源；再结合之前所收集的资料，为平台设备提供设计的细节资料，如对防喷器、铁钻工等进行贴图绘制；最后再采用3DS MAX软件中UV纹理编辑器进行对位与编辑，并配合整体模型，实现最好的模型效果。

3.4.3 动画制作

动画制作是三维仿真动画制作的重点与难点。通过分析计算所得到的数据，结合3DS MAX自身的参数化设置，可以很好地模拟出相关设备在工作时的状况。除此之外，还可以在其中加入异形影响因素，如海水、波浪、风力等，更真实地还原平台出坞时的场景[7]。

4 结 语

三维仿真动画技术在海洋工程领域的应用，不仅在海洋工程方案的展示与优化方面发挥了重要作用，还为海洋工程设计全面应用三维仿真技术创造了条件，实现了三维仿真动画技术与海洋工程的共同发展。海洋工程通过对三维模型的建设、模拟，有效地提高了相关工程的工作效率，为管理人员进行决策提供了重要的参考，为我国海洋强国建设提供了有力的支撑与保障。