多媒體技術(shù)下演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：為推動井下輔助運(yùn)輸設(shè)備改造，提高煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)械化水平，開發(fā)和應(yīng)用了基于多媒體技術(shù)的井下輔助運(yùn)輸設(shè)備演示系統(tǒng)。文中通過三維、兩維動畫的綜合運(yùn)用和音效、特技的配合，虛擬仿真出設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，營造具有真實(shí)沉浸感的體驗(yàn)。對基于多媒體技術(shù)呈現(xiàn)輔助運(yùn)輸設(shè)備的技術(shù)路徑進(jìn)行了探討，對方案設(shè)計(jì)總體架構(gòu)、動畫仿真過程和關(guān)鍵技巧開展探究，為虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品展示領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：輔助運(yùn)輸；動畫仿真；多媒體技術(shù)；3dsMAX

0引言

為滿足現(xiàn)代煤炭企業(yè)對工作效率、勞動保護(hù)、安全生產(chǎn)的需求，眾多中小型礦井選擇發(fā)展高效礦井輔助運(yùn)輸設(shè)備，提高輔助運(yùn)輸系統(tǒng)機(jī)械化水平，緩解輔助運(yùn)輸效率低、配套差的難題。為推動公司輔助運(yùn)輸設(shè)備改造，與高校合作開發(fā)、應(yīng)用了井下輔助運(yùn)輸設(shè)備演示系統(tǒng)軟件，用于井下順槽連續(xù)牽引車、無軌膠輪車等輔助運(yùn)輸設(shè)備的虛擬展示。用多媒體技術(shù)平臺和動畫仿真結(jié)合營造的虛擬設(shè)備場景，給用戶帶來身臨其境的沉浸感和逼真體驗(yàn)。為推動虛擬仿真技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品展示中的應(yīng)用，對其方案架構(gòu)和動畫仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和闡述。

1演示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

選擇系統(tǒng)開發(fā)平臺。演示系統(tǒng)開發(fā)主流技術(shù)有手段有視頻實(shí)景錄制、通用編程軟件開發(fā)、VRML虛擬現(xiàn)實(shí)平臺開發(fā)等[1]?？紤]到本項(xiàng)目的客戶地域分散、網(wǎng)絡(luò)接入條件差、項(xiàng)目開發(fā)預(yù)算少、富媒體信息量大，要求軟件安裝和使用簡便，確定采用基于Authorware開發(fā)平臺的多媒體技術(shù)進(jìn)行開發(fā)[2]?？傮w設(shè)計(jì)使用Authorware7.0版軟件，該軟件的優(yōu)勢是流程設(shè)計(jì)與資源合成，同時(shí)，還需要多媒體素材制作和編輯軟件的支持。為此選用AutoCAD等制圖軟件造型建模、3dsMax及F1ash設(shè)計(jì)仿真動畫、其他圖像處理和音視頻剪輯軟件提升素材效果，形成的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)與相互關(guān)系如圖1所示。在本項(xiàng)目中，除了Authorware流程設(shè)計(jì)外，最大的難點(diǎn)是動畫仿真設(shè)計(jì)。

2動畫仿真設(shè)計(jì)過程

2.1動畫仿真設(shè)計(jì)軟件

根據(jù)需求分析和方案規(guī)劃，從行業(yè)主流制作軟件中選擇3dsMAX2008進(jìn)行三維動畫設(shè)計(jì)。這款軟件功不僅提供了場景數(shù)據(jù)的分級視圖、快速場景分析和復(fù)雜場景處理功能，而且能與同一公司的AutoCAD系列機(jī)械、建筑制圖軟件開展良好的協(xié)同工作。同時(shí)，該軟件對硬件要求較低，支持多種格式的文件導(dǎo)入，便于利用其他軟件制作的圖形進(jìn)行材質(zhì)、燈光及動畫處理。雖然制作的三維動畫能實(shí)現(xiàn)良好的視覺效果，但仍存在一定問題，如構(gòu)件出現(xiàn)相互遮擋、重點(diǎn)不易突出、細(xì)節(jié)不易表達(dá)清楚等。因此，輔以MacromediaF1ash軟件制作平面動畫，將某些局部問題進(jìn)行必要的簡化和突出說明。F1ash是矢量動畫設(shè)計(jì)軟件的代表，可將音樂、聲效、動畫以及富有新意的界面融合在一起。兩者融合可形成主要場景、主體功能用三維動畫展示，局部細(xì)節(jié)用二維動畫補(bǔ)充的表現(xiàn)形式[3]。

2.2動畫仿真設(shè)計(jì)過程

動畫仿真設(shè)計(jì)過程先后完成了順槽連續(xù)牽引車、防爆無軌膠輪車的建模及全景動畫展示，牽引車車列過彎道、過壓繩輪仿真動畫，以及整車在巷道內(nèi)運(yùn)行的場景展示等設(shè)計(jì)內(nèi)容。以順槽連續(xù)牽引車的動畫制作為例說明制作過程：該套裝置由無級繩絞車、梭車、鋼絲繩張緊裝置、主（副）壓繩輪、尾輪及其他附屬裝置構(gòu)成，具有造型對象多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。在分析設(shè)備構(gòu)成后，確定對梭車、絞車、壓繩裝置在三維軟件中重點(diǎn)建?；?qū)肴S軟件中制作的結(jié)構(gòu)模型；對其他附屬零部件用標(biāo)準(zhǔn)幾何體或擠壓成形導(dǎo)入的二維圖形，經(jīng)布爾、組合處理后生成[4]。做到重點(diǎn)突出、粗細(xì)結(jié)合，從源頭上減少待處理的數(shù)據(jù)量。當(dāng)造型建模和貼材質(zhì)后，一方面繼續(xù)制作梭車等主要部件的展示動畫，該部分較簡單，重點(diǎn)是做好燈光和鏡頭的運(yùn)用；另一方面是構(gòu)建整車巷道運(yùn)行的場景動畫。巷道運(yùn)行動畫制作，首先定路徑、建巷道、鋪鐵軌；其次根據(jù)路徑特點(diǎn)和演示需要，將大場景分成4個(gè)鏡頭，從不同角度展現(xiàn)車列及井筒裝備的動態(tài)效果；然后，分鏡頭將所需設(shè)備Merge到總圖中放置好；接著調(diào)整攝像機(jī)、加入燈光、設(shè)置動畫、渲染場景、輸出視頻文件；最后，在VideoPost中加入過渡段和背景圖片，合成整幅動畫。

3關(guān)鍵問題與設(shè)計(jì)技巧

3.1靈活選用坐標(biāo)系

3dsMAX中坐標(biāo)軸的方向依選取坐標(biāo)系而改變，進(jìn)行變換之前必須先選定坐標(biāo)系，確定軸的方向[5]。World世界坐標(biāo)系用來確定對象在場景中的位置，項(xiàng)目中的多數(shù)場景在這種坐標(biāo)系下完成，Local局部坐標(biāo)系用于傾斜物體沿自身軸線的移動、旋轉(zhuǎn)。絞車鐵軌建模中因?qū)ο笈c世界坐標(biāo)系軸線間存在夾角，用世界坐標(biāo)系或View視圖坐標(biāo)系設(shè)計(jì)速度慢且不精確，如選用某段軌道的局部坐標(biāo)系，使鐵軌沿Y、Z軸移動，可實(shí)現(xiàn)方便快速定位；壓繩輪轉(zhuǎn)動中，選取局部坐標(biāo)系也可使輪轂方便地沿軸線旋轉(zhuǎn)。此外，利用Pick拾取坐標(biāo)系的方法也很便利，合理使用可把場景中任何對象的局部坐標(biāo)系快速用作另一對象，如在布置無級繩絞車總圖時(shí)，通過拾取軌道的局部坐標(biāo)系用于其他物體的坐標(biāo)系，可使絞車、壓繩裝置和枕木等快速沿軌道移動。

3.2選擇建模方法

三維動畫建模的關(guān)鍵是選擇合適的方法。首先，應(yīng)明確3dsMAX是藝術(shù)展示工具，并非繪制圖紙軟件，要得到工業(yè)級零部件，可在專業(yè)繪圖軟件中建立平面模型，再利用3dsMAX的建模工具生成。其次，應(yīng)把握多邊形、面片、NURBS等建模方法的特點(diǎn)，依據(jù)具體情況評價(jià)。最后，建模對象的多邊形數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目會對計(jì)算工作量產(chǎn)生極大影響，不應(yīng)追求過高精確度，可用貼圖代替面和節(jié)點(diǎn)的建立，不為渲染中不可見的部分建模，減少部分非必要的細(xì)節(jié)。以無級繩絞車齒輪嚙合建模為例，絞車中的大齒輪在AutoCAD中繪制平面標(biāo)準(zhǔn)齒輪輪廓，導(dǎo)入3dMax環(huán)境中，由齒輪參數(shù)確定旋轉(zhuǎn)中心、齒距，在Hierarchy面板中將齒廓頂點(diǎn)調(diào)整到旋轉(zhuǎn)中心，利用旋轉(zhuǎn)陣列功能產(chǎn)生全部齒輪輪廓，再用合適的幾何體與齒廓進(jìn)行布爾運(yùn)算完成輪轂建模。小齒輪的建模，則可以采用簡易方法，直接在3dsMAX中擠壓出近似的單個(gè)輪齒，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)陣列得到全部齒形。齒輪嚙合的動畫的實(shí)現(xiàn)，可在動畫設(shè)計(jì)狀態(tài)下依據(jù)傳動比調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度得到。

3.3材質(zhì)、貼圖與照明的實(shí)現(xiàn)

在材質(zhì)編輯器中進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置。標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)適用于大多數(shù)情況，可通過設(shè)置陰影中顏色、光線中顏色、高光中顏色等參數(shù)調(diào)節(jié)明暗特性。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，多數(shù)物體是在確定材質(zhì)顏色后加入高光和環(huán)境光，根據(jù)材質(zhì)特點(diǎn)采用不同的明暗模式，相應(yīng)調(diào)整反光范圍、強(qiáng)度、柔化、不透明度等參數(shù)，得到預(yù)期效果。貼圖中除選擇通道和參數(shù)設(shè)置外，還要依據(jù)表面給定貼圖坐標(biāo)，貼圖應(yīng)在建模后進(jìn)行以防止破壞坐標(biāo)。井壁等復(fù)合材質(zhì)對象，可在Diffuse貼圖通道中貼入巖石圖案并拷貝到Bump通道，將2個(gè)通道的數(shù)值調(diào)高以獲得浮雕效果，再加上貼圖坐標(biāo)完成巷道場景。提前采集造型對象的實(shí)物照片，可大大減少材質(zhì)紋理創(chuàng)建難度和數(shù)據(jù)處理量，產(chǎn)生逼真效果。燈光照明中的默認(rèn)光源不適宜渲染。對于井筒等大場景，除區(qū)段照明外，還常常分區(qū)段采用三角形照明，或自擬照明方案以產(chǎn)生特殊效果。燈光運(yùn)用要求較高美學(xué)功底，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中還采用將對象置于較暗的燈光下，利用陰影和反射烘托真實(shí)場景，掩飾工程人員藝術(shù)設(shè)計(jì)的不足。

3.4攝像機(jī)與鏡頭的設(shè)置

攝像機(jī)是動畫制作的核心要素。攝像機(jī)路徑創(chuàng)建可通過為攝像機(jī)設(shè)定關(guān)鍵幀實(shí)現(xiàn)，或在場景中繪出路徑再將其指定給攝像機(jī)及攝像機(jī)目標(biāo)，后者更易控制，動畫更流暢。直接為攝像機(jī)指定路徑會使其限定在路徑上，調(diào)整位置易破壞運(yùn)動性質(zhì)，若鏈接到虛擬對象上更易產(chǎn)生逼真效果。因此，通常沿?cái)z像機(jī)移動方向用樣條曲線繪制路徑，再創(chuàng)建一個(gè)虛擬對象作為攝像機(jī)、攝像機(jī)目標(biāo)和路徑的媒介。對于較大的場面，還要用多個(gè)鏡頭多角度展現(xiàn)運(yùn)動物體。如無級繩絞車動畫，用4個(gè)鏡頭分別從遠(yuǎn)方注視、后方跟隨（自由攝像機(jī)鏈接到車列上）、前方跟隨和前方俯視（目標(biāo)攝像機(jī)固定拍攝）等角度表現(xiàn)車列運(yùn)行時(shí)情景；無軌膠輪車用到5個(gè)鏡頭多視角反映其在起伏巷道中的運(yùn)行情況。對于過壓繩輪等局部動畫，由于時(shí)間短，用多鏡頭會使變換過于頻繁，可采取單獨(dú)設(shè)置路徑，將攝像機(jī)鏈接在與路徑限定的虛擬物體上，調(diào)整路徑頂點(diǎn)實(shí)現(xiàn)從不同視角觀察車列運(yùn)動、繩輪開合變化的效果。

3.5渲染與后期制作的完成

場景制作后需對圖像進(jìn)行渲染，生成動畫或效果圖。若電腦硬件配置不高，會使渲染時(shí)間過長，出錯(cuò)又需返工。探索分段渲染、局部預(yù)覽的方法，即將動畫分成若干段，預(yù)覽片段效果是否符合，檢查無誤后再利用空閑時(shí)間渲染。采用分布式網(wǎng)絡(luò)渲染或云渲染方式，也可收到既縮短渲染時(shí)間，又有在意外中斷時(shí)消除后繼續(xù)原有進(jìn)程渲染的容錯(cuò)效果[6]。分段渲染得到各鏡頭視頻文件后，需要集中合成。可采用VideoPost軟件，將渲染后的場景事件作為圖像輸入事件加入隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。增加或編輯場景事件的范圍，能生成快慢不同的效果，對于車列過壓繩輪和彎道等特效，可用這種手段慢鏡頭表現(xiàn)。

4結(jié)語

本項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)踐了三維動畫與二維動畫融合使用表現(xiàn)場景畫面的仿真形式，探索了三維動畫演示設(shè)備運(yùn)行的步驟和關(guān)鍵技巧，驗(yàn)證了基于多媒體技術(shù)呈現(xiàn)機(jī)電設(shè)備主體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行工況的技術(shù)路徑。利用純軟件技術(shù)和簡易設(shè)備增強(qiáng)用戶虛擬體驗(yàn)的方法，能有效滿足向分散在城鄉(xiāng)各地的中小煤礦推廣先進(jìn)礦山設(shè)備的需求。不足之處的是參數(shù)由開發(fā)者預(yù)先設(shè)置，無法根據(jù)用戶選用的設(shè)備型號動態(tài)調(diào)整，這也是下一步會繼續(xù)研究的方向。

作者:李尊忠 王鵬 單位:皖北煤電集團(tuán)公司錢營孜煤礦 上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處