三維動(dòng)畫工程設(shè)計(jì)論文

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1.三維動(dòng)畫在水利工程設(shè)計(jì)中的作用

水利工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、投資大、主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有標(biāo)準(zhǔn)化程度低、協(xié)同配合要求高等特點(diǎn)，并且專業(yè)涉及面廣，包括測(cè)繪、地質(zhì)、土木、建筑、機(jī)械、給排水等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)之間存在著相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系，且各專業(yè)的二維圖紙表達(dá)抽象，其他專業(yè)參照非本專業(yè)圖紙較難理解。因此，在水利工程展示中采用三維動(dòng)畫表達(dá)設(shè)計(jì)意圖具有以下3點(diǎn)現(xiàn)實(shí)意義：

1）清晰展示工程建筑物主體結(jié)構(gòu)

三維動(dòng)畫可從多視角將工程建筑的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、布置準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)，在模型基礎(chǔ)上，能夠任意觀察壩工、廠房等專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)。相較于用工程圖紙加上說(shuō)明的表達(dá)形式，更能直觀地讓人感受到工程建筑的形態(tài)，突破了二維的局限性。

2）明確展示各專業(yè)的設(shè)備布置

水利工程廠房專業(yè)中布置了電氣、暖通、水機(jī)等各專業(yè)設(shè)備，一般二維展示只能根據(jù)各個(gè)專業(yè)的相關(guān)圖紙作基本位置的介紹，通過(guò)數(shù)字標(biāo)高識(shí)別各設(shè)備布置的高程。通過(guò)三維動(dòng)畫展示，能清楚地表達(dá)各個(gè)專業(yè)在真實(shí)場(chǎng)景中相互交錯(cuò)的關(guān)系，一些本身具有運(yùn)動(dòng)工作性質(zhì)的設(shè)備，還能模擬其工作過(guò)程并真實(shí)地表達(dá)出來(lái)。

3）直觀展示水利樞紐的工作原理及施工過(guò)程

通常為了說(shuō)明重要的技術(shù)點(diǎn)，用簡(jiǎn)單的、示意性的平面圖形來(lái)反映復(fù)雜的原理過(guò)程，不容易表達(dá)清楚三維空間上的真實(shí)內(nèi)容，而且還要求工作人員具備良好的抽象理解能力和很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)。用三維動(dòng)畫表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的水利樞紐、展示水利工程的工作原理及施工過(guò)程等則非常直觀而清晰，也是對(duì)重點(diǎn)工程項(xiàng)目技術(shù)、工藝闡釋的深化和重要延伸。

2.三維動(dòng)畫制作流程

三維動(dòng)畫借助計(jì)算機(jī)對(duì)所表現(xiàn)對(duì)象的形狀、尺寸建立模型以及場(chǎng)景，為模型賦予特定材質(zhì)，設(shè)置模擬燈光，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、虛擬攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)運(yùn)算生成一組靜態(tài)圖片，將這些靜態(tài)圖像高速播放，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果，之后添加字幕、圖像、音頻等效果，最后得到工程演示動(dòng)畫，。實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫流程的Bentley軟件模塊主要有Architecture、Structural、GEOPAK、MicroStation的渲染模塊以及后期處理軟件AfterEffects等，可根據(jù)需要，結(jié)合各軟件的優(yōu)勢(shì)綜合利用。

2.1模型的建造

基于筆者所在單位三維可視化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用MicroStation基礎(chǔ)軟件和包括測(cè)繪、地質(zhì)、建筑、結(jié)構(gòu)、管路、電氣、暖通、給排水、校審和全生命周期數(shù)據(jù)管理等涵蓋水電設(shè)計(jì)所有專業(yè)的專業(yè)模塊的強(qiáng)大功能，各個(gè)專業(yè)能夠同時(shí)進(jìn)行模型建造并實(shí)時(shí)協(xié)同。相較于傳統(tǒng)建模軟件，如Sketchup、3DMAX等更能精準(zhǔn)、快速地完成模型建造。利用MicroStation軟件的優(yōu)勢(shì)，最終能得到尺寸精確、細(xì)致、仿真度極高的壩區(qū)地形、擋水建筑物、通航建筑物、地下廠房模型、施工場(chǎng)地、公路等工程模型。

2.2材質(zhì)及燈光的選擇

材質(zhì)的處理，可在MicroStation中的渲染模塊用軟件自帶的材質(zhì)，也可根據(jù)需求，替換任意其他材質(zhì)，操作簡(jiǎn)單便捷。三維動(dòng)畫與水利工程建筑物相關(guān)的材質(zhì)種類不多，主要有混凝土、鋼筋、石頭等。由于水工建筑物的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但真實(shí)場(chǎng)景中材質(zhì)的同一種色調(diào)在三維展示中運(yùn)用略顯單調(diào)，并且難以清晰地表現(xiàn)建筑物各部分的銜接情況。為此，對(duì)同一種材質(zhì)也需收集多種顏色或紋理不同的樣本。燈光方面，可利用MicroStation中的渲染模塊功能可以模擬室內(nèi)、室外多種光源，表達(dá)形式也多樣化，如點(diǎn)光源、線光源、片面光源、太陽(yáng)光源等。各專業(yè)結(jié)構(gòu)及布置情況展示的三維動(dòng)畫對(duì)燈光的要求并不高，只需確保所展示的建筑物清晰可見(jiàn)，具有少量陰影即可。外部場(chǎng)景則需要對(duì)燈光的色彩、強(qiáng)度、衰減、陰影等方面進(jìn)行詳細(xì)考慮，以達(dá)到仿真效果。

2.3路徑的編輯及動(dòng)畫設(shè)置

三維動(dòng)畫的最大優(yōu)點(diǎn)，就是能夠多角度查看工程場(chǎng)景，在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法拍攝的角度，在三維動(dòng)畫中能輕松展現(xiàn)，只需在場(chǎng)景中設(shè)置好行進(jìn)路徑，并設(shè)置相機(jī)位置及目標(biāo)點(diǎn)位置。在水利工程建筑中，室內(nèi)展示受到建筑布局及結(jié)構(gòu)的影響，可能出現(xiàn)視角被遮蓋、行進(jìn)過(guò)程中遇到專業(yè)設(shè)備阻攔等情況，為了能使建筑及專業(yè)設(shè)備能更專題研究Special Research好地被觀看，有時(shí)會(huì)根據(jù)場(chǎng)景需要，對(duì)建筑物進(jìn)行剖切、隱藏墻體或半透明化處理以達(dá)到最佳的展示效果。

2.4渲染輸出及后期合成

渲染輸出時(shí)根據(jù)三維動(dòng)畫場(chǎng)景的時(shí)間長(zhǎng)短，單張圖片為一幀，以每秒25幀形成動(dòng)態(tài)效果。MicroStation能進(jìn)行渲染輸出連續(xù)的靜態(tài)圖片，渲染則由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作。后期合成是將渲染輸出的圖片素材進(jìn)行加工處理，添加文字、標(biāo)注、顏色顯示框甚至聲音效果等，之后合成AVI、MOV等視頻格式的動(dòng)畫，這一步驟主要在AfterEffects后期處理軟件及AdobePremiere視頻編輯軟件中完成。后期合成是水利工程三維動(dòng)畫制作較為重要的一部分，能在三維動(dòng)態(tài)展示的基礎(chǔ)上，添加更為清楚的解說(shuō)及標(biāo)識(shí)。

3.三維動(dòng)畫在水利工程中的實(shí)際應(yīng)用

筆者所在單位根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)市場(chǎng)及業(yè)主的需求，于2010年底成立了數(shù)字工程中心，其中，三維室主要推廣三維可視化協(xié)同設(shè)計(jì)，以托巴水電站、蟠龍抽水蓄能電站等各水利工程項(xiàng)目為依托，在協(xié)同平臺(tái)上利用三維建模，成功地將工程項(xiàng)目從二維轉(zhuǎn)化為三維，模擬出真實(shí)、精確的現(xiàn)實(shí)工程。在此基礎(chǔ)上，將模型以三維動(dòng)畫的形式展示出來(lái)，更直觀地闡述工程技術(shù)原理，促進(jìn)科研開發(fā)與成果推廣工作水平進(jìn)一步提升。

4.結(jié)語(yǔ)

在水利工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中使用三維動(dòng)畫技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供具有真實(shí)感的三維視覺(jué)模型，以便在工程設(shè)計(jì)階段既可在計(jì)算機(jī)上看到工程的未來(lái)景象，階段性成果匯報(bào)中也有展示性強(qiáng)的匯報(bào)素材。借助計(jì)算機(jī)三維模型可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可視化分析和評(píng)價(jià)，從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否得當(dāng)、樞紐布置是否合理等。三維可視化具有高效、直觀的特點(diǎn)，在水利水電工程中的應(yīng)用將有助于推動(dòng)水利水電工程向數(shù)字化、可視化和智能化方向發(fā)展。

作者：李琳琪 單位：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院