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三维建模及动画仿真技术在自动化集装箱
码头设计中应用
随着集装箱船舶逐步向大型化方向发展及港口集装箱吞 吐量持续增长,越来越多的码头采用自动化设备来提高作业 效率和降低成本。[1]上海振华重工(集团)股份有限公司 早在2006年就开始研发绿色环保、低碳节能、安全可靠、 效率较高的自动化集装箱码头解决方案。由于自动化集装箱 码头工程复杂且造价较高,仅依靠传统的平面图纸和文字说 明往往使人难以直观理解其工作流程和原理,并且可能因设 计疏漏造成重大经济损失。本文以厦门远海自动化集装箱码 头项目为例,介绍三维建模和动画仿真技术在自动化集装箱 码头设计中的应用,以期提高自动化集装箱码头设计的科学 性。
1软件选择
Inventor是美国Autodesk公司推出的一款三维可视化 实体模拟软件,能够方便快捷地创建和验证完整的数字样 机,可用于建模、装配等工作。3ds Max是Autodesk公司 研发的三维动画制作和渲染软件,具有通用性好、方便易学、
价格低廉、扩展性强等优点,是目前较为流行的同类软件之
价格低廉、
扩展性强等优点,是目前较为流行的同类软件之
一。本文所述的自动化集装箱码头三维建模和动画仿真基于
Windows操作系统,三维建模由Inventor软件完成,三维动
画制作由3ds Max软件完成,动画后期制作由After
Effects后期特效软件和Premiere Pro非线性编辑软件完 成。
2模型创建及导入
自动化集装箱码头设备众多,这些设备的三维模型需要 利用Inventor软件分别创建。本项目创建的模型包括集装 箱船舶、桥吊、内集卡、自动导引车、自动导引车伴侣、轨 道吊、铁路吊、码头地形等。
模型创建完成后,需要导入3ds Max软件中以构建场 景模型。在3ds Max软件中,依次选择“应用程序”菜单 f “导入”选项一 “选择要导入的文件”对话框一“文件 类型f u Autodesk Inventor (*. IPT; *. I AM),将建 好的模型逐个导入。导入模型时应当根据具体情况选择适当 的选项,以确保模型精度及Z轴方向正确(见图1)。设备模 型全部导入后,按方案布置图将模型放置在相应位置,形成 自动化集装箱码头总体三维模型(见图2)。
3材质及灯光设置
对模型进行材质、纹理贴图是关键步骤之一。为增强码 头整体效果的真实性,要根据业主的要求,利用材质编辑器 赋予模型相应的颜色、材质。一般情况下不要求对材质进行 做旧处理,只要根据业主提供的色标调出相应的颜色,再调 整高光级别及光泽度参数即可。此外,对港徽铭牌、集装箱 材质等进行贴图处理,并利用3ds Max软件的UV纹理编辑 器进行对位和编辑,配合整体模型达到最好的效果。
本项目使用mr Sun和mr Sky设置灯光参数,能够精 确渲染日光场景,实现较真实的光照阴影效果(见图3)。
4脚本设计
本项目需要动画演示7种作业工况,分别为卸船、装船、 堆场移箱、堆场接力、集卡装卸、特殊箱装卸、边装边卸等, 每种作业工况均要制定详细的动画脚本。卸船作业的动画脚 本见表lo
5动画设置
3ds Max软件设置运动的方法有关键帧法、变形法和关 节法等,技术动画一般采用关键帧法和关节法。该软件中几 乎所有参数都可以创建关键帧,而机械运动和受物理规律制 约的运动仅需少数关键帧就能使画面栩栩如生。
本项目采用关键帧法进行动画设置。为便于设置动画关 键帧,对设备及其零部件按所在位置关系分组,并用选择 链接”和“打断链接”的命令建立物体之间的层级关系,定 义父物体和子物体,形成动作关联性,使子物体跟随父物体 运动。需要注意的是,集装箱分别跟随桥吊小车、自动导引 车、轨道吊小车运动,而常规的分组或链接只能使其在整个 动画过程中跟随唯一的父物体运动,对其单独设置动画帧的 工作量又较大,为此,将集装箱的控制器类型改为“链接约 束”,使其继承目标对象的位置、旋转度和比例,从而随场 景中的不同对象运动。集装箱在特定关键帧的链接状态见图 4o
6渲染输出及后期合成
按照动画脚本对相关的设备、零部件设置关键帧后,即 可进行渲染输出,在渲染器设置”对话框中调节活动时 间段”“输出大小” “渲染输出” “指定渲染器”等参数。 本项目采用Mental Ray渲染器进行渲染,输出分辨率为高 清电视的12800? 20,并采用TGA图片序列为最终渲染结果, 这样方便后期特效软件和非线性编辑软件合成动画视频,通 过添加字幕、音乐、配音等完成整个三维仿真动画的制作。
7结束语
Inventor软件和3ds Max软件各有优势,在动画仿真 应用上能够实现功能互补。利用上述软件模拟自动化集装箱 码头的布局规划和各种作业工况,可以使抽象的技术问题形 象化,使码头管理者和研发人员直观了解自动化集装箱码头 的布局方
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