三維動畫工程設計論文
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水利工程建設是一項復雜的系統工程，設計周期長、投資大、主體結構復雜，具有標準化程度低、協同配合要求高等特點，并且專業涉及面廣，包括測繪、地質、土木、建筑、機械、給排水等多個專業，各專業之間存在著相互聯系又相互制約的關系，且各專業的二維圖紙表達抽象，其他專業參照非本專業圖紙較難理解。因此，在水利工程展示中采用三維動畫表達設計意圖具有以下3點現實意義：
1）清晰展示工程建筑物主體結構
三維動畫可從多視角將工程建筑的結構、材質、布置準確地表達出來，在模型基礎上，能夠任意觀察壩工、廠房等專業建筑結構。相較于用工程圖紙加上說明的表達形式，更能直觀地讓人感受到工程建筑的形態，突破了二維的局限性。
2）明確展示各專業的設備布置
水利工程廠房專業中布置了電氣、暖通、水機等各專業設備，一般二維展示只能根據各個專業的相關圖紙作基本位置的介紹，通過數字標高識別各設備布置的高程。通過三維動畫展示，能清楚地表達各個專業在真實場景中相互交錯的關系，一些本身具有運動工作性質的設備，還能模擬其工作過程并真實地表達出來。
3）直觀展示水利樞紐的工作原理及施工過程
通常為了說明重要的技術點，用簡單的、示意性的平面圖形來反映復雜的原理過程，不容易表達清楚三維空間上的真實內容，而且還要求工作人員具備良好的抽象理解能力和很強的專業知識。用三維動畫表現動態的水利樞紐、展示水利工程的工作原理及施工過程等則非常直觀而清晰，也是對重點工程項目技術、工藝闡釋的深化和重要延伸。
2.三維動畫制作流程
三維動畫借助計算機對所表現對象的形狀、尺寸建立模型以及場景，為模型賦予特定材質，設置模擬燈光，再根據要求設定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其他動畫參數，通過計算機的自動運算生成一組靜態圖片，將這些靜態圖像高速播放，從而產生動態效果，之后添加字幕、圖像、音頻等效果，最后得到工程演示動畫，。實現三維動畫流程的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，可根據需要，結合各軟件的優勢綜合利用。
2.1模型的建造
基于筆者所在單位三維可視化協同設計平臺，利用MicroStation基礎軟件和包括測繪、地質、建筑、結構、管路、電氣、暖通、給排水、校審和全生命周期數據管理等涵蓋水電設計所有專業的專業模塊的強大功能，各個專業能夠同時進行模型建造并實時協同。相較于傳統建模軟件，如Sketchup、3DMAX等更能精準、快速地完成模型建造。利用MicroStation軟件的優勢，最終能得到尺寸精確、細致、仿真度極高的壩區地形、擋水建筑物、通航建筑物、地下廠房模型、施工場地、公路等工程模型。
2.2材質及燈光的選擇
材質的處理，可在MicroStation中的渲染模塊用軟件自帶的材質，也可根據需求，替換任意其他材質，操作簡單便捷。三維動畫與水利工程建筑物相關的材質種類不多，主要有混凝土、鋼筋、石頭等。由于水工建筑物的結構較為復雜，但真實場景中材質的同一種色調在三維展示中運用略顯單調，并且難以清晰地表現建筑物各部分的銜接情況。為此，對同一種材質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、室外多種光源，表達形式也多樣化，如點光源、線光源、片面光源、太陽光源等。各專業結構及布置情況展示的三維動畫對燈光的要求并不高，只需確保所展示的建筑物清晰可見，具有少量陰影即可。外部場景則需要對燈光的色彩、強度、衰減、陰影等方面進行詳細考慮，以達到仿真效果。
2.3路徑的編輯及動畫設置
三維動畫的最大優點，就是能夠多角度查看工程場景，在現實中無法拍攝的角度，在三維動畫中能輕松展現，只需在場景中設置好行進路徑，并設置相機位置及目標點位置。在水利工程建筑中，室內展示受到建筑布局及結構的影響，可能出現視角被遮蓋、行進過程中遇到專業設備阻攔等情況，為了能使建筑及專業設備能更專題研究Special Research好地被觀看，有時會根據場景需要，對建筑物進行剖切、隱藏墻體或半透明化處理以達到最佳的展示效果。
2.4渲染輸出及后期合成
渲染輸出時根據三維動畫場景的時間長短，單張圖片為一幀，以每秒25幀形成動態效果。MicroStation能進行渲染輸出連續的靜態圖片，渲染則由計算機自動操作。后期合成是將渲染輸出的圖片素材進行加工處理，添加文字、標注、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畫制作較為重要的一部分，能在三維動態展示的基礎上，添加更為清楚的解說及標識。
3.三維動畫在水利工程中的實際應用
筆者所在單位根據勘測設計技術市場及業主的需求，于2010年底成立了數字工程中心，其中，三維室主要推廣三維可視化協同設計，以托巴水電站、蟠龍抽水蓄能電站等各水利工程項目為依托，在協同平臺上利用三維建模，成功地將工程項目從二維轉化為三維，模擬出真實、精確的現實工程。在此基礎上，將模型以三維動畫的形式展示出來，更直觀地闡述工程技術原理，促進科研開發與成果推廣工作水平進一步提升。
4.結語
在水利工程的設計過程中使用三維動畫技術，為設計者提供具有真實感的三維視覺模型，以便在工程設計階段既可在計算機上看到工程的未來景象，階段性成果匯報中也有展示性強的匯報素材。借助計算機三維模型可以對設計方案進行可視化分析和評價，從而檢驗設計方案是否得當、樞紐布置是否合理等。三維可視化具有高效、直觀的特點，在水利水電工程中的應用將有助于推動水利水電工程向數字化、可視化和智能化方向發展。
作者：李琳琪 單位：中國水電顧問集團中南勘測設計研究院