浅析仿真技术三维建模和动画仿真技术在自动化集装箱码头设计中运用
最后更新时间：2024-04-12
作者：用户投稿
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论文导读：
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。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、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→“导入”选项→“选择要导入的文件”对话框→“文件类型”→“Autodesk Inventor（*.IPT；*.IAM）”，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1。
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4。
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1280€？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论文导读： （编辑：张 敏 收稿日期：2012-12-27）上一页12
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案和源于：论文结论www.7ctime.com
作业流程，从而大大方便方案论证和交流改进，并为调整优化方案提供决策依据。实践证明，三维建模和动画仿真软件以其独特的设计理念，将科学性与艺术性相结合，为自动化集装箱码头设计和推广提供重要支撑。
参考文献：
杨桂樨. 我国港口集装箱运输及码头建设[J]. 港工技术，2003（1）：14-18.
（编辑：张 敏 收稿日期：2012-12-27）
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。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、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→“导入”选项→“选择要导入的文件”对话框→“文件类型”→“Autodesk Inventor（*.IPT；*.IAM）”，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1。
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4。
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1280€？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论文导读： （编辑：张 敏 收稿日期：2012-12-27）上一页12
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案和源于：论文结论www.7ctime.com
作业流程，从而大大方便方案论证和交流改进，并为调整优化方案提供决策依据。实践证明，三维建模和动画仿真软件以其独特的设计理念，将科学性与艺术性相结合，为自动化集装箱码头设计和推广提供重要支撑。
参考文献：
杨桂樨. 我国港口集装箱运输及码头建设[J]. 港工技术，2003（1）：14-18.
（编辑：张 敏 收稿日期：2012-12-27）