基于3dmax的鱼肉采肉机动态仿真研究
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【摘要】研究180型鱼肉采肉机设备的动态性能。利用3dmax软件创建鱼肉采肉机三维模型的技术方法，设计采肉机分镜头脚本，模拟采肉机工作状态，设备内部结构，为使用者提供逼真的学习参考环境。三维模拟的采肉机仿真动画较口述、二维图像更直观，能全面的审查和评价采肉机整个工作过程的视觉效果。
【关键词】鱼肉采肉机;动态仿真;3dmax
一、引言
鱼肉采肉机是鱼肉加工装备系统初加工环节的重要组成部分，它利用采肉桶和主皮带轮相互压榨的方式，通过环状胶带将清洗后的鱼挤压到旋转的采肉筒内，而把鱼皮、鱼骨留在采肉桶外，由刮刀把它送出机外。
较传统的二维图像或文字表述，三维动画可以直观地模拟出采肉机的工作过程，揭示采肉机的工作原理。利用3DMAX软件强大的三维建模、材质贴图和动画能力，结合完全开放的开发环境，能真实再现采肉机工作过程的视觉效果。本文所述的鱼肉采肉机三维动画利用三维技术设计，结果表明它可以实现逼真的效果模拟。
二、三维建模、材质及灯光设计
鱼肉采肉机主要由不锈钢箱体、进料盘、采肉筒、环状胶带、主皮带轮、托轮、刮刀、传动系统、摆线减速器、电机等组成。
从建模方面看，采肉机采用多边型建模、复合物建模和nurbs曲线曲面建模的方法创建。多边形建模可通过内置参数进行修改，在视图中创建标准几何体或扩展几何体，如长方体、圆柱体等;复杂的物体可以在视图中创建基本几何体的前提下进入模型子对象层级进行编辑，通过挤出、倒角、连接、弯曲、扭曲等命令修改形状，塑造出需要的模型，文中采肉机的不锈钢箱体、进料盘和摆线减速器使用多边型建模法创建。复合物体建模可以利用集成的复合建模命令，比如“布尔运算”，使两个物体之间产生相应的变化，文中采肉机刮板调节轴、螺母等部件使用布尔运算建模实现。利用NURBS曲线创建二维图形，可以对二维图形添加各项修改器，使其生成三维模型，常用的修改器有挤出挤压、车削等;[1]文中采肉桶、环状胶带、主皮带轮及其他主要部件使用nurbs曲线曲面法完成。
图1 渲染后的鱼肉采肉机模型
表1 鱼肉采肉机动画脚本
从材质方面看，为了使采肉机模型更加真实，将主体赋予不锈钢材质贴图，环状胶带赋予塑胶材质贴图，同时为模型添加“uvw贴图”命令，分别设置对应参数，使贴图更清晰。
从灯光方面看，为了烘托环境，模拟真实作业情况，除了设置传统目标聚光灯，还设置了天光，同时打开渲染――高级照明――光线追踪，指定天光渲染效果。图1为渲染后的鱼肉采肉机模型。
三、创建动画脚本
动画脚本是创作采肉机动画必不可少的前期准备。通过动画脚本能勾勒出整个动画的创作思路，动画整体分为两部分，主要部件展示和结构演示。表1为鱼肉采肉机动画脚本。
四、动态仿真设计
3dmax软件动态仿真动画主要由基本关键帧动画、修改器动画、复合对象动画、约束动画、正反向动画、特效动画、骨骼动画以及曲线编辑器构成。本文中采肉机动画主要采用基本关键帧动画、复合对象动画、控制器动画和曲线编辑器。
1.基本关键帧动画具体运用
关键帧动画在采肉机动画仿真中应用非常广泛，可以通过调整模型的位移、缩放和旋转，可以调整贴图的位移、平铺数值，也可以调整摄像机的推、拉、摇、移，该软件中几乎所有参数都可以创建关键帧。机械运动和受物理规律的运动仅需要少数关键帧就能栩栩如生。
（1）建模动画
鱼肉由片状变形为线条状或块装的动画，可以利用关键帧动画实现。先将模型转换为多边形，通过调整“点”参数的方式，改变鱼肉形状。
（2）贴图动画
文中环状胶带的旋转动画，是利用更改贴图的“偏移值”关键帧动画实现的。由于环状胶带的不规则形态，通过调整“旋转” 参数的方式很难实现关键帧动画。这时通过调整贴图“偏移值”关键帧，就会使动画计算量变小，并且使动画效果逼真。先将环状胶带赋予“位图”材质，通过调整位图的“偏移”值关键帧节点，使模型产生滚动的动画效果。
（3）摄像机动画
摄像机动画作为作品最重要表现方式，能用于设置观察场景的视域，并可以将摄影机的移动关键帧设置成动画。文中多处利用摄像机“推镜”揭示采肉机组成部件，从而更充分地表现采肉机工作的动态效果。
（4）透明动画
可以调整模型透明值参数关键帧，实现由外部结构进入内部结构的动画表现。这种技术方法广泛地应用于机械设备的动画创作中。文中采肉机工作现状模拟展示的创建过程中，利用“摄像机”与“透明度”相结合的方法，更加清晰地揭示设备运作原理。
2.复合对象动画
复合对象可以通过将两个或多个现有对象相结合的方式组合成单个对象，创建其他建模方法难以实现的模型。通过修改复合对象的参数，实现动画创作。
（1）散布动画
“散布”是复合对象的一种形式，使用该复合对象可以将所选的对象散布为阵列，或散布到指定对象的表面，散布对象自身可带有动画，并且可以设置动画的变化。文中采肉桶镂空建模动画就是利用散布方式完成采肉桶的镂空阵列效果。
（2）一致动画
“一致”也是复合对象的一种形式，一致动画也可以称为包裹动画，它是将某个对象（称为“包裹器”）的顶点投影至另一个对象（称为“包裹对象”）的表面而创建。使用一致复合对象，可以使对象适应容器（例如，将一个对象封闭在一个容器中）。文中使用一致复合对象，将一部分鱼肉放置在采肉桶中，并随着采肉桶的旋转，鱼肉在接触桶壁时，也发生变形，但始终位于容器内。
3.控制器动画
场景内的所有对象在创建时都附带一个默认的动画控制器，所有常规的动画设置参数都记录在动画控制器中。为了更加准确、快捷地设置出场景所需要的动画效果，可以通过添加新的动画控制器，将原有动画控制器更改为其他更为适合的动画控制器。
（1）链接约束控制器
在设置正向运动时，一个子对象只能继承一个父对象的运动，但使用了“链接约束”控制器，可以使对象在不同的时间继承不同父对象的运动，设置变化更为丰富的链接动画。文中让部分鱼肉随着采肉桶的旋转而旋转，从而使鱼肉最终从桶中滑落至储藏盒中的动画就是使用该方法完成的。
（2）路径约束控制器
在某层添加控制器后，该控制器会替换其最初的控制器，因此可能无法再对其进行变换操作，这不利于对动画的编辑，因此，通常在使用控制器时，会使用虚拟物体来辅助动画设置。首先创建虚拟物体，然后为虚拟物体添加控制器，最后将需要设置动画的对象与虚拟物体绑定，使其成为虚拟物体的子对象，这样即保证了动画的准确性，又可以随时编辑对象。路径约束动画在采肉机动画中占有相当大的比重，从设计鱼骨的滑落动画，到摄像机全景布置都运用到了路径约束控制器。
“曲线编辑器”是编辑动画的重要工具，在轨迹视图中，可以展示场景中动画设置的内容，可以对动画进行更为细致，更深入的编辑。通过曲线编辑器修改，实现了文中采肉桶的循环旋转动画。
五、渲染输出与后期合成
按照动画脚本对相关的设备、零部件设置动画后，即可进行渲染输出，一般便于后期处理，可以选择“.tga”渲染格式。使用Vray渲染器，可以应用不同的纹理贴图，控制其反射和折射，增加凹凸贴图和置换贴图，强制直接全局照明计算。通过非线性编辑软件，文中采肉机使用premiere软件合成，通过软件添加字幕、音乐、渐变等特效完成整个三维动画的制作。
六、结束语
利用3dmax软件模拟180型鱼肉采肉机工作状态和工作原理，可以使抽象的技术问题形象化，使渔业食品加工人员或研发人员直观了解采肉机的作业流程，从而大大方便设计方案的交流改进，并为调整优化方案提供决策依据。实践证明，三位建模和动画仿真软件以其独特的设计理念，将科学性和艺术性相结合，为鱼肉采肉机设计和推广提供重要支撑。[2]
参考文献
[1]梁澄，180型鱼肉采取设备动态仿真中的三维建模研究，计算机光盘软件与应用，2013，18.
[2]夏冰，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，集装箱化，vol.24 ，No.1.
基金项目：渔机所青年基金项目的研究成果之一（编号：2013KY023）。
作者简介：梁澄（1985―），女，助理研究员，研究方向：渔业装备仿真技术研究。