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栗世尧++周雪飞++李波
摘 要：工业仿真动画是以三维动画的形式将产品设计者的意图表达出来，具有展现产品功能突出产品特点的作用。CINEMA 4D是德国Maxon公司研发的3D绘图动画软件，可用于三维动画的制作和渲染。通过运用软件的快速渲染引擎AdvanceRender和节点的积木XPresso表达式，解决了传统三维仿真动画中关键帧设置繁琐及3D渲染效率低的问题，并且介绍了一种制作工业仿真动画的方式。
关键词：CINAME 4D 工业仿真 三维动画
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0012-04
Abstract： Simulation of industrial action in the form of three-dimensional animation to express the product designer's intent with outstanding product features. CINEMA 4D is Germany's Maxon company developed 3D graphics animation software for three-dimensional animation and rendering. By using XPresso expression fast rendering engine AdvanceRender and node building blocks XPresso expression， to solve the traditional three-dimensional simulation animation key frame settings cumbersome and low rendering efficiency of the problem.
Key Words： CINAME 4D； Industrial simulation； 3D animation
工业仿真动画是指采用三维动画技术模拟机械的外形、材质、零部件和内部构造，把机械的设计原理、工作过程、性能特征、使用方式等一系列真实的事物以动态视频的形式演示出来[1]。随着人们对可视化要求的提高，传统的平面静态讲解图逐渐被三维动态演示视频即工业仿真动画所取代。软件CINEMA 4D有着易学易用的特点，本文将主要讲解如何运用CINEMA 4D的Advance Render渲染器和XPresso系统来提高工业仿真动画的制作效率。
1 基于CINEMA 4D的工业仿真动画开发流程
如图1所示为工业仿真动画制作流程。CINEMA 4D与3Dmax、Maya等软件都属于三维后期软件，但CINEMA 4D更偏重于动画制作与渲染，它提供了非常便捷的三维动画制作手段，以及高效的3D渲染器Advance Render，这使得CINEMA 4D在三维动画制作方面比其他同类型软件更有优势。
2 运用CINEMA 4D提高工业仿真动画制作效率
三维动画的制作可简单概括为四个方面：建造模型、赋予材质、动画设置、渲染输出。因为主体模型是直接导入的，工业仿真动画的模型材质也相对简单；所以我们主要以提高渲染输出的速度、减少动画设置的步骤来实现动画制作效率的提高。
2.1 运用AdvanceRender提高视频渲染的速度
提高视频制作效率最简单的方法就是提高渲染效率。Cinema 4D内置基于Ray-Trace（光影追踪）的AdvanceRender（高级渲染器），其Scanline（扫描线）渲染方式至今仍然是世界上速度最快、真实感最强、操作最简单的非GI（非全局照明）渲染解决方案。AdvanceRender（高级渲染器），这个引擎具备强大的渲染能力而又具有多样性，包括许多重要的功能，如环境吸收、全局照明、焦散、光能传递、HDRI、3S等[2]。在对硬件的需求上，它比其它的三维软件要求要低，但是却能取得更好的渲染效果。图2所示为几款主流渲染器渲染耗时[3]，可见在相同画质要求下对同一物体进行单帧渲染CINEMA 4D无疑是最快的。
在對做好的动画进行渲染时还需注意以下几点：
（1）Cinema 4D渲染输出的默认帧频是30帧/s，而国内视频用25帧/s输出即可，这样不仅满足了国内视频格式的要求还减少了渲染输出的时间。
（2）对于一些专门用于表现机械运动关系的仿真动画应当尽量减少渲染负担，如全区光照、抗锯齿等用于提高画面品质的选项设置可不使用。
（3）在渲染输出时应以单帧图片的形式渲染输出，当全部帧都渲染完后再将这些序列图片转换为视频格式。这样的好处是如果一个4s（100帧）的视频渲染中途（45帧）软件停止运行了，继续渲染时可以从上一帧（45帧）的位置开始渲染，而不用重头渲染。
2.2 运用XPresso减少动画设置的步骤
动画设置是三维动画制作的核心环节，在这一步不仅需要对静态的模型赋予运动关系，为了最佳效果还需要对运动关系进行反复调整。传统的动画设置方法操作繁琐不易修改，而Cinema 4D的XPresso节点积木系统简化了动画设置的步骤、降低了动画修改的难度，这里将通过两个事例来展示XPresso节点积木系统是如何提高动画设置效率的。
2.2.1 通过 “脚本语言”实现对物体间逻辑关系的控制
三维软件基本上都有相应的脚本语言。比如3DMAX中的maxscript，Maya中的Mel，在大家熟知的AE中也有脚本语言，可见语言无处不在。MAXON开发的XPresso是C4D使用的一种基于节点的编程语言，允许您动态链接对象属性。它比其他的三维软件的脚本语言相比，它是模块图形化的，不需要用键盘打英文代码，记住那么多的函数公式，它使你能直观的看到各个模块是如何交互。endprint
图3所示为xpresso控制齿轮连动，从图中可以看出只有主动轮（15齿）做了动画设置，分别是在第0帧0°第40帧-60°第80帧110°，而对于从动轮1与从动轮2未做任何动画设置。但两个从动齿轮依然产生了動画，并且符合主动齿轮的传动关系。
实现这种效果的具体方法是：将三个齿轮放入XPresso的编辑器中，以旋转角度B为输入输出端。通过乘法运算器使 从动轮1的旋转角度=主动轮旋转角度×-0.75 ，从动轮2的旋转角度=从动轮1的旋转角度×-0.625，这样就完成了齿轮传动的关系设置。最后回到主界面对主动轮进行动画设置。
这么做的意义在于：如果物体间存在连动关系，那么只要对主动件做动画设置就能实现一系列的传动变化。设想一个复杂的传动系统，如果运用传统方法设置动画就需要反复的给各个物体设置关键帧，这样制作动画效率很低且容易出错。而运用xpresso系统能省去在此传动链中除主动件以外所有物体的关键帧设置。
2.2.2 整合所有控制点位
在xpresso中物体的变化量既可以当做输入也可以当作输出，但要注意的是变化量并非必须是物体自身的固有属性。通过人为定义用户数据可以实现物体属性的自定义，将这些数据放置在一个界面中就能实现对控制点位的整合。
整合控制点位的好处是：如图4机械手的动作变化和图5机械手局部动画设置，在工业仿真动画中有时需要对模型做非常繁复的动画设置。而且这些运动元件相互独立，不存在传动关系。传统的设置方法是逐层逐步去做动画。方法为：找到对应文件所属目录并在其中找到所要做动画的模型或模型组，确定其所要变化的属性例如旋转。在时间节点1定义其旋转属性数值，在时间节点2确定其旋转属性的变化值并再次定义，如果后续还有变化则依次定义其变化值。完成一个模型的动画设置后去寻找下一个需要做动画的模型，直到所有需要做动画的模型都完成动画设置。如果模型目录很长有很多层的子集，那么设置过程就很繁琐复杂。
而运用xpresso配合用户数据去做动画设置可以将所有的变化量集中到一个界面进行操作控制。免去了翻目录树寻找控制对象和控制属性的过程，这样就不仅操作直观而且不易出错便于修改。
用户数据界面的设置方法为：在根目录下选中所要做设置的对象，进入用户数据选择增加用户数据。对存在的运动关系做出定义。将对象以及其它运动元件放入XPresso的编辑器中进行关系建立，具体方法如2.2.1中所介绍的。
3 结语
现在工业仿真动画在企业投标、产品销售、产品检测分析等方面越来越受到重视，也有也来越多的人开始学习三维动画软件。对于一般工业仿真动画的制作思路可概括为：理解所需制作的模型都有哪些展示要求，对所需展示的结构和功能安排时间顺序。对模型赋予材质使其更加真实形象，布置简单的环境场景。找到所需变化的属性项并根据事先安排的时间顺序做动画设置。在所有动画设置都完成后输出视频，通过后期软件做进一步的优化。本文希望通过介绍Cinema 4D来给工业仿真动画的初学者提供一些思路和方法。
参考文献
[1] 新视觉数码.工业仿真动画处于一个成长期[EB/OL]. http：//www.newsight.cn/newsDetail.php？cid=55&id=500，2016-07-23/2017-04-15.
[2] idlch.最详细的C4D介绍[EB/OL].http：//bbs.jcwcn.com/thread-86595-1-1.html，2007-05-17/2017-04-15.
[3] 黑桃鱼.浅析_CINEMA 4D软件各大主流渲染器[EB/OL].http：//www.zcool.com.cn/work/ZMTc1MzE4OTY=/1.html，2016-08-01/2017-04-15.endprint
