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摘要：随着企业数字化转型深入推进，越来越多的复杂物流场景需要通过动画的形式进行展示。传统工业动画大多利用关键帧技术按照既定脚本和路径，先对所有运动物体进行轨迹编辑，再设定灯光、材质效果，最后进行渲染合成形成动画。然而，传统方法的制作周期较长、灵活性较低、复用性较差，无法满足当前敏捷开发和快速迭代的数字化市场需求。本文利用Unity3D引擎，设计、开发了适应数字化技术的可视化物流动画制作平台。通过对平台动画模型进行模组化设计，应用场景模型实体化过程进行可视化管理，实现了物流动画的快速制作、展示和迭代，同时结合动画漫游技术，带来了更加真实的沉浸式视觉体验。
关键词：数字化、工业动画、可视化物流动画平台、模组化
作者：李茂 龙明武 李生者 沈田田 高嫚 毕蕾
昆船智能技术股份有限公司
一
背景与现状
物流工业动画是一种采用三维动画技术展示物流工业过程和设备的创新形式。它通过模拟和展示物流工业中的各个环节，如运输、仓储、分拣、配送等，帮助观众更直观、更深入地了解物流工业的流程和技术。在物流动画中，可以模拟货物从起点到终点的完整流动过程，展示物流系统中的各个环节如何相互协调、高效运作。物流工业动画内容需要突出展示物流工业中的关键技术和设备，如自动化分拣系统、智能仓储系统等，使观众更清晰地了解这些技术和设备的原理和应用[1]。
目前，物流工业动画的制作较为繁杂。传统工业动画需要根据设计总图，对土建、设备、流程分析，并勾勒出大致的动画脚本。然后在图纸原位置上对所有的输送线设备、搬运设备、立体库等设施进行二次描图，将总图设备部署的情况，以设备中心线描线的形式进行新的图层绘制。同时，在3DMax之中搭建相应设备的模型，并按设备类型逐步对照总图信息来设置模型的尺寸。再将设备中心线图导入3DMax之中，在对应线段位置逐一摆放对应的设备模型，完成从平面2D图纸到3D模型的转换，形成静态的设备模型场景。在静态模型搭建完成后，根据脚本内容对镜头、景别进行规划，利用关键帧技术逐一对设计的运动物体进行运动路径设置，达到设备与物料共同运动、相互协作的视觉效果，再调整画面光影、设备与物料材质等。最后不断重复以上步骤，依次完成动画脚本内容，形成最终的动画内容。如图1所示。
图1传统物流工业动画制作流程
在日常物流工业动画的应用当中，展示的方案中涉及的设备种类和数量众多，各设备作业期间的业务流程不同、运动姿态各异，观众对设备或者流程的关注点也各有不同。在有限的时间内，无法通过一部动画演示满足观众所有的兴趣点。其次，在动画制作过程当中，加强图纸数据的提取与利用，减少机械重复的描图工作，能够提高建模的效率，实现快速迭代、快速构建动画场景。通过面向对象方法建模增加模型的灵活性和复用率，避免关键帧模型的大规模应用。实现动画的演示场景需要与实际业务场景相符，以实际流程流量进行动画效果的演示。同时，还需要减少画面中设备、物料的光影、材质等渲染效果对硬件设备的依赖，降低动画运行设备对硬件的需求，提升观看流畅度。以常规包含3台堆垛机、1台穿梭车及相应输送线设备和土建配套的立体库为例，利用关键帧技术对所有运动物体进行逐个定义，运动路径的规划设置工作量巨大，需要1周时间进行建模和编辑（如图2）。同时，会产生约15G的模型、动画等数据需要处理。利用高性能多核24线程CPU对模型顶点、多边形、纹理等细节进行快速稳定的计算，还需要再经过1周的渲染、剪辑、合成等工序才能基本完成制作，整个物流动画项目制作周期大约为2周。并且传统物流工业动画所反映的内容多为单独的流程演示，无法展现出系统实际运行时物料状态和设备运行的全貌，通过局部展示起到辅助说明的作用。并且传统工业动画制作完成后，如果需要进行动画变更，即便是观看视角的变动，都需要对变动部分进行重新渲染，如果涉及运动物体轨迹、数量的变更，则需要更多的重新编辑及渲染时间，对动画制作周期有较大的影响。同时动画制作完成后输出的只能是固定内容，无法进行自由观察，不具备实时状态的反馈，沉浸式体验较差。
图2 3DMax部署建模
随着数字化进程的不断推进，对物流动画制作过程提出了更加高效、便捷的技术要求。将物流动画的主要组成部分进行模块化搭建，通过动画模块的配置，可以实现物流动画的个性化定制，减少动画项目的迭代周期。模块化组件的优势主要体现在可重用性、维护性、可测试性、清晰的代码结构、扩展性、更好地依赖管理、提高性能和便于团队协作等方面。这些优势使得模块化成为现代软件开发中不可或缺的一部分，以适应数字化转型的发展需要。
二
可视化物流动画平台
根据企业数字化转型对技术创新应用的需求，构建可视化、可编译、模块化，能够利用数据驱动具有沉浸式观看体验的工业动画平台，对物流工业动画技术发展具有重要的意义。
利用数字化技术对动画平台进行开发，是一个综合性的项目。它旨在通过数字技术为物流工业动画的创作，提供高效、便捷的制作环境。首先需要实现设计数据的交互，打破各软件平台间存在的数据孤岛现象，增强设计数据的可读性和可复用性，减少对设计数据的反复提取和重复描述。其次，可视化动画平台还需要建立相应的物流设备模型库、策略脚本库等，实现虚拟场景的快速搭建和运行。最后，还需要确保动画模型具有高质量且流畅的视觉效果，用具有交互式的观看方式，提升用户的视觉体验。总之，可视化动画平台的开发是一个复杂而细致的搭建过程，需要综合考虑用户需求、技术选型、应用场景等多个方面的因素，通过不断地优化和迭代逐步扩大平台的适用范围和提高动画制作效率。
针对可视化动画平台的技术需求特点，实现可视化动画平台的开发和应用。需要将Unity3D引擎作为基础开发平台，Unity3D具有操作简单、稳定性高、扩展性良好、跨平台方便等特点，还具有数据交互、仿真、可视化和应用程序编程接口（API）等功能[2]，基于unity3D基础工具，能够满足工业动画制作当中三维模型格式FBX的读取，且模型还原度高，对CAD图纸数据有较好的可读性。同时支持面向对象编程，可以通过C#脚本程序对模型进行控制，增强模型的复用性，缩短对运动物体编译制作的时间。
根据物流动画平台要实现的功能和性能需求，对业务流程进行梳理，以确保软件架构能够支撑这些业务活动的实现。再结合软件构架设计的可扩展性、可维护、可靠性等构架原则。通过对场景组件、模型组件和效果组件规划设计及研发，完成物流动画平台，在此平台基础上，实现对物流项目仿真动画的快速模组化定制。其核心包括场景、模型以及效果组件。
1.场景组件
场景模型的搭建是动画制作的基础。简单快速的场景生成，对提高工业动画的制作效率有着重要的影响。本文的可视化物流动画平台中，基于Unity3D通过面向对象的方法对物流设备模型进行抽象，完成场景模型的搭建。利用传统的建模技术，对设备的描图建模步骤耗时较大且重复工作较多，易造成设备的漏描、错描。物流动画平台接口可以将CAD数据提取工具提取导出的图块信息进行加工利用。按设备类型自动生成设备平面图。最终将完整的CAD项目图块信息转换为物流动画平台中的场景模型信息（如图3），实现虚拟场景的初步构建。
图3 建模信息的转换
通过对建模外观尺寸信息的提取，平台可以按照外观尺寸快速生成相应的设备或物料，并且已生成的设备模型也能够随设计数据的改变而改变，实现模型对设计数据的自适应（如图4）。同时可以根据土建情况搭建对应用场景的外部环境进行搭建，利用镜头语言更加形象立体的对应用场景进行全方位地描述（如图5）。
图4 设备模型外观生成
图5 应用场景外部环境搭建
2.模型组件
传统动画中物料的运动由关键帧技术控制，先在物体的时间轴两端添加关键帧确定物体的运动总时间。再绘制物体运动的轨迹线，让物体在规定时间内沿规定路径进行移动，将多个物体以时间轴为基准进行路径规划，最终形成物体运动的视觉效果。但是，以时间轴为基准的动画制作方式无法准确地表达设备之间的逻辑关系和实际生产效果。
在可视化动画平台中，模型架构采用面向对象建模技术，构建物流工业设备模型库，实现模型多场景适配，如图6所示。设备模型将C#脚本添加到设备模型类中，可以快速实现设备模型类的创建。在脚本中对应写入该类型设备的基本参数、调度策略等内容，以实现设备运行逻辑关系的表达，而不同的脚本组合又实现了同一类设备不同功能的定制。模型组件可以根据场景建模信息进行自动部署，实现场景模型的实体化搭建。动画制作过程中可以对库内模型进行直接调用，能够极大地缩短同类设备的动画设置和编辑周期。
图6 物流设备模型构成
3.效果组件
模型在场景内部署后，引擎会根据光照设置计算光照的角度和强度，以及该束光线照到模型表面材质形成的反光和阴影，这一过程将占用大量的CPU和GPU计算资源，对运行设备的硬件有较高要求。为了增加动画流畅度，降低设备门槛，需要对模型的材质、光影进行提前计算，这一过程就是模型的烘焙。在可视化动画平台中，利用光照贴图技术对模型进行烘焙，反光和阴影都会记录到模型中，把光照信息变为贴图信息，同时能够保留材质清晰的纹理（如图7）。在场景运行时就不再需要对环境光进行运算，极大的节约了计算资源，对提升模型质感、提高漫游镜头的流畅度有着重要的作用。
图7 场景烘焙前(左)场景烘焙后(右)
三
物流动画平台项目应用
以上海某电商物流仓库为例，该物流方案中设备的数量和种类较多，物体的运动路径较为复杂。同时，方案涉及龙门架装车、AGV搬运等业务步骤也较为繁琐，项目重点为论证龙门架装车系统与仓库出库能力匹配程度。
若采用传统技术方法进行动画制作，首先在场景的制作中，需要对多类设备进行描图、部署、流程设置等，以实现基本的出库流程展示。其次，装车系统时装车的每个物料均需要进行位置和移动路径的关键帧设置，才可实现装车过程的展示，整个制作周期极长。并且传统动画技术无法对多个系统之间的策略、适配度进行仿真模拟，无法实现出库能力与装车能力匹配度的验证与展示。
采用可视化动画平台，通过面向对象建模。可以通过提取的项目数据信息，较为快速准确地生成场景模型，实现应用场景的快速预览。通过对物料脚本、设备脚本进行编译，实现物料动画能够按业务流程进行输送和驱动设备，设备动画按既定策略规则实现仿真模拟运行。
1.物流场景规划
动画场景的制作首先需要对项目进行范围与流程的确认，对需要建模部分的信息进行划分，明确各设备图块信息后（如图8）。图册采用世界坐标原点平移的方法，对图册进行坐标规整防止设备位置信息溢出。利用CAD数据提取工具依次对建模设备进行位置坐标信息提取，为设备的自动部署提供数据依据，设备层的自动信息提取能够减少项目实施周期，提高建模精度。较传统动画描图步骤减少了大约70%的工作量，对缩短物流动画制作周期有较大的帮助。图纸信息的提取是实现物流设备仿真动画建模的基础。
图8 图层划分前(左)图层划分后(右)
2.物流场景搭建
在设备部署阶段，物流动画平台能够根据物流规划信息进行预部署，将规划信息与物流平台库当中的设备类型进行匹配，以外观尺寸数据线框图的形式对采集的方案信息进行转换，将CAD图纸信息，在动画平台当中进行3D转换，实现平面方案的可视化，通过对场景进行初步的校验和修改，达到快速部署快速展示的目的。根据设备信息中的世界坐标位置（x,y,z），可以在物流动画平台中确定所有设备部署位置的原点，以设备世界坐标构建模型父节点，实现具体设备模型的精准部署。而局部坐标是相对于对象自身的坐标系统，原点位于模型设置的中心点，局部坐标用于描述模型对象内部的位置和变换。利用局部坐标系来展示具体设备模型的坐标，即把父节点作为原点，相对于父节点在三个轴向上的距离就是详细的设备模型尺寸。完成所有设备信息读取和转换后就能够形成整个场景模型的数据线框图（如图9）。
图9 场景模型数据线框图
3.物流场景实体化
数据线框图搭建完成后，就需要在数据框架内添加设备模型，实现线框图的实体化。传统的动画制作技术应用当中，通常场景直接由实体模型进行搭建然后再渲染才能看出搭建效果，若对视觉效果不满意产生变更，则需要重新调整模型尺寸，重新对模型进行部署，返工量极大。在此项目当中对于输送设备和物料堆叠摆放的样式发生过数次变更，利用物流平台进行模组化设置，在固定的线框尺寸内，直接调用设备库当中的设备和堆叠摆放模型进行实体化（如图10）过程，即可对客户的需求进行快速的响应。
图10 设备实体化过程
利用物流动画平台进行方案模型的构建可以对项目进行快速迭代，通过平台的模组化配置实现场景设备的快速搭建、展示和变更，相较于传统的物流动画制作过程更加灵活便捷。平台物流设备模型库的应用使得实体化模型（如图11）的应用更加丰富，可以将不同尺寸的设备模型与数据线框尺寸进行自适应匹配，省去了大量模型调试工作，为项目实施节约了大量的时间。
图11 场景实体化
4. 编译仿真动画脚本
项目实体化场景生成以后，即可对设备模型实体进行编辑，通过对不同设备、物料进行脚本设置（如图12），可以在物流动画平台中实现相同的设备工艺场景不同策略的仿真动画验证，也可以实现在相同策略下不同设备能力动画分析，实现物流方案的柔性化设计和验证。该项目通过对不同摆放位置、摆放顺序的调整，利用动画仿真技术模拟了出库与装车的全过程，优化了设计方案，实现了装车能力与立体库出库能力的效率匹配。并且项目过程中的各类脚本可以形成新的脚本库，并可以直接在其他同类型的项目中进行复用。
图12 过程脚本
四
项目实施效果
脚本编辑完成后，场景模型即可按业务流程要求进行仿真运行。物流仿真动画平台较传统动画视频输出方式外，还提供了动画场景漫游功能（如图13）。使得客户可以自由地观察整个场景的仿真运行状态，对各自的关注点进行全方位，多角度地观察，区别于传统动画的内容、视角的固定展示。沉浸式的动画体验增强了视觉感受，更加生动、直观地展示了物流方案设计思路和项目运行过程。
图13 漫游视角
利用物流动画仿真平台进行物流演示仿真动画的制作，大约3个工作日可以完成场景的搭建，进行场景的快速预览和修改，极大地缩短仿真动画的制作周期。同时，相比手工描图、绘图，采用数据提取的方式提高了动画模型的制作精度，经过数据检测的模型不会出现穿模现象。场景模组化的搭建，可以更加快速、便捷地对项目进行预览和展示。在该项目的应用当中，物流动画仿真平台的应用实现了项目在实施过程中的规划、设计、编译等过程的可视化，客户可以积极地参与到每一个设计制作阶段，并及时地提出业务需求和变更。相比传统的制作、展示、修改反复循环的瀑布式动画制作过程，采用物流动画平台的动画项目过程，项目需求可以由模糊逐步到清晰。动画仿真效果可以由虚体到实体的转换。模型外观、动画流程、仿真策略均可进行自由地配置。丰富灵活的设备库应用使得仿真动画平台可以更加快速地响应客户的变更需求。
五
物流工业动画展望
随着数字化技术和人工智能的发展，在模型构建和动画制作当中生成式AIGC动画也越来越成熟。为提高设计效率和设计质量，顺应人工智能时代不断变化的复杂设计需求，智能化的建模、智能化制作成为新的趋势。在可视化动画平台中加入更多智能化元素，实现更加复杂的场景应用，探索更加精确、高效和稳定的模型结构，以提高其表达能力和生成质量，创造更多的动画交互，更好的视觉体验对工业动画质量的提升有重要作用，有助于提高动画产业的创新能力。
参考文献:
[1]章国雁.利用虚拟现实技术制作仿真动画的研究[J].芜湖职业技术学院学报,2022-12--24(4).
[2]刘立强,孙文磊,王一等.基于Unity3D的油田抽油机三维可视化监控系统设计[J].系统仿真学报,2024(2):463-475.
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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