摘 要

针对传统机械设计流程中使用传统CAD软件进行虚拟仿真流程速度慢效率低等缺点，本文通过借鉴三维可视化软件Cinema4D在工业产品可视化制作流程中体现出的巨大优势，对基于Cinema4D的机械结构虚拟仿真制作流程进行了研究。同时，本文使用了传统CAD生产的数据为基础，通过对数据的处理，产生了适用于机械产品可视化制作的三维数据，此过程适用于大多数机械产品虚拟仿真的前期数据处理。本文选用链传动智能立体停车场为例进行虚拟仿真设计，首先对大量的链条模型进行了分类与实例化，通过添加刚体动力学模拟对链条进行了仿真。其次，本文使用了Python语言控制车库的运行以及平衡。最后，本文对虚拟仿真以及机械产品可视化的渲染流程进行了研究，通过结合当今最先进的GPU渲染技术，提出了一种快速生产高质量仿真视频与可视化数据的渲染流程。

关键词：Cinema4D；仿真；可视化；渲染；python

Abstract

Because there are some disadvantages like low-efficiency and low-speed in the process of making virtual simulation by using traditional CAD software in the traditional machine design process. The paper uses the Cinema4D, which is a 3D visualization software and shows a huge advantage in the process of making industrial product visualization works, did some studies in the process of making mechanical structure virtual visualization by using Cinema4D. The study used digital data from traditional CAD software，and changed to data which was suit for making industrial product visualization works. And the process can apply to most of industrial product visualization works’ data management in the early stage. The paper did virtual simulation by using a garage which is powered by chains. The study stimulated the chains firstly by adding Rigid Body Dynamics tags. Then the study used Python to control the garage’s working and balancing. In the end，the paper did research in the process of rendering of virtual simulation and industrial product visualization by using the most advanced GPU rendering technology, and brought a new high-efficiency process in producing high-quality videos of virtual simulation and a rendering process of visualized data.

Key Words：Cinema4D；simulation；visualization；rendering；python

目录

摘 要 3

Abstract 4

第1章 绪论 1

1.1社会面临的停车难题 1

1.2计算机仿真的流程与应用 1

1.3 Cinema4D平台 2

第2章 基于Cinema4D的虚拟仿真制作流程 4

2.1 CAD数据的导入与处理 4

2.1.1曲面细分 4

2.1.2 渲染实例修正 5

2.1.3 链条的装配与模拟 6

2.2车辆绑定与模拟 6

2.2.1基础仿真模型设计 6

2.2.2驱动仿真设计 8

2.2.3悬架仿真设计 9

2.2.4动力与重力仿真设计 10

2.3车库控制仿真 11

2.3.1车库驱动系统仿真 11

2.3.2虚拟探测元件设计 12

2.3.3车辆引导方案设计 12

2.3.4车辆类型判断 13

2.3.5车位占用判断 13

2.3.6 车库入库出库程序设计 14

2.3.7 车库自平衡程序设计 15

第3章 车库仿真可视化设计 17

3.1产品可视化设计概述 17

3.2 PBR渲染流程 17

3.3仿真场景设计与搭建 19

3.4材质与纹理设计 19

3.5仿真场景光照设计 20

3.5仿真效果及渲染输出 21

第5章 结论 24

5.1结论 24

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1社会面临的停车难题

随着社会经济的发展，汽车保有量不断增加。目前，中国每个城市的汽车保有量都很大，而且数量还在逐年增加。例如，2016年，中国汽车保有量已达到2亿辆，占全球汽车保有量的20%，并将在未来继续上升。^[1]然而，这将导致大量的交通问题和停车问题，而适当的停车系统可以有效地改善这种状况。尤其是在高峰时间，司机需要花费大量的时间去寻找车位，有时还会让司机的情绪受到影响，从而影响到行驶的安全性。^[1]一个自动化和智能化的停车系统可以使这一过程对驾驶员来说更快速、更容易。并且找到合适的停车空间也一直是司机们遇到的难题。人们对此进行了大量的研究。在一些研究中，汽车配备了通信设备OBUS，它与被称为RSUS的路边设备配套。司机可以使用这些设备相互沟通，可以很容易地找到一个空的停车位。在普通停车场泊车时造成的局部堵塞也被认为是城市大部分司机停车时遇到的问题之一，也是大面积交通堵塞的原因之一。^[2]

在汽车行驶时，目前车辆里的智能辅助技术会帮助司机做出判断和校正。但辅助技术相对应用程度较低的是在汽车静止时。一些研究设计并实现了一种使用于新型车门辅助系统的防撞系统，一种可以监测静止时车辆周围状态的智能车门。^[3]

但很少有研究涉及到停车位管理及其使用情况。人口和基础设施的增加导致需要增加适当的停车位管理。管理停车空间的一些好处是：

1. 节省基础设施花费

2. 提升交通服务质量

3. 为城市和相关工作人员创收

4. 减少土地消耗

所以有必要对于停车位管理和智能停车流程做出一些研究，从而缓解城市停车难以及交通堵塞的问题。^[4]

1.2计算机仿真的流程与应用

另一方面，工业产品或工业场景的仿真与可视化一直是此领域的一个难点，工业仿真就是对实体机械结构在计算机中的一种模拟，在虚拟条件下模拟实现机械所需完成的工作和流程，在此过程中可以得到机械在物理条件下机构运动与受力过程，从而检测设计方案在最终的真实环境下是否正确有效。在传统机械行业中，工程师们通常使用ADAMS、CATIA、SOLIDWORK等软件进行机械结构的运动仿真，不过对于大型机械结构的仿真，虽然这些CAD软件可以得到正确的运动数据，但是在前期制作难度上却是比较高的，需要用到多种约束，解算速度极其缓慢，而且受限于自身渲染器的技术特点，最终无法得到视觉效果逼真的仿真结果。^[5]通过此研究去找到一种适合于工业场景仿真和可视化制作的流程可以使工程师不仅可以快速并准确地对场景进行模拟，更可以得到真实的场景画面。许多应用于影视行业的先进技术和流程同样可以借鉴给工业领域，尤其是工业仿真领域，通过应用先进的影视制作技术，仿真结果将会变得真实可感，令人信服。

1.3 Cinema4D平台

Cinema 4D是德国MAXON公司研发的高级三维可视化软件，以极高的运算速度和渲染质量著称，其中最有优势的模块就是其动态图形模块，在极短的时间内能够模拟大量图形的运动过程，并且所有的图形和运动数据都可以通过高级渲染器输出为高质量的图片与视频。在Cinema4D中，通过Xpresso编辑器可以快速对模型进行约束。通过使用此工具，制作过程中可以对场景进行快速高效的迭代与修改，快速构建出高质量的工业场景仿真。

Cinema4D可以帮助动画设计师和计算机图形艺术家制作逼真的图形。软件也提供了大量资源和工具，并且易于学习和使用，是市面上最强大的软件之一。各个水平的学生都有能力通过Cinema4D平台建立专业的数字化作品。

从奥斯卡获奖影片《角斗士》（Gladiator），到最新电影《攻壳机动队》（Ghost in the Shell），到PDI等工作室，Cinema 4D一直被用于环境设计建模和预可视化艺术作品。它的界面对用户非常友好。被广泛应用于运动设计、电影产业、游戏开发等各个领域。^[6]如图1.1所示。

图1.1 Cinema4D软件

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