0 引言

在各类生产作业指导书中，若配套提供具有交互特性的三维动画素材^[1]，能够有效地帮助使用者正确理解并迅速掌握作业指导书的内容。在常规的动画素材制作模式下，难以为作业指导书制作简洁易用的配套动画^[2]。本文提出了可重用交互式三维动画单元的概念，对其设计模式和制作流程进行了介绍，并以高压断路器的三维检修作业指导书的配套交互式动画制作过程为例，分析可重用动画单元设计模式的具体应用过程。

1 可重用动画单元技术特性

可重用动画单元为可重用交互式三维动画单元的简称，它不同于通常意义上的视频动画片段，具备以下特性。

1.1 规范性

每个可重用动画单元都必须遵循网络三维（Web3D）相关标准规范，以便被遵循同样标准的其他应用在数据层面共享，并进行识别与操作^[3]。

1.2 独立性

可重用动画单元本质上是三维模型数据及其在时间序列上对应的空间坐标集合体，因此具备完全独立的交互演示特性，可以使用IE浏览器等软件直接播放观看，并且在播放过程中能够调整观看距离、焦距中心和观察角度。

1.3 叠加性

不同的可重用动画单元三维模型具备独立的空间坐标与时序坐标，由于每个可重用动画单元都遵循着相同的标准规范，因此能够在空间与时间上相互叠加，互不干扰，具有良好的开放性。

1.4 可编辑性

每个动画单元的模型部件位置与动作是可编辑调整的，由若干个可重用动画单元叠加后形成的新的动画单元，同样具有可编辑性。

与可重用动画单元相比，视频片段不是以独立的模型实体对象和时间—空间位置序列数据为基本构成单元，因此不具备上述的完整特性，不满足交互式三维动画制作的重用要求。

2 可重用动画单元设计模式 2.1 逻辑分层设计

可重用动画单元设计模式借鉴了IT技术中的“生产者—消费者”模式。在这一模式下，生产者指提供大量简洁的可重用动画单元的基础素材制造者（IT动画人员），消费者则是指利用这些可重用动画单元进行最终业务场景动画设计的创作者（业务专家）。按照分层设计思想，将动画单元制作与动画单元调用划分为2个逻辑层面，如图 1所示。

2.2 应用框架开发

从调用动画单元角度考虑，首先应给创作者提供一个方便易用的交互式动画制作界面。最简洁也最容易理解的方法是在空白的表格中逐行填写作业说明，并指明应选用的动画单元，以清晰表达动画的逻辑顺序。该界面屏蔽了复杂的动画制作技术细节，为熟悉具体生产业务场景的制作人员提供了简洁的动画单元预览、调用、合并创作等功能。综合考虑易学易用、开发、发布、维护等各方面的因素，最终确定采用Excel的VBA（Visual Basic for Application）实现变电站三维作业指导书动画制作应用框架的开发。

3 可重用动画单元制作流程

设计并制作动画单元是为了更方便地创作交互式三维动画，以直观形象的三维方式呈现出传统作业指导书难以表达的详细作业过程，并且用户在观看动画时可调整观察视角、场景距离，对设备与部件进行旋转、缩放、平移等操作^[4]，为传统作业指导书增加一种阅读理解方式。可重用动画单元制作流程示意图如图 2所示。

（1）分析设备的运行、检修作业指导书，梳理和提炼全部作业动作；

（2）进行动画单元的总体规划与设计，并形成详细的操作动作术语与动画单元对照表；

（3）设计并构建动画单元库；

（4）调用并创作新的动画，并入动画单元库；

（5）更新完善动画单元。

由图 2可以看出，整个制作流程始终遵循PDCA思想进行补充和完善。原则上，首先应做好动画单元库的总体规划设计，优先提炼并实现重用率高的动画单元；其次，动画单元表达内容应尽量单一，便于重用。例如：一个动画单元若要表现“打开机构箱门，并打开空气管路堵头”，则应将该动画单元拆分为“打开机构箱门”和“打开空气管路堵头”2个独立的动画单元，然后在完整的动画组装过程中分别加以调用。

4 应用实例

本文以高压断路器LW13-550A的三维检修作业指导书的配套交互式动画制作过程为例，论述可重用动画单元设计模式的具体应用过程。

4.1 动画单元设计与制作 4.1.1 设计动画单元

根据业务专家的描述，IT动画人员建立简洁的操作动作术语与动画单元对照表（见表 1），并设计出完整的可重用动画单元。该环节形成的操作动作术语与动画单元对照表是IT动画人员与业务专家交流的主要成果，也是业务专家利用动画单元库进行动画制作的重要参考文档。

4.1.2 建立设备三维模型

使用SolidWorks/CATIA/UG等CAD软件建立设备三维模型，并将其转换为符合VRML标准的WRL格式文件。凡是涉及作业指导书中要求进行观察或拆卸类动作的部件，均要以零部件方式单独建模，例如操作机构箱的左门、右门；空气管路的阀门及手柄、空气管路堵头、空压表及其指针等。

设备三维模型建成后，每个部件都是一个独立的三维模型对象，有唯一的ID编码，以便能够被动画框架准确识别调用，并响应动作指令，进而与其他动画单元的三维模型共同产生交互式三维动画。高压断路器LW13-550A三维模型如图 3所示。

4.1.3 实现动画单元

利用JS Script与VRML标准语法^[5]，加上之前建立并转换后的模型WRL文件，逐一设计与制作在完整场景下的动画单元^[6]。动画单元中的每个零部件都有唯一的ID编码、随时间变化的空间坐标序列、相应的观察视角、播放速度等完整信息。若需减小动画单元容量，可只保留关键的部件模型、操作提示与命令注释等信息，删除其他对象。

4.2 创作交互式三维动画

点击创建动画按钮，调用对应的VBA框架功能，将所涉及的动画单元模块与总体场景逐一拼接、组装，完成空间位置和时间顺序的有序融合，最终形成完整的交互式动画。交互式三维动画的制作相对比较简单，在制作过程中只需要考虑操作步骤的顺序与细致程度，挑选相应的动画单元来表现完整的作业过程即可。

4.2.1 设计动画单元顺序

首先要确定动画表现的逻辑顺序，以便选择合适的动画单元；其次，需要浏览操作动作术语与动画单元对照表，查看是否有相应的动画单元，并预览动画单元内容是否与预期结果相一致，如果不一致，则与IT动画人员进行沟通，补充或修正相应的动画单元。

4.2.2 动画单元拼接组装

按照动画逻辑选择需要的动画单元之后，按照表现意图合理调整动画片段的动作顺序，并确认动画单元的工作顺序和期望的逻辑顺序相一致。

4.2.3 调整最终动画成果

交互式三维动画制作完成后，若个别动作的先后顺序、观察角度、过渡场景和演示速度等细节不合适，可进入编辑界面进行调整，并对最终完整的动画效果进行预览和审查。

5 技术创新点 5.1 提出可重用动画单元概念

在交互式动画制作技术中，首次提出了可重用动画单元概念。这一概念与配套技术的实现，大幅降低了IT动画人员和业务专家的交流协作难度，IT动画人员不必深入学习理解复杂的电力行业知识，只需完成一个个简单的交互式三维动画单元制作即可，从而为不擅长IT技术的业务专家独立制作交互式三维动画素材扫清了主要障碍。

5.2 创新交互式三维动画制作模式

交互式动画制作技术参考了面向对象的设计理念^[7]，运用VRML技术，合理设立了动画技术与业务需求的边界。该创作模式在大规模创作交互式三维动画任务中高效地发挥了IT动画人员和业务专家的各自技能，大幅提高了工作效率和动画创作的规范性与总体质量。

6 结语

运用交互式三维动画制作技术，内蒙古超高压供电局完成了高压断路器与高压隔离开关的交互式三维检修作业指导书动画制作。可重用动画单元设计模式极大降低了三维展示制作的门槛，使得不熟悉交互式三维动画制作技术的业务人员能够快速方便地制作出直观易懂的交互式三维动画素材，大幅提高各类生产作业指导书的可读性，帮助使用者正确理解并迅速掌握作业指导书的内容。