布清云 劉嘉儀 陶雪 馬雨初

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫(huà)；大規(guī)模天線陣列技術(shù)；MIMO 陣列；移動(dòng)通信

在信息時(shí)代，數(shù)據(jù)吞吐量爆炸式增長(zhǎng)，而在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)系統(tǒng)最前端關(guān)鍵的部分——天線，也從未停下升級(jí)的腳步。面對(duì)逐漸復(fù)雜的需求變化，大規(guī)模天線技術(shù)的可視化演示越發(fā)重要。本文旨在說(shuō)明三維動(dòng)畫(huà)對(duì)模擬大規(guī)模天線陣列的裝配演示的重要輔助作用，采用市場(chǎng)調(diào)研、數(shù)據(jù)分析、實(shí)例操作等方法進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。相較于傳統(tǒng)的平面圖紙分析，三維模擬裝配有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①能夠以更簡(jiǎn)潔、更直觀、更人性化的方式展示天

線陣列裝配的三維概念；

②擁有更逼真的模擬效果，大幅度提升裝配效率；

③預(yù)先檢測(cè)誤差，有效地降低產(chǎn)品后續(xù)裝配的成本。

一、研究背景

（一）天線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

天線技術(shù)直接影響著5G 等無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。國(guó)外對(duì)大規(guī)模天線的研究開(kāi)始較早，起步高，并且也開(kāi)發(fā)出了一系列性能較好的天線產(chǎn)品。歐洲、亞太、北美地區(qū)比較早開(kāi)發(fā)5G，基本完成了5G 網(wǎng)絡(luò)的商用；其他地區(qū)也緊隨其后地進(jìn)行5G 的發(fā)展。國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量以5G 產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)的大規(guī)模天線開(kāi)發(fā)工作和面通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)模擬演示大規(guī)模天線陣列裝配的研究向第五代通信技術(shù)的有源集成化天線陣列的研究工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)政府高度重視天線技術(shù)的研發(fā)，如今發(fā)展迅猛，取得了重大成果。特別是最近幾年，從第五代移動(dòng)通信技術(shù)在“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中得到大力推進(jìn)，再到如今天津市科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃中重點(diǎn)支持5G 等新一代通信技術(shù)攻關(guān)，第五代通信技術(shù)成為國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。而5G 的核心之一——大規(guī)模天線技術(shù)，則在更多不同領(lǐng)域的通信業(yè)務(wù)中發(fā)揮著建設(shè)性作用。近年來(lái)，我國(guó)高校的科研院所、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商和相關(guān)領(lǐng)域的核心單位都在集中精力研究大規(guī)模天線技術(shù)，在取得了很大成就的同時(shí)，也遇到了很多問(wèn)題。大規(guī)模天線陣列需要擴(kuò)展系統(tǒng)，所以天線的外觀、尺寸、重量、數(shù)量和功耗都可能成倍增長(zhǎng)（圖1）。用平面圖紙與工廠交流無(wú)法直觀立體的展示復(fù)雜的陣列關(guān)系，如果溝通不好還會(huì)增加試錯(cuò)的成本。

在此之前，受發(fā)展時(shí)間短和技術(shù)條件等多方面制約，有關(guān)大規(guī)模天線技術(shù)的動(dòng)畫(huà)展示與應(yīng)用較少，該領(lǐng)域仍存在一定的空白。

（二）動(dòng)畫(huà)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（國(guó)際、國(guó)內(nèi)）

計(jì)算機(jī)三維成像技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了三維動(dòng)畫(huà)的發(fā)展，三維動(dòng)畫(huà)的立體性、可塑性以及仿真性在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都有獨(dú)到之處，人們也越來(lái)越重視三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)的研究，三維動(dòng)畫(huà)如今已經(jīng)成為一個(gè)大規(guī)模的全球性產(chǎn)業(yè)。在設(shè)備制造和使用領(lǐng)域，與平面圖紙相比，三維動(dòng)畫(huà)的優(yōu)點(diǎn)是更加直接客觀，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式立體直白、通俗易懂，能帶給客戶最直接的感受，無(wú)論是產(chǎn)品形象還是數(shù)據(jù)反饋都較為直觀，進(jìn)程中的項(xiàng)目能夠提前讓客戶預(yù)見(jiàn)實(shí)施后的最終成果，不僅方便客戶溝通，還較大地節(jié)省了項(xiàng)目時(shí)間。

三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在國(guó)外起步早，起始和全盛時(shí)期都在國(guó)外。20 世紀(jì)70 年代末， 美國(guó)開(kāi)始探索電腦制作動(dòng)畫(huà)，起初是運(yùn)用較簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)技術(shù)。在1985 年， 微軟公司正式發(fā)布Windows 1.0， 之后將工作站上的Softimage 移植到PC 機(jī)上。1996 年4 月，3DS 的升級(jí)版本3DS MAX1.0橫空出世。下一年， 由迪士尼發(fā)行的三維動(dòng)畫(huà)片《玩具總動(dòng)員》在上映后一炮而紅，這代表三維動(dòng)畫(huà)已經(jīng)正式進(jìn)入普通人的生活。而后，迪士尼隨即推出了更多的三維動(dòng)畫(huà)， 例如《玩具總動(dòng)員2》《怪物公司》和《蟲(chóng)蟲(chóng)特工隊(duì)》這些動(dòng)畫(huà)都取得了非凡的成就。1998 年，Maya 的問(wèn)世給三維動(dòng)畫(huà)帶來(lái)了更多可能性。越來(lái)越多制作軟件的出現(xiàn)促進(jìn)了三維動(dòng)畫(huà)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和發(fā)展。建筑裝飾、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、廣告電影片、MTV、電視專欄、全數(shù)字電影制作等等，國(guó)外的三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)一直處于領(lǐng)先的地位。

我國(guó)的三維動(dòng)畫(huà)起步晚，屬于新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但隨著科技的快速發(fā)展和政府的大力支持，我國(guó)的三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。隨著制作軟件的豐富和專業(yè)學(xué)科的設(shè)立，我國(guó)三維動(dòng)畫(huà)方面的人才也大大增加。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在我國(guó)多個(gè)領(lǐng)域都有很好的表現(xiàn)，比如成都繹東道科技港珠澳大橋檢車動(dòng)畫(huà)演示、中國(guó)美術(shù)館動(dòng)畫(huà)模擬方案、大眾模擬生產(chǎn)線等等。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)帶來(lái)的影響力以及經(jīng)濟(jì)效益不斷增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)三維動(dòng)畫(huà)的發(fā)展也越來(lái)越關(guān)注，不斷引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，培養(yǎng)相關(guān)人才，三維動(dòng)畫(huà)行業(yè)正在有條不紊的發(fā)展前行中。

二、可應(yīng)用領(lǐng)域與現(xiàn)實(shí)需求

（一）對(duì)于研發(fā)團(tuán)隊(duì)

三維模擬動(dòng)畫(huà)可以清晰直觀地看到后期裝配過(guò)程中，針對(duì)不利于裝配實(shí)施的地方，簡(jiǎn)單方便地調(diào)整動(dòng)畫(huà)直到合適，然后再修改實(shí)物，不用擔(dān)心后期返工耗費(fèi)時(shí)間和成本的問(wèn)題。三維模擬動(dòng)畫(huà)相比平面的流程圖紙，產(chǎn)生更加立體直觀的效果，帶來(lái)質(zhì)量和效率的保證。

（二）對(duì)于生產(chǎn)公司

對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，大規(guī)模天線陣列的尺寸變大，裝配成本提高，一旦出錯(cuò)會(huì)有很大的損失。三維動(dòng)畫(huà)模擬演示大規(guī)模天線陣列裝配通過(guò)三維計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行預(yù)覽，可以對(duì)其有詳細(xì)、全面的了解。提前制作裝配動(dòng)畫(huà)，可以防止裝配過(guò)程中的一些失誤，對(duì)漏洞進(jìn)行提前糾正和調(diào)整，為裝配過(guò)程帶來(lái)效率和質(zhì)量保證。裝配動(dòng)畫(huà)也可以提前給裝配人員進(jìn)行培訓(xùn)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)的講解，更加清晰直觀地了解裝配的技術(shù)。

（三）對(duì)于用戶

用戶在購(gòu)買和使用一項(xiàng)產(chǎn)品或引進(jìn)一種新技術(shù)前，首先會(huì)去了解其基本信息和工作原理，而尖端技術(shù)往往晦澀難懂，難以解釋。在本研究小組2022 年7 月開(kāi)展的一項(xiàng)調(diào)研的結(jié)果顯示，超過(guò)九成的人對(duì)大規(guī)模天線陣列技術(shù)知之甚少。動(dòng)畫(huà)模擬能在很大程度上解決向用戶展示技術(shù)機(jī)制的困難。此外，調(diào)查結(jié)果還顯示：83.18%的受訪者更希望通過(guò)動(dòng)畫(huà)來(lái)了解一項(xiàng)未知技術(shù)（圖2）。并且如果在科技館里看到有關(guān)動(dòng)畫(huà)演示的內(nèi)容，超過(guò)97% 的人愿意駐足觀看，這說(shuō)明在眾多展示形式中，人們更傾向于選擇觀看動(dòng)畫(huà)演示。

三、技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)實(shí)意義

（一）技術(shù)的設(shè)計(jì)內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)

以三維動(dòng)畫(huà)獨(dú)有的展示形式來(lái)解釋大規(guī)模天線陣列技術(shù)設(shè)備的裝配方式，通過(guò)數(shù)字媒體技術(shù)將裝配過(guò)程以多角度、視頻化的形式，更清晰直觀地展示給技術(shù)人員，進(jìn)而解決目前大規(guī)模天線陣列裝置技術(shù)要求高、講解難度大等問(wèn)題。一方面提高裝配效率，縮短建設(shè)工期；另一方面也為之后更多的設(shè)備制造與安裝參考提供了可行思路。

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三維動(dòng)畫(huà)軟件相較于工業(yè)軟件有更豐富的材質(zhì)和燈光，能夠達(dá)到更逼真的視覺(jué)效果。同時(shí)，粒子特效和數(shù)字合成等CG 技術(shù)的綜合應(yīng)用，大大加強(qiáng)了畫(huà)面的真實(shí)感，其視覺(jué)沖擊力也遠(yuǎn)超工業(yè)軟件。

此外，三維動(dòng)畫(huà)制作與使用能夠突破時(shí)間和空間的限制，受外界環(huán)境影響更小，特別是針對(duì)一些拍攝難度大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)拍的場(chǎng)景，可以通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)制作虛擬場(chǎng)景，進(jìn)而模擬現(xiàn)實(shí)中難以展示的畫(huà)面。

（三）動(dòng)畫(huà)模擬天線裝配的現(xiàn)實(shí)意義

在大規(guī)模天線陣列裝配中，三維動(dòng)畫(huà)模擬有其顯著的作用和優(yōu)勢(shì)。其“成本低”這一點(diǎn)就占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，天線作為高精尖設(shè)備，因其專業(yè)性和結(jié)構(gòu)的煩瑣復(fù)雜，本就價(jià)格高昂。而三維動(dòng)畫(huà)因使用電腦操作，則很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，并在節(jié)省經(jīng)費(fèi)的基礎(chǔ)之上有效提高模擬效果的精度和質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到更優(yōu)質(zhì)的效果。

三維動(dòng)畫(huà)不僅可以從不同角度更加立體地展示天線陣列的完整效果，其對(duì)于天線裝配不同環(huán)節(jié)與不同步驟的動(dòng)態(tài)展示也是一大特色。這就能使技術(shù)人員提前看到最終成果和安裝的全部流程，便于對(duì)安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前做出判斷。

此外，天線設(shè)備大都精密細(xì)致，各種線路的規(guī)模龐大復(fù)雜，三維動(dòng)畫(huà)突破了平面圖紙的限制，不只是在視覺(jué)上放大或縮小，在模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)也表現(xiàn)得更加清楚全面，讓“死”設(shè)備“活”起來(lái)。

三維動(dòng)畫(huà)發(fā)展至今，其操作的靈活度與上手難度已經(jīng)得到極大改善。不僅方便，三維動(dòng)畫(huà)利用切刀、倒角、布爾運(yùn)算等操作可以將模型制作成任何人們想要的形狀。這里要提到“共形設(shè)計(jì)”，“共形”在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等設(shè)備上使用較多，因?yàn)榭紤]到空氣動(dòng)力學(xué)，這類設(shè)備很難在外觀上做出大的改變，所以要求天線在外觀上向它們共形，而制作一個(gè)新的模型對(duì)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)講并不是什么難事。

大規(guī)模天線陣列用于通信基站時(shí)信號(hào)要覆蓋整個(gè)城市范圍，如果有哪里沒(méi)有覆蓋，手機(jī)等通信設(shè)備就無(wú)法使用。三維動(dòng)畫(huà)可以模擬展示裝配后基站輻射的方向范圍，直觀地展示所覆蓋的面積。

四、研究局限與展望

由于以往的天線主要依靠平面圖紙進(jìn)行展示和安裝，缺少現(xiàn)有的3D 模型庫(kù)，且不同天線的結(jié)構(gòu)差異較大，動(dòng)畫(huà)模擬前期在模型制作上需要較大投入；另外，三維動(dòng)畫(huà)模擬技術(shù)在大規(guī)模天線陣列裝配的領(lǐng)域存在一定空白，且學(xué)科跨度較大，可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少，需要投入較多的精力在前期探索研究。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際需求修改部分外觀、線路以及安裝思路，即可制作出裝配施工流程演示視頻，從而大幅度提高效率和降低制作成本。

三維動(dòng)畫(huà)演示也可以放置到科技館等場(chǎng)所展示，讓大眾也了解到天線技術(shù)，可以科普知識(shí)。動(dòng)畫(huà)生動(dòng)的表現(xiàn)手法、交互功能也更能提起大眾對(duì)天線技術(shù)的興趣，讓更多的青少年也了解到天線技術(shù)，未來(lái)會(huì)有更多的人參與到這門技術(shù)的研究中來(lái)。

五、結(jié)束語(yǔ)

三維動(dòng)畫(huà)模擬演示裝配過(guò)程對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)裝配有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值，符合天津等多地科技創(chuàng)新“十四五”規(guī)劃中重點(diǎn)支持5G 等新一代通信技術(shù)的要求，對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

大規(guī)模天線陣列裝配技術(shù)在模擬實(shí)體展示方面有所欠缺，需要通過(guò)更全面的方式補(bǔ)充模擬裝配這一環(huán)節(jié)。三維動(dòng)畫(huà)模擬演示所帶來(lái)的便捷對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)、生產(chǎn)公司都有很大的益處和幫助，特別是三維動(dòng)畫(huà)的視覺(jué)效果也讓用戶樂(lè)于了解大規(guī)模天線技術(shù)。因此，三維動(dòng)畫(huà)模擬裝配能夠在一定程度上滿足當(dāng)前技術(shù)研發(fā)和科普教育的現(xiàn)實(shí)需求。三維動(dòng)畫(huà)所具有的立體性、可塑性以及仿真性對(duì)于模擬大規(guī)模天線陣列裝配這種極其復(fù)雜的技術(shù)有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，在降低成本和提高效率等方面有著重要意義。