三維動畫技術在“水市湖城”城市景觀規劃中的應用

摘要：研究了衡水市新的“水市湖城”城市景觀規劃理念背景下，三維動畫技術的應用問題。首先描述了“水市湖城”城市景觀規劃的發展思路和三維動畫技術應用概念與領域，闡明了城市景觀規劃與三維動畫技術的關系；其次，分析了三維動畫創作實物建模造型、材質編輯、運動控制、渲染著色、合成序列的基本流程與三維動畫軟件系統，闡述了三維動畫技術造型、動畫、繪圖和著色輸出應用原理；最后，就三維動畫技術在城市景觀規劃中的應用進行了詳細論述，包括市政道路橋梁動畫、城市漫游動畫、三維建筑動畫、房產動畫、小區瀏覽動畫、樓盤漫游動畫等。并表達了三維動畫技術在城市景觀規劃中新的應用特色以及面臨的一些仍需要解決的技術困難。

關鍵詞：城市景觀；三維動畫技術；規劃

注：本文為衡水市社科聯2010年度社科立項研究課題，項目編號：201010B

近年來，三維動畫技術在諸多應用領域中都取得了非凡的成就，國內外許多視覺領域也都運用三維動畫技術和計算機軟硬件的配合制作出令人賞心悅目的視覺效果。所謂的三維動畫技術就是三維預渲染回放技術，即先進行三維預渲染，得到完整的三維動畫視頻，然后再利用播放器將三維動畫視頻播放出來，從而產生動態視覺效果。可以說，三維動畫技術是建立在軟硬件、數學、圖形學、攝影、美學等多學科基礎上不斷發展的圖形、圖像技術。隨著經濟的不斷發展和城市化進程向縱深推進，對城市景觀規劃的質量要求也在不斷地提高，而多媒體技術，特別是三維動畫技術的出現，為現代城市景觀規劃提供了一個強有力的工具和手段。下面以衡水市“水市湖城”城市景觀規劃為例，對三維動畫技術的應用進行探討。

一、“水市湖城”城市景觀規劃

衡水市位于河北省東南部，全市總計1個市轄區，2個縣級市，8個縣，總面積8815平方公里。氣候條件為溫帶季風氣候，著名景點有衡水湖、寶云塔、武強年畫博物館等。滏陽河由市西南方向蜿蜒入境，貫穿衡水全境。近年，衡水市利用河北省“三年大變樣”的契機，利用臨衡水湖和滏陽河穿城而過的優勢，精心打造“水市湖城”，提出了建設“宜居、宜業、宜游”的“水市湖城”的城市發展思路。例如，衡水市聘請“臺灣”大元建筑及設計事務所、英國偉信設計事務所等設計單位，對市內滏陽河段進行了景觀設計、橋梁設計和水道規劃等。按照規劃，將對滏陽河市區段河槽進行景觀蓄水，對沿河兩岸進行綠化美化。同時，建設文化休閑帶，并分批建設濕地公園、文化中心、歷史古韻、水文化景觀，依托滏陽河自然形成的湖泊、洼地建設臨河湖群。另外，為保證市區景觀用水，還啟動了多條引水線路，形成“眾星拱月”的湖區體系，以湖為韻，以湖為魂，城市發展空間由以市區為中心變為以衡水湖為中心，并連接衡水市區和冀州市區，打造一湖兩城新的城市格局。目前，“水市湖城”已逐漸成為衡水的城市名片。

二、城市景觀規劃與三維動畫技術

城市景觀是指城市中由街道、廣場、建筑物、園林綠化等形成的外觀及氣氛。城市景觀要素包括自然景觀要素和人工景觀要素。其中自然景觀要素主要是指自然風景，如大小山丘、古樹名木、石頭、河流、湖泊、海洋等。人工景觀要素主要有文物古跡、文化遺址、園林綠化、藝術小品、商貿集市、建構筑物、廣場等。這些景觀要素為創造高質量的城市空間環境提供了大量的素材，但是要形成獨具特色的城市景觀，必須對各種景觀要素進行系統組織，并且結合風水使其形成完整和諧的景觀體系，有序的空間形態。城市景觀規劃是指為滿足人們現實生活和精神審美的需要，對城市各項景觀要素采取保護、利用、改善、發展等措施，為城市發展提供從全局到個案，從近期到遠期的總體性政策要求。

三維動畫的藝術設計創作過程按順序大致分為五個制作單元：實物建模造型、材質編輯、運動控制、渲染著色、合成序列。即在虛擬的三維空間中創建動畫角色和景物場景的三維數據，生成實物造型，再賦予造型材質和貼圖，并通過差值計算使角色在三維空間運動起來，加進燈光、鏡頭、環境特效等，最后通過合成序列來生成完整的動畫。三維動畫制作相當復雜，越大的制作團體在進行3D制作時分工越明細，從原型創作到視頻輸出，中間大致要進行十二三道工序。

三維動畫是借助計算機生成系列靜態圖像(又稱畫面)，再將這些靜態圖像高速播放(PAL制為25幅/秒)，從而對人眼來說產生動態效果。制作這一類動畫常用的工具平臺有:3DS MAX，AUTOCAD，MAYA，SOFTIMAGE3D，LIGHTWAVE3D，RENDERMAN，ANIMATOR等。

三、三維動畫技術的應用原理

三維動畫技術原理主要包含四個部分:造型、動畫、繪圖和著色輸出。

1.造型(三維建模)就是利用三維造型軟件在電腦上繪制二維物體。在造型之前需要設計好各個三維物體的形狀以及它們在整個場景中的位置。造型分兩個步驟:首先，先要繪出基本的幾何形體，再將它們變成需要的形狀，然后通過不同的方法將它們組合在一起，從而建立復雜的形體；其次，制作完各個三維物體后，再將建立好的三維物體放置到合適的位置，最后組成一個完整的場景。

2.所謂的動畫就是使各種造型(即各個三維物體)運動起來。首先定義關鍵幀，對于這些畫面，制作人員需要在計算機上一幅一幅地繪制，這樣需要制作人員具有很強的三維繪畫水平才能夠將這些畫面設計得栩栩如生；然后為了將這些畫面按順序播放出來時，能夠連續、連貫，需要在這些畫面中間再插入一些畫面，這些畫面成為中間幀，為減輕制作人員的勞動，中間幀可以交給計算機去完成。這就使人們可做出與現實世界非常一致的動畫。

3.動畫繪圖的重點是美學和視覺效果。繪圖包括貼圖和光線控制等，目的是保證制作的動畫逼真。

4.著色輸出所指的是現在的動畫制作軟件都直接提供動畫的生成過程，即將上述的那些連續的若干畫面連接起來，形成一個類似電影一樣的東西，稱之為動畫視頻，這就是一個文件，需要的時候播放這個文件就行了。

四、三維動畫技術在城市景觀規劃中的應用與特色

1.規劃應用領域。三維動畫技術可以應用于道路、橋梁、隧道、立交橋、街景、夜景、景點、市政規劃、城市規劃、城市形象展示、數字化城市、虛擬城市、城市數字化工程、園區規劃、場館建設、機場、車站、公園、廣場、報亭、郵局、銀行、醫院、數字校園建設、學校等動畫制作。下面簡要介紹幾種三維動畫技術的應用領域呈現。

（1）市政道路橋梁動畫

城市道路、船舶、橋梁、高速公路及其附屬交通設施建設在設計施工前可以更直觀、真實地表現建成效果，應用于上層領導方案匯報，也可用于交通規劃工程項目的檢收，通過不同時間段的記錄，對整個實施的情況進行比較和評價。使用三維全景的虛擬漫游來模擬道路修建之后的效果。較二維圖像更直觀，能全面的審查和評價道路建造結果的質量、視覺效果以及與周圍環境的協調等。因此，使用三維全景用于道路設計結果的審查和評價具有非常重要的意義。將全景與交通運輸管理系統結合。可結合到城市公共交通GPS管理系統、城市公共交通安全管理系統，用于路政管理方面，進行重點部位監視，成為交通系統內部的業務流程系統。為交通運輸信息化管理建立更直觀、有效的管理模式。同樣，可以將全景與地圖結合，用于汽車實景導航系統，便于駕駛員更方便、直觀地使用導航系統。

（2）城市漫游動畫

簡單來說，“城市漫游動畫”就是將“虛擬現實”技術應用在城市規劃、建筑設計等領域。近幾年，城市漫游動畫在國內外已經得到了越來越多的應用，其前所未有的人機交互性、真實建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性，都是傳統方式所無法比擬的。在城市漫游動畫應用中，人們能夠在一個虛擬的三維環境中，用動態交互的方式對未來的建筑或城區進行身臨其境的全方位的審視：可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種運動模式，如：行走、駕駛、飛翔等，并可以自由控制瀏覽的路線。而且，在漫游過程中，還可以實現多種設計方案、多種環境效果的實時切換比較。能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗。

（3）三維建筑動畫/房產動畫/小區瀏覽動畫

也叫虛擬現實小區漫游動畫，是將整個小區環境的規劃用三維動畫和電影的制作技術共同完成的小區漫游三維動畫片，主要表現有小區建筑物的規劃如小區主體建筑、生活配套建筑、小區配套設施等，小區環境的規劃表現如人物、動物、車輛、假山、亭臺、長廊、河流、道路等，小區綠化帶的規劃如綠化帶的面積、綠化帶的位置、綠化樹種等，小區園林景觀的規劃如小區公園環境規劃、公園的設施規劃等，通過三維技術真實還原整個小區的未來景觀。

小區瀏覽動畫一般長度在5-20分鐘左右，通過漫游和互動的表現方式展示小區整體規劃設計，多用于房地產開發商對房產項目的宣傳、匯報、投標等等。

（4）樓盤漫游動畫

樓盤宣傳片設計制作是源于計算機圖形技術在建筑領域的廣泛運用，樓盤漫游動畫用藝術的形式表現房地產住宅建筑設計理念，把建筑設計師徒手勾畫出的建筑方案、立面、剖面、透視圖變成逼真的虛擬樓盤，可隨心所欲地漫游其中。完美的建筑是由室內空間設計和室外空間設計兩個部分組成，樓盤動畫主要表現室內外空間設計規劃，詮釋設計方案、提高工程投標率、提升樓盤價值。

樓盤漫游動畫一般長度在5-20分鐘左右，通過漫游和互動的表現方式展示樓盤整體規劃設計，多用于房地產開發商對房產項目的宣傳、匯報、投標等等。

2.應用特色。現階段隨著三維動畫與計算機軟硬件技術相結合的快速發展，三維動畫技術可以概括為以下幾個特點:

（1）一是適于表現真實物體的純技巧的擬人手法，從而表現出趣味性和誘惑力。

（2）二是材質更加真實生動逼真，可以構造自然界中很難創造的光線條件，任意地設計理想光源。

（3）三是更加有效地利用現有的圖像，達到編輯機、特技機所無法達到的視覺效果。

（4）四是充分與其他學科相結合，并為視覺畫面提供更加豐富的內容。

（5）五是實現真人與真景的結合，可以有效地增強動畫結構的真實感和可信感，沒有真人與真景的動畫給人留下脫離現實的虛擬印象。

總之，由于三維動畫技術在一些城市景觀規劃中的成功運用，使得一些人產生一種三維動畫已經到達完美階段的錯覺。實際上，在應用中我們所看到的特技鏡頭，是實際場景、比例實物模擬和計算機制作的動畫經過剪接編輯和特殊的圖像處理技術混合制作出來的。三維動畫的研究仍然面臨著許多需要解決的困難，其中一些困難是目前整個計算機領域所面臨的困難。如運動的真實性與運動的可控制性之間的矛盾、運動物體的行為規劃以及任務描述的抽象方法以及對環境的認知過程、運動的自適應性、自學習功能和進化功能等等。

參考文獻：

[1]學習時報地方發展調研組．“水市湖城”的戰略構想和有益探索[N]．學習時報，2009-12-07（4）．

[2]杜振光．造型藝術家3ds max[M]．兵器工業出版社，2004．

[3]劉濱誼．現代景觀規劃設計[M]．東南大學出版社，2010．

[4]高文勝．三維動畫設計基礎[M]．機械工業出版社，2010.