三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成技術(shù)在軌道交通工程投標(biāo)中的應(yīng)用

向秀華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

在軌道交通投標(biāo)匯報(bào)中，方案介紹部分是評(píng)審方、業(yè)主關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。設(shè)計(jì)方案專業(yè)性較強(qiáng)，若在設(shè)計(jì)匯報(bào)展演中采用傳統(tǒng)方式，存在語言描述困難，平面媒體表達(dá)又不直觀，缺乏真實(shí)感，有相當(dāng)大的局限性。隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)CG(Computer Graphics)和數(shù)字媒體的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成技術(shù)得到飛速的進(jìn)步。三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像的合成具有視覺表現(xiàn)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，極大豐富了影視作品的創(chuàng)作表現(xiàn)手段。將這一在電影制作上日益普遍，尤以特效片最常使用的技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，能夠全方位、多視角直觀展示方案優(yōu)化選擇的合理性，可以在項(xiàng)目方案優(yōu)化評(píng)測(cè)、方案演示等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。本文以寧波軌道交通一號(hào)線一期工程前期設(shè)計(jì)總體管理投標(biāo)為例，闡述運(yùn)用三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

1　項(xiàng)目概況

寧波軌道交通規(guī)劃一號(hào)線線路全長(zhǎng)45.99 km，計(jì)劃分兩期實(shí)施。一期工程投標(biāo)時(shí)對(duì)全線線位、站位提出了一系列優(yōu)化建議。優(yōu)化后的線路正線全長(zhǎng)21.278 km，共設(shè)車站18座，其中高架站4座，地下站14座。線路由望春路站直至一期工程終點(diǎn)東貨站全為地下線，長(zhǎng)15.898 km。為了更生動(dòng)、真實(shí)、直觀地展示方案優(yōu)化選擇的合理性，在介紹線路和車站優(yōu)化方案時(shí)分別選取了幾個(gè)重點(diǎn)路段和車站，運(yùn)用三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成技術(shù)表達(dá)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，讓人們感受到強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感。三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為：腳本策劃編寫、實(shí)景拍攝、攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡反求、三維動(dòng)畫制作和后期合成等五個(gè)部分。

2　腳本策劃編寫

腳本策劃編寫是指在制作前對(duì)整個(gè)多媒體演示程序表達(dá)手法和細(xì)節(jié)表現(xiàn)進(jìn)行策劃，主要包括：整體思路、編寫分鏡頭腳本、實(shí)拍前場(chǎng)景中跟蹤點(diǎn)的設(shè)置。

本次前期設(shè)計(jì)總體管理投標(biāo)多媒體演示程序采用powerpoint制作，其中方案優(yōu)化部分運(yùn)用實(shí)景動(dòng)畫詮釋和完美表達(dá)。

首先，依據(jù)整體構(gòu)思編寫了分鏡頭腳本，內(nèi)容包括鏡頭調(diào)度、構(gòu)圖形式等內(nèi)容，是前期實(shí)景拍攝和后期制作的依據(jù)。分鏡頭設(shè)置需自然、合理，簡(jiǎn)潔明快，言簡(jiǎn)意賅。

依據(jù)拍攝前制定的跟蹤計(jì)劃，在場(chǎng)景中人工設(shè)置了若干跟蹤點(diǎn)，便于后期攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡反求軟件進(jìn)行跟蹤。為了反求軟件能更精確的捕獲這些點(diǎn)，選擇了跟場(chǎng)景中環(huán)境顏色形成強(qiáng)烈反差的紅色做為跟蹤點(diǎn)的顏色。

本次投標(biāo)選取了線路方案優(yōu)化中的三個(gè)路段：線路由平地起轉(zhuǎn)為高架段、后塘河沿河高架段、望春路高架入地段，以及車站方案優(yōu)化的蘆港高架站、市府換乘站、天一廣場(chǎng)站、曙光路站、石頭路停車場(chǎng)、天童莊車輛段等制作三維動(dòng)畫與實(shí)拍影像合成視頻短片。針對(duì)每個(gè)路段或車站的特點(diǎn)，分別確定了拍攝角度與構(gòu)圖形式，每個(gè)方案的實(shí)景拍攝視頻時(shí)長(zhǎng)控制在1 min之內(nèi)。

3　實(shí)拍素材

拍攝時(shí)使用的攝像機(jī)是Canon XLH1A專業(yè)攝像機(jī)，使用它可以得到清晰和精確的素材畫面，拍攝采用的鏡頭為20倍高清鏡頭。視頻的壓縮格式為mov。此外，在拍攝時(shí)須記錄分鏡頭拍攝焦距的參數(shù)，供后續(xù)三維動(dòng)畫制作中使用。

拍攝時(shí)需要注意的問題：①盡量防止拍攝時(shí)的輕微抖動(dòng)。本次實(shí)景拍攝時(shí)為了將抖動(dòng)減少到最小，在大場(chǎng)景拍攝中采用將攝像機(jī)放置在三腳架上錄制，并減少每個(gè)分鏡頭的長(zhǎng)度，避免變焦拍攝。②盡量選擇光線比較穩(wěn)定的時(shí)段，同時(shí)注意避開陽光非常強(qiáng)烈的時(shí)候，減少畫面中出現(xiàn)過曝的地方。

如果是復(fù)雜的合成，可能要分好幾個(gè)拍攝畫面，有的可能要拍好幾個(gè)圖像層。

4　攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡反求

為了使三維素材更好的融入實(shí)拍影片，需用到攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡返求技術(shù)。該技術(shù)很好地解決實(shí)景跟三維合成的匹配問題，其原理是根據(jù)畫面中像素的明度、飽和度、色相三大要素篩選出畫面中具有特征的像素，并蹤蹤這類像素的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得對(duì)應(yīng)該畫面實(shí)拍攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和參數(shù)變化，用這些參數(shù)來控制3DMAX虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，“重現(xiàn)”實(shí)景拍攝過程。選擇的跟蹤軟件為Autodesk Matchmover。在引入前，要把mov格式的視頻文件渲染成PNG格式的圖片序列幀(Matchmover只支持序列幀格式)。將素材導(dǎo)入后期處理軟件After Effects，設(shè)置圖片尺寸為1 440×1 080，幀速率為24，輸出格式為PNG序列幀，渲染輸出。

5　三維動(dòng)畫制作

5.1　3DMAX建模

對(duì)于車站、高架橋等對(duì)象，為達(dá)到到真實(shí)再現(xiàn)之目的，以CAD工程圖紙數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，完全依據(jù)其設(shè)計(jì)尺寸來搭建空間三維模型。

對(duì)于數(shù)量龐大的樹、建筑等參照元素，采用了froset pro、multscatter、greeble等插件，利用其程序化功能，完成樹群擺放、建筑群生成，為場(chǎng)景的合理性再現(xiàn)做了充分的準(zhǔn)備。

5.2　燈光材質(zhì)

采用當(dāng)今主流的vray渲染器下陽光系統(tǒng)模擬光照效果，vray的太陽光能夠在全局光照的條件下模擬真實(shí)自然陽光的照射和陰影效果，很符合項(xiàng)目對(duì)真實(shí)性的要求。根據(jù)每個(gè)具體的場(chǎng)景調(diào)節(jié)參數(shù)，可以控制動(dòng)畫主體與環(huán)境的明暗關(guān)系對(duì)比，更好的烘托主體。

工程場(chǎng)景往往尺度體量巨大，即使采用中高分辨率貼圖，也經(jīng)不起近距離觀看，如采用程序貼圖或采用提高分段數(shù)的方法來處理，又會(huì)帶來重復(fù)數(shù)過多，人工痕跡明顯。所以，在項(xiàng)目中采用了綜合貼圖的方法，將場(chǎng)景模型分成近遠(yuǎn)兩大模塊，遠(yuǎn)處的貼圖采用程序貼圖方法，近處的、用于局部特寫的場(chǎng)景，采用了高分辨率按真實(shí)紋理繪制的肌理貼圖，達(dá)到了較真實(shí)再現(xiàn)環(huán)境的要求。

5.3　動(dòng)畫渲染

將利用跟蹤軟件捕獲的攝像機(jī)信息導(dǎo)入3DMAX，使虛擬攝像機(jī)跟真實(shí)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)保持一致。根據(jù)腳本規(guī)定的鏡頭長(zhǎng)度和構(gòu)圖要求來確定動(dòng)畫的設(shè)置，精確恰當(dāng)?shù)目刂苿?dòng)畫幀數(shù)，使動(dòng)畫風(fēng)格簡(jiǎn)潔明快。最后進(jìn)行渲染，生成為rpf格式，并開啟景深通道，

6　后期合成

后期合成主要分為色彩校正、提取通道合成、去除跟蹤點(diǎn)等步驟。

色彩校正：主要調(diào)整場(chǎng)景中的實(shí)拍素材以及三維動(dòng)畫中的主體顏色，通過在AE中調(diào)節(jié)光線的色溫，能夠使CG與實(shí)拍影像更好融合，協(xié)調(diào)短片的整體色調(diào)。

提取通道與合成用于實(shí)現(xiàn)三維素材模型的動(dòng)畫主體表現(xiàn)、模型陰影、模型環(huán)繞光和景深等細(xì)節(jié)效果。通過陰影增強(qiáng)畫面的真實(shí)感，往往成為決定三維與實(shí)景完美融合的關(guān)鍵因素。在AE中通過Alpha通道提取3DMAX圖層，通過色階等濾鏡的使用，模擬真實(shí)陰影衰減的效果。合成中運(yùn)用環(huán)繞光效果，模擬現(xiàn)實(shí)世界中光線照射到物體的邊緣部分產(chǎn)生的彎曲，讓前景與背京更好融合。在制作時(shí)，利用AE中的鏡頭模糊特效，模仿攝像機(jī)的景深效果，根據(jù)depth通道中的數(shù)值來精確定義鏡頭的模糊焦距，從而獲得更真實(shí)的鏡頭模糊效果。

為了使最終影片的整體效果更好，在后期合成時(shí)還需將跟蹤點(diǎn)去除。去除方法為：運(yùn)用在AE中設(shè)置遮罩關(guān)鍵幀動(dòng)畫的方式來去除場(chǎng)景中的跟蹤點(diǎn)。

最后，將合成后的素材添加到渲染隊(duì)列，設(shè)置壓縮格式、分辨率及幀速率等參數(shù)，渲染輸出。合成輸出的最終效果見圖1、圖2、圖3。

圖1　線路由平地起轉(zhuǎn)為高架段

圖2　后塘河沿河高架段

圖3　蘆港高架站

7　結(jié)束語

將工程項(xiàng)目與實(shí)景完美融合，以真實(shí)為基礎(chǔ)的三維動(dòng)畫，能更加真實(shí)地展現(xiàn)工程建成后的效果。這一技術(shù)可廣泛應(yīng)用在工程項(xiàng)目前期投標(biāo)、方案評(píng)審、方案演示等諸多方面，為決策者提供更科學(xué)的分析和評(píng)判依據(jù)，大大提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

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