三維動畫與實拍影像合成技術(shù)在軌道交通工程投標中的應(yīng)用

向秀華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

在軌道交通投標匯報中，方案介紹部分是評審方、業(yè)主關(guān)注的重點內(nèi)容。設(shè)計方案專業(yè)性較強，若在設(shè)計匯報展演中采用傳統(tǒng)方式，存在語言描述困難，平面媒體表達又不直觀，缺乏真實感，有相當大的局限性。隨著計算機圖像技術(shù)CG(Computer Graphics)和數(shù)字媒體的不斷發(fā)展，計算機三維動畫與實拍影像合成技術(shù)得到飛速的進步。三維動畫與實拍影像的合成具有視覺表現(xiàn)上的絕對優(yōu)勢，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，可以在項目方案優(yōu)化評測、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線一期工程前期設(shè)計總體管理投標為例，闡述運用三維動畫與實拍影像合成技術(shù)的實現(xiàn)方法。

1　項目概況

寧波軌道交通規(guī)劃一號線線路全長45.99 km，計劃分兩期實施。一期工程投標時對全線線位、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東貨站全為地下線，長15.898 km。為了更生動、真實、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)化方案時分別選取了幾個重點路段和車站，運用三維動畫與實拍影像合成技術(shù)表達項目的設(shè)計方案，讓人們感受到強烈的臨場感。三維動畫與實拍影像合成技術(shù)的實現(xiàn)分為：腳本策劃編寫、實景拍攝、攝像機運動軌跡反求、三維動畫制作和后期合成等五個部分。

2　腳本策劃編寫

腳本策劃編寫是指在制作前對整個多媒體演示程序表達手法和細節(jié)表現(xiàn)進行策劃，主要包括：整體思路、編寫分鏡頭腳本、實拍前場景中跟蹤點的設(shè)置。

本次前期設(shè)計總體管理投標多媒體演示程序采用powerpoint制作，其中方案優(yōu)化部分運用實景動畫詮釋和完美表達。

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，是前期實景拍攝和后期制作的依據(jù)。分鏡頭設(shè)置需自然、合理，簡潔明快，言簡意賅。

依據(jù)拍攝前制定的跟蹤計劃，在場景中人工設(shè)置了若干跟蹤點，便于后期攝像機運動軌跡反求軟件進行跟蹤。為了反求軟件能更精確的捕獲這些點，選擇了跟場景中環(huán)境顏色形成強烈反差的紅色做為跟蹤點的顏色。

本次投標選取了線路方案優(yōu)化中的三個路段：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、天一廣場站、曙光路站、石頭路停車場、天童莊車輛段等制作三維動畫與實拍影像合成視頻短片。針對每個路段或車站的特點，分別確定了拍攝角度與構(gòu)圖形式，每個方案的實景拍攝視頻時長控制在1 min之內(nèi)。

3　實拍素材

拍攝時使用的攝像機是Canon XLH1A專業(yè)攝像機，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，在拍攝時須記錄分鏡頭拍攝焦距的參數(shù)，供后續(xù)三維動畫制作中使用。

拍攝時需要注意的問題：①盡量防止拍攝時的輕微抖動。本次實景拍攝時為了將抖動減少到最小，在大場景拍攝中采用將攝像機放置在三腳架上錄制，并減少每個分鏡頭的長度，避免變焦拍攝。②盡量選擇光線比較穩(wěn)定的時段，同時注意避開陽光非常強烈的時候，減少畫面中出現(xiàn)過曝的地方。

如果是復雜的合成，可能要分好幾個拍攝畫面，有的可能要拍好幾個圖像層。

4　攝像機運動軌跡反求

為了使三維素材更好的融入實拍影片，需用到攝像機運動軌跡返求技術(shù)。該技術(shù)很好地解決實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動軌跡，獲得對應(yīng)該畫面實拍攝像機的運動軌跡和參數(shù)變化，用這些參數(shù)來控制3DMAX虛擬攝像機的運動，“重現(xiàn)”實景拍攝過程。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　三維動畫制作

5.1　3DMAX建模

對于車站、高架橋等對象，為達到到真實再現(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)計尺寸來搭建空間三維模型。

對于數(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，為場景的合理性再現(xiàn)做了充分的準備。

5.2　燈光材質(zhì)

采用當今主流的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自然陽光的照射和陰影效果，很符合項目對真實性的要求。根據(jù)每個具體的場景調(diào)節(jié)參數(shù)，可以控制動畫主體與環(huán)境的明暗關(guān)系對比，更好的烘托主體。

工程場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，又會帶來重復數(shù)過多，人工痕跡明顯。所以，在項目中采用了綜合貼圖的方法，將場景模型分成近遠兩大模塊，遠處的貼圖采用程序貼圖方法，近處的、用于局部特寫的場景，采用了高分辨率按真實紋理繪制的肌理貼圖，達到了較真實再現(xiàn)環(huán)境的要求。

5.3　動畫渲染

將利用跟蹤軟件捕獲的攝像機信息導入3DMAX，使虛擬攝像機跟真實攝像機的運動保持一致。根據(jù)腳本規(guī)定的鏡頭長度和構(gòu)圖要求來確定動畫的設(shè)置，精確恰當?shù)目刂苿赢嫀瑪?shù)，使動畫風格簡潔明快。最后進行渲染，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、去除跟蹤點等步驟。

色彩校正：主要調(diào)整場景中的實拍素材以及三維動畫中的主體顏色，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現(xiàn)三維素材模型的動畫主體表現(xiàn)、模型陰影、模型環(huán)繞光和景深等細節(jié)效果。通過陰影增強畫面的真實感，往往成為決定三維與實景完美融合的關(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，模擬真實陰影衰減的效果。合成中運用環(huán)繞光效果，模擬現(xiàn)實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，利用AE中的鏡頭模糊特效，模仿攝像機的景深效果，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，在后期合成時還需將跟蹤點去除。去除方法為：運用在AE中設(shè)置遮罩關(guān)鍵幀動畫的方式來去除場景中的跟蹤點。

最后，將合成后的素材添加到渲染隊列，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

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

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