三維動畫與實拍影像合成技術在軌道交通工程投標中的應用

向秀華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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、業主關注的重點內容。設計方案專業性較強，若在設計匯報展演中采用傳統方式，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CG(Computer Graphics)和數字媒體的不斷發展，計算機三維動畫與實拍影像合成技術得到飛速的進步。三維動畫與實拍影像的合成具有視覺表現上的絕對優勢，極大豐富了影視作品的創作表現手段。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應用于工程設計領域，能夠全方位、多視角直觀展示方案優化選擇的合理性，可以在項目方案優化評測、方案演示等諸多方面得到廣泛應用。本文以寧波軌道交通一號線一期工程前期設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的實現方法。

1　項目概況

寧波軌道交通規劃一號線線路全長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化建議。優化后的線路正線全長21.278 km，共設車站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、直觀地展示方案優化選擇的合理性，在介紹線路和車站優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表達項目的設計方案，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的實現分為：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表現進行策劃，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置。

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

首先，依據整體構思編寫了分鏡頭腳本，內容包括鏡頭調度、構圖形式等內容，是前期實景拍攝和后期制作的依據。分鏡頭設置需自然、合理，簡潔明快，言簡意賅。

依據拍攝前制定的跟蹤計劃，在場景中人工設置了若干跟蹤點，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化中的三個路段：線路由平地起轉為高架段、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圖形式，每個方案的實景拍攝視頻時長控制在1 min之內。

3　實拍素材

拍攝時使用的攝像機是Canon XLH1A專業攝像機，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，供后續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。該技術很好地解決實景跟三維合成的匹配問題，其原理是根據畫面中像素的明度、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，獲得對應該畫面實拍攝像機的運動軌跡和參數變化，用這些參數來控制3DMAX虛擬攝像機的運動，“重現”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，為達到到真實再現之目的，以CAD工程圖紙數據為基礎，完全依據其設計尺寸來搭建空間三維模型。

對于數量龐大的樹、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做了充分的準備。

5.2　燈光材質

采用當今主流的vray渲染器下陽光系統模擬光照效果，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。根據每個具體的場景調節參數，可以控制動畫主體與環境的明暗關系對比，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，也經不起近距離觀看，如采用程序貼圖或采用提高分段數的方法來處理，又會帶來重復數過多，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，達到了較真實再現環境的要求。

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。根據腳本規定的鏡頭長度和構圖要求來確定動畫的設置，精確恰當的控制動畫幀數，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中調節光線的色溫，能夠使CG與實拍影像更好融合，協調短片的整體色調。

提取通道與合成用于實現三維素材模型的動畫主體表現、模型陰影、模型環繞光和景深等細節效果。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。合成中運用環繞光效果，模擬現實世界中光線照射到物體的邊緣部分產生的彎曲，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depth通道中的數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中設置遮罩關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，設置壓縮格式、分辨率及幀速率等參數，渲染輸出。合成輸出的最終效果見圖1、圖2、圖3。

圖1　線路由平地起轉為高架段

圖2　后塘河沿河高架段

圖3　蘆港高架站

7　結束語

將工程項目與實景完美融合，以真實為基礎的三維動畫，能更加真實地展現工程建成后的效果。這一技術可廣泛應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，大大提高工程設計的質量和效率。

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