基于實時渲染技術的飛機涂裝動畫展示

羅嘯宇

（上海飛機客戶服務有限公司工業設計所，上海 200241）

基于實時渲染技術的飛機涂裝動畫展示

羅嘯宇

（上海飛機客戶服務有限公司工業設計所，上海 200241）

本文通過研究3D實時渲染技術的特點，創造了飛機涂裝展示動畫的制作方法，提出了針對Lumion軟件的工作流程，并介紹了制作方法。新方法極大地提高了3D動畫制作的效率，節省了大量的時間。

實時渲染；飛機涂裝；Lumion；3D動畫

0.引言

隨著數字化技術不斷發展和進步，3D動畫以它獨特的優勢越來越受到關注。產品以3D動畫形式展示比靜態圖片展示更加直觀、生動。但傳統3D動畫的制作需要投入大量的人力物力和時間，還需要頂級的計算機集群進行渲染計算。但當GPU的概念出現至今，其圖形運算速度已經是CPU的幾十倍甚至幾百倍，基于GPU技術的3D實時渲染技術經過近10年來的井噴式發展，越來越多地應用于飛機設計、航空模擬訓練設備、飛機工業設計等領域。

本文以3D實時渲染在飛機外表涂裝設計的應用作為出發點，介紹了實時渲染的基本工作步驟、常用的實時渲染軟件的使用領域和特點。并結合展示飛機外表涂裝的特殊要求，確定了針對Lumion軟件的工作流程。通過實際項目應用，詳細介紹了通過3D實時渲染技術制作飛機外表涂裝展示動畫的方法。

1. 3D實時渲染

1.13D實時渲染定義

3D實時渲染又可以稱作實時繪制，是指系統在一個確定的時間內完成場景中各個物體的位置和姿態的計算與圖像的繪制，并隨著用戶視點改變快速刷新畫面，其刷新的速度要求達到人眼覺察不到閃爍（畫面更新速度至少應達到24fps）；同時要求系統對用戶的外部輸入立即做出響應，并同步更新相應的場景及事件，實現用戶與系統的實時交互。

1.23D實時渲染的特點

（1）渲染速度快

傳統意義上，如果要將渲染過程稱作3D實時渲染，那么渲染畫面的速度起碼要超過6幀每秒。大多數視頻游戲中，渲染速度要求保持在30幀每秒以上。

（2）渲染質量好

渲染質量是衡量圖形應用系統的一個重要指標。渲染質量可以由很多方面來衡量。如畫面質量，分辨率大小等。

3D實時渲染技術就是為了使應用系統能夠達到這兩個特點而提出來的。

1.3基于3D實時渲染的飛機涂裝設計工作內容

在圖形顯示引擎基礎上進行開發的3D實時渲染技術，可以提供真實效果的3D虛擬飛機涂裝產品和效果配置功能。對3D虛擬飛機涂裝產品的光照、融合、霧化、紋理以及豐富材質具有高品質的渲染效果。通過具有支持實時的，真實效果的高品質渲染模塊，可以生成出用于廣告宣傳、產品演示、電子樣機評審的極具真實感的效果圖和展示動畫。可提供GIF、TIFF、JPEG等圖像文件格式的輸入輸出接口以及MP4等視頻文件格式的輸出接口。

2. 3D實時渲染軟件

2.1常用實時渲染軟件

常用的3D實時渲染軟件有Lumion、Patchwork3D、KeyShot和Vray-RT，它們根據使用領域的不同各有側重。

（1）Lumion

由ACT-3D公司出品，具有導入3DsMax內容和完備的材質編輯功能；真實地環境光照和氣候系統；內置的視頻編輯器。適合快速地制作帶有氣候的室外動畫場景和建筑景觀演示動畫。

（2）Patchwork3D

由Lumiscaphe公司出品，具有導入Catia、Cad等工業模型和逼真的材質編輯功能；真實地全局光照和點光源系統；具有同屏方案對比功能。適合工業產品配色和紋樣設計；產品演示動畫；實時方案對比等。

（3）KeyShot

由Luxion公司出品，相對前兩款軟件而言，最大的不同在于其自身沒有集成渲染引擎，而是通過CPU或GPU執行光線追蹤計算，來達到靜幀狀態的實時渲染，每當畫面有變動時就必須重新計算。主要用于工業設計。

（4）Vray-RT

由Chaosgroup公司出品，性能與KeyShot相似，主要應用于室內設計，建筑設計。

Lumion因其具有真實地環境光照、氣候系統和內置的視頻編輯器，所以更適合制作飛機外表涂裝展示動畫。

2.2Lumion軟件介紹

Lumion于2010年11月發布至今僅4年，便大量應用于景觀環境設計和建筑設計行業，它的出現極大地提高了設計可視化的效率，甚至革新了設計流程。設計師不必花大量的時間和金錢去制作效果圖和動畫，而是將這些工作流程簡化并結合在了一起，使設計師能更專注于設計本身。

（1）主要功能模塊

Lumion具有以下6個主要模塊：氣候編輯、場景編輯、導入導出自定義模型、材質編輯、動畫編輯以及內置模型庫。

（2）硬件要求

Lumion對硬件的需求并不高，最新4.0版本僅需64位Windows7或Windows8操作系統，4核Xeon CPU，16GB內存，QuadroK4000顯卡級別的圖形工作站就可流暢運行。

3. 基于Lumion軟件的飛機外表涂裝設計實時渲染工作流程

基于Lumion軟件的特性和操作方法，飛機外表涂裝的工作流程如圖1所示，具體步驟如下。

（1）涂裝貼圖制作

首先將涂裝設計方案制作成.jepg格式的貼圖文件。

（2）3D模型建模與優化

由于Lumion沒有模型建立功能，并且只能讀取幾何多邊形模型，因此需通過建模軟件如Catia、Rhinoceros、Alias、3DsMax等等建立3D模型并轉為幾何多邊形格式。所建立的模型幾何多邊形越多，模型就越精細，那么對計算機的硬件要求也越高，可能導致最終渲染不流暢。因此優化模型幾何多邊形數量就尤為重要，維護好模型精度和GPU之間的平衡，以較小的硬件代價實現較高的畫面質量。

（3）新建場景與模型導入

為了創造一種身臨其境的感覺，建立效果真實的場景異常重要。Lumion預設9種不同的場景以滿足不同的需求。在新建場景中將外部3D模型導入，調整好3D模型與場景的比例、位置關系，保證整體環境的真實感。

（4）場景光照設置

光影效果是直接決定場景是否真實的重要因素。對于室外場景而言，場景的全局光源設置是基礎。Lumion擁有強大的虛擬陽光系統，它可以真實地表現場景在白天、黃昏或者夜晚的光影效果。而對于室內場景，除了全局光源外Lumion也具有完善的局部的點光源系統，可以表現如臺燈、吊燈、射燈等光影效果，能帶來更真實的效果。

（5）材質編輯

材質是表現3D模型真實感的重要因素，Lumion具有完備的材質編輯功能，通過編輯材質的顏色、反射率、光滑度等，來營造真實的3D模型。

（6）動畫制作

通過Lumion的動畫編輯功能，不用設置繁瑣的關鍵幀。就可以簡單并且直觀的設置定點攝像機鏡頭，實時預覽生成的動畫。

（7）添加動畫特效

Lumion具有強大的視頻特效編輯功能，可以添加太陽特效、體積云特效、鏡頭光暈特效等等，還可以添加片頭片尾的文字特效，并且具有非常豐富的濾鏡效果。

（8）影片輸出

Lumion可以輸出多種分辨率的MP4文件和序列圖片。并且支持3D影片的輸出。

4. 某型飛機外表涂裝實時渲染示例

針對國產某大型客機外表涂裝的實時渲染設計展開了應用。具體過程如下。

4.1模型格式轉換與優化

（1）在3DsMax內，導入某型飛機氣動數模文件并轉化為可編輯多邊形。進行優化多邊形數量時，面閾值設置為4或更高，勾選自動邊線，并注意不要產生破面。

（2）使用UVW貼圖編輯器，調整機體各部件的貼圖位置與大小。

4.2場景建立與模型導入

（1）在新建場景菜單下選擇White場景，設置云量為0。

（2）打開模型導入編輯器，導入某型飛機.max文件，調整模型高度至500以上，因為之后使用的體積云特效最小產生高度為100，若模型高度低于500，飛機將會被體積云所覆蓋。

4.3材質編輯

（1）進入編輯材質模式中加載3DsMax模型貼圖

（2）調整機身、大翼、垂尾等漆面部件材質。設置反射率為0.2、反射衰減為1、光澤度1、菲涅耳衰減為1.2、邊緣衰減為5。調整駕駛艙玻璃和舷窗玻璃材質。設置反射率為0.1、反射衰減為1、光澤度0.3、菲涅耳衰減為0.7、邊緣衰減為0。調整發動機開口邊緣、渦扇、發動機尾椎等金屬部件材質。設置反射率為0.1、反射衰減為0.6、光澤度0.012、菲涅耳衰減為2.1、邊緣衰減為0。

（3）將所有材質設置完畢后，保存某型飛機.mtt材質包。

4.4動畫錄制

（1）進入動畫編輯模式，新建自定義錄制視頻，調整攝像機焦距為24mm。

（2）在lumion中，制作動畫需要由多個不同角度的定點攝像機位置路徑生成的。因此根據需要的角度設置定點攝像機，完成后預覽動畫并調整定點攝像機位置。

4.5添加動畫特效

（1）添加太陽特效，此特能精確調整太陽在場景中的方位、角度和亮度，為保證在動畫中能看到太陽，增加真實感。調整太陽高度為0.27；調整Y軸位置為0.26。

（2）添加體積云特效，此特效能真實的表現飛機在云層上空飛行的效果。云層數量參數越大云層越厚重，因此設置數量為0.4～0.6為宜；云層高度設置為250；云層柔化設置為1。

（3）添加霧氣特效，此特效能表現遠景的云霧效果。霧氣密度設置為1.7；霧氣衰減設置為0.4；霧氣亮度這是為1。

（4）鏡頭光暈特效，此特效能真實地表現陽光照射在攝像機鏡頭上產生的光暈。鑒于可調整的選項較多，因此主要調整幾個關鍵選項即可，光斑強度設置為1；光斑衰減設置為1.8；泛光強度設置為0.5；光環強度設置為0.01；鏡頭污跡強度設置為1。

（5）添加體積云特效，此特效能真實的表現飛機在云層上空飛行的效果。云層數量參數越大云層越厚重，因此設置數量為0.4～0.6為宜；云層高度設置為250；云層柔化設置為1。

（6）添加云彩特效，此特效主要調整天空背景的亮度和高空薄云的數量和形狀。高空云設置為0.3；云彩亮度設置為0.1；天空亮度設置為0.6。

（7）漸入/漸出特效，此特效能為動畫片頭和片尾生成黑色或白色的漸入/漸出畫面效果，漸入/漸出持續時間可根據影片需要調整，這里設置參數均為1s。

4.6導出動畫影片

（1）選擇保存動畫，設置FPS為60，每秒幀數越高畫面越流暢，但相應渲染時間越久，最高可以設置為200。

（2）設置畫質為產品級。畫質分為3級，草圖級不渲染全局光，云彩和體積云等特效；一般品質級不渲染云彩、體積云等特效；產品級為全特效16倍抗鋸齒渲染，畫面品質越高渲染的時間越久。

（3）設置影片分辨率為1080P。lumion提供360P、720P、1080P、1440P 4個級別的分辨率，分辨率越高渲染的時間越久。

（4）渲染影片，影片大致為1分鐘，需要兩個小時渲染，而傳統動畫渲染則需要20個小時以上。

結論

本文研究基于3D實時渲染技術在飛機涂裝設計領域的應用，創新了飛機涂裝展示動畫的制作方法。針對基于3D實時渲染技術的Lumion軟件，提出工作流程。通過應用于飛機涂裝動畫展示項目，介紹使用方法，并分析參數設置，得出影響效果的關鍵參數設置。為飛機涂裝設計展示提供高效快捷的方法。

［1］毛華慶.基于GPU優化的三維實時渲染技術的研究［D］.武漢大學，2010.

［2］張宇.實時渲染中環境映射技術的研究與應用［D］.電子科技大學，2012.

［3］周文明.基于3DSMAX、VRAY軟件的電影級三維動畫場景創作［D］.山東大學，2012.

［4］張毓茜.真實感三維場景中實時渲染特效的研究與實現［D］.電子科技大學，2012.

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