基于實時渲染技術(shù)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(yè)設計所，上海 200241）

基于實時渲染技術(shù)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(yè)設計所，上海 200241）

本文通過研究3D實時渲染技術(shù)的特點，創(chuàng)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(jié)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(shù)字化技術(shù)不斷發(fā)展和進步，3D動畫以它獨特的優(yōu)勢越來越受到關注。產(chǎn)品以3D動畫形式展示比靜態(tài)圖片展示更加直觀、生動。但傳統(tǒng)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(xiàn)至今，其圖形運算速度已經(jīng)是CPU的幾十倍甚至幾百倍，基于GPU技術(shù)的3D實時渲染技術(shù)經(jīng)過近10年來的井噴式發(fā)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(yè)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(fā)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(jié)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(shù)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(tǒng)在一個確定的時間內(nèi)完成場景中各個物體的位置和姿態(tài)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(tǒng)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(xiàn)用戶與系統(tǒng)的實時交互。

1.23D實時渲染的特點

（1）渲染速度快

傳統(tǒng)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(shù)視頻游戲中，渲染速度要求保持在30幀每秒以上。

（2）渲染質(zhì)量好

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

3D實時渲染技術(shù)就是為了使應用系統(tǒng)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(nèi)容

在圖形顯示引擎基礎上進行開發(fā)的3D實時渲染技術(shù)，可以提供真實效果的3D虛擬飛機涂裝產(chǎn)品和效果配置功能。對3D虛擬飛機涂裝產(chǎn)品的光照、融合、霧化、紋理以及豐富材質(zhì)具有高品質(zhì)的渲染效果。通過具有支持實時的，真實效果的高品質(zhì)渲染模塊，可以生成出用于廣告宣傳、產(chǎn)品演示、電子樣機評審的極具真實感的效果圖和展示動畫?？商峁〨IF、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(jù)使用領域的不同各有側(cè)重。

（1）Lumion

由ACT-3D公司出品，具有導入3DsMax內(nèi)容和完備的材質(zhì)編輯功能；真實地環(huán)境光照和氣候系統(tǒng)；內(nèi)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(yè)模型和逼真的材質(zhì)編輯功能；真實地全局光照和點光源系統(tǒng)；具有同屏方案對比功能。適合工業(yè)產(chǎn)品配色和紋樣設計；產(chǎn)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(zhí)行光線追蹤計算，來達到靜幀狀態(tài)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(yè)設計。

（4）Vray-RT

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

Lumion因其具有真實地環(huán)境光照、氣候系統(tǒng)和內(nèi)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(fā)布至今僅4年，便大量應用于景觀環(huán)境設計和建筑設計行業(yè)，它的出現(xiàn)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(jié)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(zhì)編輯、動畫編輯以及內(nèi)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(tǒng)，4核Xeon CPU，16GB內(nèi)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(yōu)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(zhuǎn)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(yōu)化模型幾何多邊形數(shù)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(xiàn)較高的畫面質(zhì)量。

（3）新建場景與模型導入

為了創(chuàng)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(diào)整好3D模型與場景的比例、位置關系，保證整體環(huán)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(tǒng)，它可以真實地表現(xiàn)場景在白天、黃昏或者夜晚的光影效果。而對于室內(nèi)場景，除了全局光源外Lumion也具有完善的局部的點光源系統(tǒng)，可以表現(xiàn)如臺燈、吊燈、射燈等光影效果，能帶來更真實的效果。

（5）材質(zhì)編輯

材質(zhì)是表現(xiàn)3D模型真實感的重要因素，Lumion具有完備的材質(zhì)編輯功能，通過編輯材質(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)換與優(yōu)化

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

（2）使用UVW貼圖編輯器，調(diào)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(diào)整模型高度至500以上，因為之后使用的體積云特效最小產(chǎn)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(zhì)編輯

（1）進入編輯材質(zhì)模式中加載3DsMax模型貼圖

（2）調(diào)整機身、大翼、垂尾等漆面部件材質(zhì)。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(diào)整駕駛艙玻璃和舷窗玻璃材質(zhì)。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(diào)整發(fā)動機開口邊緣、渦扇、發(fā)動機尾椎等金屬部件材質(zhì)。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(zhì)設置完畢后，保存某型飛機.mtt材質(zhì)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(diào)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(jù)需要的角度設置定點攝像機，完成后預覽動畫并調(diào)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(diào)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(diào)整太陽高度為0.27；調(diào)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(xiàn)飛機在云層上空飛行的效果。云層數(shù)量參數(shù)越大云層越厚重，因此設置數(shù)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(xiàn)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(xiàn)陽光照射在攝像機鏡頭上產(chǎn)生的光暈。鑒于可調(diào)整的選項較多，因此主要調(diào)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(huán)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(xiàn)飛機在云層上空飛行的效果。云層數(shù)量參數(shù)越大云層越厚重，因此設置數(shù)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(diào)整天空背景的亮度和高空薄云的數(shù)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(xù)時間可根據(jù)影片需要調(diào)整，這里設置參數(shù)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(shù)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(zhì)為產(chǎn)品級。畫質(zhì)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(zhì)級不渲染云彩、體積云等特效；產(chǎn)品級為全特效16倍抗鋸齒渲染，畫面品質(zhì)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(tǒng)動畫渲染則需要20個小時以上。

結(jié)論

本文研究基于3D實時渲染技術(shù)在飛機涂裝設計領域的應用，創(chuàng)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(shù)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(shù)設置，得出影響效果的關鍵參數(shù)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(yōu)化的三維實時渲染技術(shù)的研究［D］.武漢大學，2010.

［2］張宇.實時渲染中環(huán)境映射技術(shù)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(chuàng)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(xiàn)［D］.電子科技大學，2012.

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