三维动画与实拍影像合成技术在轨道交通工程投标中的应用

2013-04-13向秀华

铁道勘察 2013年5期

向秀华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

在轨道交通投标汇报中，方案介绍部分是评审方、业主关注的重点内容。设计方案专业性较强，若在设计汇报展演中采用传统方式，存在语言描述困难，平面媒体表达又不直观，缺乏真实感，有相当大的局限性。随着计算机图像技术CG(Computer Graphics)和数字媒体的不断发展，计算机三维动画与实拍影像合成技术得到飞速的进步。三维动画与实拍影像的合成具有视觉表现上的绝对优势，极大丰富了影视作品的创作表现手段。将这一在电影制作上日益普遍，尤以特效片最常使用的技术应用于工程设计领域，能够全方位、多视角直观展示方案优化选择的合理性，可以在项目方案优化评测、方案演示等诸多方面得到广泛应用。本文以宁波轨道交通一号线一期工程前期设计总体管理投标为例，阐述运用三维动画与实拍影像合成技术的实现方法。

1　项目概况

宁波轨道交通规划一号线线路全长45.99 km，计划分两期实施。一期工程投标时对全线线位、站位提出了一系列优化建议。优化后的线路正线全长21.278 km，共设车站18座，其中高架站4座，地下站14座。线路由望春路站直至一期工程终点东货站全为地下线，长15.898 km。为了更生动、真实、直观地展示方案优化选择的合理性，在介绍线路和车站优化方案时分别选取了几个重点路段和车站，运用三维动画与实拍影像合成技术表达项目的设计方案，让人们感受到强烈的临场感。三维动画与实拍影像合成技术的实现分为：脚本策划编写、实景拍摄、摄像机运动轨迹反求、三维动画制作和后期合成等五个部分。

2　脚本策划编写

脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示程序表达手法和细节表现进行策划，主要包括：整体思路、编写分镜头脚本、实拍前场景中跟踪点的设置。

本次前期设计总体管理投标多媒体演示程序采用powerpoint制作，其中方案优化部分运用实景动画诠释和完美表达。

首先，依据整体构思编写了分镜头脚本，内容包括镜头调度、构图形式等内容，是前期实景拍摄和后期制作的依据。分镜头设置需自然、合理，简洁明快，言简意赅。

依据拍摄前制定的跟踪计划，在场景中人工设置了若干跟踪点，便于后期摄像机运动轨迹反求软件进行跟踪。为了反求软件能更精确的捕获这些点，选择了跟场景中环境颜色形成强烈反差的红色做为跟踪点的颜色。

本次投标选取了线路方案优化中的三个路段：线路由平地起转为高架段、后塘河沿河高架段、望春路高架入地段，以及车站方案优化的芦港高架站、市府换乘站、天一广场站、曙光路站、石头路停车场、天童庄车辆段等制作三维动画与实拍影像合成视频短片。针对每个路段或车站的特点，分别确定了拍摄角度与构图形式，每个方案的实景拍摄视频时长控制在1 min之内。

3　实拍素材

拍摄时使用的摄像机是Canon XLH1A专业摄像机，使用它可以得到清晰和精确的素材画面，拍摄采用的镜头为20倍高清镜头。视频的压缩格式为mov。此外，在拍摄时须记录分镜头拍摄焦距的参数，供后续三维动画制作中使用。

拍摄时需要注意的问题：①尽量防止拍摄时的轻微抖动。本次实景拍摄时为了将抖动减少到最小，在大场景拍摄中采用将摄像机放置在三脚架上录制，并减少每个分镜头的长度，避免变焦拍摄。②尽量选择光线比较稳定的时段，同时注意避开阳光非常强烈的时候，减少画面中出现过曝的地方。

如果是复杂的合成，可能要分好几个拍摄画面，有的可能要拍好几个图像层。

4　摄像机运动轨迹反求

为了使三维素材更好的融入实拍影片，需用到摄像机运动轨迹返求技术。该技术很好地解决实景跟三维合成的匹配问题，其原理是根据画面中像素的明度、饱和度、色相三大要素筛选出画面中具有特征的像素，并踪踪这类像素的运动轨迹，获得对应该画面实拍摄像机的运动轨迹和参数变化，用这些参数来控制3DMAX虚拟摄像机的运动，“重现”实景拍摄过程。选择的跟踪软件为Autodesk Matchmover。在引入前，要把mov格式的视频文件渲染成PNG格式的图片序列帧(Matchmover只支持序列帧格式)。将素材导入后期处理软件After Effects，设置图片尺寸为1 440×1 080，帧速率为24，输出格式为PNG序列帧，渲染输出。

5　三维动画制作

5.1　3DMAX建模

对于车站、高架桥等对象，为达到到真实再现之目的，以CAD工程图纸数据为基础，完全依据其设计尺寸来搭建空间三维模型。

对于数量庞大的树、建筑等参照元素，采用了froset pro、multscatter、greeble等插件，利用其程序化功能，完成树群摆放、建筑群生成，为场景的合理性再现做了充分的准备。

5.2　灯光材质

采用当今主流的vray渲染器下阳光系统模拟光照效果，vray的太阳光能够在全局光照的条件下模拟真实自然阳光的照射和阴影效果，很符合项目对真实性的要求。根据每个具体的场景调节参数，可以控制动画主体与环境的明暗关系对比，更好的烘托主体。

工程场景往往尺度体量巨大，即使采用中高分辨率贴图，也经不起近距离观看，如采用程序贴图或采用提高分段数的方法来处理，又会带来重复数过多，人工痕迹明显。所以，在项目中采用了综合贴图的方法，将场景模型分成近远两大模块，远处的贴图采用程序贴图方法，近处的、用于局部特写的场景，采用了高分辨率按真实纹理绘制的肌理贴图，达到了较真实再现环境的要求。

5.3　动画渲染

将利用跟踪软件捕获的摄像机信息导入3DMAX，使虚拟摄像机跟真实摄像机的运动保持一致。根据脚本规定的镜头长度和构图要求来确定动画的设置，精确恰当的控制动画帧数，使动画风格简洁明快。最后进行渲染，生成为rpf格式，并开启景深通道，

6　后期合成

后期合成主要分为色彩校正、提取通道合成、去除跟踪点等步骤。

色彩校正：主要调整场景中的实拍素材以及三维动画中的主体颜色，通过在AE中调节光线的色温，能够使CG与实拍影像更好融合，协调短片的整体色调。

提取通道与合成用于实现三维素材模型的动画主体表现、模型阴影、模型环绕光和景深等细节效果。通过阴影增强画面的真实感，往往成为决定三维与实景完美融合的关键因素。在AE中通过Alpha通道提取3DMAX图层，通过色阶等滤镜的使用，模拟真实阴影衰减的效果。合成中运用环绕光效果，模拟现实世界中光线照射到物体的边缘部分产生的弯曲，让前景与背京更好融合。在制作时，利用AE中的镜头模糊特效，模仿摄像机的景深效果，根据depth通道中的数值来精确定义镜头的模糊焦距，从而获得更真实的镜头模糊效果。

为了使最终影片的整体效果更好，在后期合成时还需将跟踪点去除。去除方法为：运用在AE中设置遮罩关键帧动画的方式来去除场景中的跟踪点。

最后，将合成后的素材添加到渲染队列，设置压缩格式、分辨率及帧速率等参数，渲染输出。合成输出的最终效果见图1、图2、图3。