三維動(dòng)畫技術(shù)在地下水封洞庫開挖工程中的應(yīng)用

田博

摘要：該文VAST水封洞庫開挖三維動(dòng)畫演示為研究對(duì)象，利用三維動(dòng)畫軟件Autodesk 3dsmax、圖像處理軟件AdobePhotoshop、后期合成軟件Adobe After effects和prermere pro為工具。最終通過實(shí)現(xiàn)地下水封洞庫開挖三維動(dòng)畫演示建立了一套現(xiàn)實(shí)可行的三維動(dòng)畫演示設(shè)計(jì)制作流程。經(jīng)過實(shí)踐證明該流程對(duì)大型三維動(dòng)畫演示的制作有一定的實(shí)踐意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫；制作流程；演示

三維動(dòng)畫能夠精確模仿和再現(xiàn)真實(shí)事物，而且隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，其操作性幾乎是無限的，因而已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來地下水封開挖演示過程也多采用三維動(dòng)畫的表現(xiàn)形式。地下水封洞庫開挖項(xiàng)目屬于國(guó)家級(jí)大的水利水電施工項(xiàng)目，前期要經(jīng)過公開、公正、公平競(jìng)爭(zhēng)的招標(biāo)環(huán)節(jié)，以前演示多為ppt或者flash動(dòng)畫演示，但這是屬于二維的圖紙和動(dòng)畫，不利于全方位多視角的評(píng)審。三維動(dòng)畫演示有著比ppt演示講解和flash動(dòng)畫更加直觀的視覺效果，更有利于專家評(píng)審各投標(biāo)公司方案的優(yōu)劣。更有利于專家對(duì)施工環(huán)節(jié)和步驟進(jìn)行探討和研究。并可用于工程的宣傳。本文以水封洞庫開挖三維動(dòng)畫演示為例，對(duì)動(dòng)畫制作流程及制作過程中的要點(diǎn)加以說明論述。

1地下水封洞庫開挖三維動(dòng)畫演示制作流程

由于動(dòng)畫制作工序復(fù)雜、工作量大，常常需要多人配合完成，所以建立一個(gè)高速有效的制作流程是首要條件。地下水封洞庫開挖三維動(dòng)畫演示制作流程如下：①文字腳本：根據(jù)項(xiàng)目的總體介紹以及地下水封洞庫開挖的流程，編寫文字腳本，文字腳本作為制作環(huán)節(jié)的依據(jù)十分重要，應(yīng)簡(jiǎn)潔明了。②解說詞錄制：介紹類的動(dòng)畫多采用標(biāo)準(zhǔn)的普通話錄音，有別于動(dòng)畫片的個(gè)性錄音，普通話錄音的語速有一定的規(guī)律可循，所以先完成錄音的環(huán)節(jié)，可以避免后期音頻與視頻不對(duì)位的現(xiàn)象。根據(jù)文字腳本在錄音棚中錄制演示動(dòng)畫的解說詞，解說詞要求采用標(biāo)準(zhǔn)的普通話錄制，根據(jù)解說詞的時(shí)長(zhǎng)來確定動(dòng)畫的幀數(shù)。③故事版：其中包括攝像機(jī)機(jī)位擺放安排、基本動(dòng)畫、鏡頭時(shí)間設(shè)置等。作為后期分鏡頭動(dòng)畫制作的依據(jù)。④建模：根據(jù)項(xiàng)目要求，制作出所處的地理環(huán)境以及地下水封洞庫相應(yīng)的模型。⑤材質(zhì)貼圖：根據(jù)項(xiàng)目需要制作環(huán)境以及洞庫的相關(guān)模型。⑥燈光：為體現(xiàn)本項(xiàng)目的真實(shí)感，模擬真實(shí)燈光照明。⑦渲染：渲染輸出Rla或Rpf多通道格式文件，便于后期色彩調(diào)整⑧后期合成：調(diào)整分鏡頭各元素色彩關(guān)系，合成解說詞及背景音樂。

2地下水封洞庫開挖制作要點(diǎn)

2.1模型制作

Autodesk 3dsmax是一款專業(yè)的動(dòng)畫制作軟件，是世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件，并且支持多種格式導(dǎo)入，尤其能非常便捷的導(dǎo)人Autodesk cad文件，其經(jīng)常被用在工程項(xiàng)目中。

1）山體和水制作

地下水封洞庫對(duì)巖體質(zhì)量和地下水條件有較高的要求，因此，要?jiǎng)?chuàng)建水封洞庫所處的地理環(huán)境的環(huán)境模型。①山體模型：這里的山體模型，要參考真實(shí)山體的形體結(jié)構(gòu)，但不必完全按等高線建模。所以可以采取，先制作簡(jiǎn)體模型的方式，制作“平面（plane）”物體，適當(dāng)增加“平面”的“分段數(shù)”，但不要過多，“分段數(shù)”在10以內(nèi)較為理想。添加“編輯多邊形”修改器，利用“點(diǎn)”調(diào)節(jié)山體的大致形態(tài)。然后再添加“細(xì)分“修改器，在“四邊面”的模式，將“迭代次數(shù)”調(diào)節(jié)到4。此時(shí)由于模型精度增加，形體相對(duì)變?nèi)?。所以再添加一個(gè)“編輯多邊形”修改器，開啟軟選擇，調(diào)節(jié)大塊的形體。最后添加“置換”修改器，在貼圖中添加“漸變貼圖”來增加山體的細(xì)節(jié)。

水可以使用多段數(shù)plane并添加noise修改器生成。但為了避免面數(shù)過多，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，這里我么用了在水材質(zhì)中添加“噪波”（noise）貼圖的模式方式。另外為了避免山體與天空交接部位的生硬添加了霧效。

2）施工主巷道、分出支洞、操作豎井等模型制作

城門洞型施工主巷道交接部位的“山”型結(jié)構(gòu)建模是個(gè)難點(diǎn)的部位，如圖l所示。我們先利用”放樣”（loft）制作出其中的一部分，在將“放樣”生成的模型轉(zhuǎn)換為polygon多邊形，刪除部分面，如圖2所示，利用“編輯多邊形”polygon的“橋接”分步鏈接面。分出支洞、豎井等模型，多是采用cad導(dǎo)人截面，利用max繪制路徑線，loft放樣建模實(shí)現(xiàn)。

3）機(jī)械設(shè)備模型

機(jī)械設(shè)備模型不必面面俱到的全部創(chuàng)建，只要?jiǎng)?chuàng)建幾個(gè)比較有代表性的模型即可。以20噸自卸車為例。采用max多邊形建模，邊角部位添加倒角，以增強(qiáng)體量感。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件眾多，所以在創(chuàng)建時(shí)要盡量節(jié)省模型的面數(shù)，朝向攝像機(jī)的部分可相對(duì)細(xì)致些，背離攝像機(jī)的部分要見略顯，以節(jié)省系統(tǒng)資源。

2.2材質(zhì)制作

1）山體和水材質(zhì)

山體材質(zhì)要表現(xiàn)為植物與巖石交替出現(xiàn)的質(zhì)感，并且要打破規(guī)律性，產(chǎn)生紊亂的感覺，我們使用了max的“混合”（Blend）材質(zhì)，第一個(gè)材質(zhì)球?yàn)椴萜さ牟馁|(zhì)，第二個(gè)材質(zhì)球?yàn)閹r石材質(zhì)，在“遮罩”（mask）上給了一張黑白的紊亂貼圖，黑色部分顯示材質(zhì)1，白色的部位顯示材質(zhì)2。如有需要制作道路等，可以利用Dhotoshop黑白筆刷調(diào)整遮罩貼圖。

水材質(zhì)漫反射偏向藍(lán)綠色，高光90，光澤度45，反射給hdr天空貼圖來模擬反射。

2）施工主巷道、分出支洞、操作豎井等制作

此部分材質(zhì)制作比較容易。主要是注意，區(qū)分開不同部分的色彩關(guān)系，有時(shí)也可以加點(diǎn)自發(fā)光20左右，由于我們用的是淺色背景，所以施工巷道等利用純色加以區(qū)分，以爭(zhēng)強(qiáng)視覺識(shí)別效果。

3）機(jī)械設(shè)備材質(zhì)

機(jī)械設(shè)備材質(zhì)，要以單色為主，盡量不要加入raytrace等反色效果，以表現(xiàn)機(jī)械的厚重感.可適當(dāng)加人“噪波”（noise）模擬漆面的顆粒感。

2.3燈光制作

為了得到真實(shí)可信的燈光照明效果，可以采用vray或mentaly等渲染器，但要依據(jù)模型、材質(zhì)復(fù)雜程度和制作時(shí)間而定。如果模型面數(shù)多、材質(zhì)復(fù)雜、制作時(shí)間要求緊，我們可以采用max默認(rèn)燈光模擬全局照明的方式，本項(xiàng)目即采用此種模擬全局照明的方式來完成。創(chuàng)建環(huán)形max目標(biāo)聚光燈或者泛光燈陣列，將此燈光陣列作為環(huán)境光，燈光采用實(shí)例的方式便于調(diào)節(jié)，開啟陰影貼圖方式陰影。再創(chuàng)建一個(gè)主光，開啟陰影貼圖。

2.4動(dòng)畫制作

1）施工主巷道及分出支洞動(dòng)畫

施工主巷道開挖動(dòng)畫，采用Cut切片動(dòng)畫的方式來完成。調(diào)整切片平面與巷道平面平行，記錄切片平面的動(dòng)畫。如需向雙向開挖，要添加兩個(gè)切片修改器并分別記錄切片平面動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)。

2）軸流風(fēng)機(jī)壓人式通風(fēng)動(dòng)畫

此處，并不需要?jiǎng)?chuàng)建軸流風(fēng)機(jī)模型，只需交代風(fēng)向流動(dòng)方向即可。我們先在max中繪制出風(fēng)流動(dòng)的路徑線，然后利用箭頭沿路徑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫來表現(xiàn)風(fēng)的流動(dòng)方向。這里采用了路徑約束的方式，來實(shí)現(xiàn)箭頭沿路徑運(yùn)動(dòng)。并可以復(fù)制多個(gè)箭頭，約束到同一根路徑線，通過調(diào)整不同箭頭的路徑百分比，來調(diào)整間距。

3）自卸車等車輛動(dòng)畫

這里主要應(yīng)用了，正向動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來制作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，注意軸心點(diǎn)的調(diào)節(jié)。制作車輪與車體的運(yùn)動(dòng)關(guān)系：首先我們要制作一個(gè)虛擬體，然后將車身綁定到虛擬體上，車輪在綁定到車身上。我們?cè)O(shè)車輪的旋轉(zhuǎn)軸為v軸，位移軸為x軸，給車輪的旋轉(zhuǎn)軸即v軸指定“浮點(diǎn)表達(dá)式控制器”，我們?cè)O(shè)變量為“c”那么表達(dá)式為“2*c/車輪直徑”，指定控制器到虛擬體的位移軸即可實(shí)現(xiàn)車輪與車體的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

2.5后期合成

在分鏡頭渲染完成后，依據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行后期合成，我們使用了Adobe After effects制作分鏡合成，主要有較色、添加說明性文字、添加標(biāo)準(zhǔn)等，最后使用Adobe premiere pro合成個(gè)分鏡頭并且添加配音和背景音樂。

3結(jié)束語

地下水封洞庫開挖三維動(dòng)畫仿真系統(tǒng)制作是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，除了要求有動(dòng)畫制作的基礎(chǔ)知識(shí)外，制作者還要熟練掌握三維動(dòng)畫、圖形處理、后期合成、音頻編輯等制作軟件，而且還要有一定的地下水封洞庫開挖知識(shí)，總之對(duì)制作者的綜合應(yīng)用能力要求很高。