疏浚施工三維動(dòng)畫仿真中VRay渲染技術(shù)研究與應(yīng)用

辛海霞，田會(huì)靜，侯 婕

(中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461)

目前在疏浚行業(yè)中，挖泥船三維動(dòng)畫仿真研究的重點(diǎn)主要是疏浚船舶操作過(guò)程的建模與交互功能的實(shí)現(xiàn)[1-5]，針對(duì)直接影響三維動(dòng)畫輸出效果的渲染技術(shù)研究較少，其中動(dòng)畫渲染主要采用3ds Max線性渲染技術(shù)，渲染效果在真實(shí)度和美觀度方面還有一定的提升優(yōu)化空間。VRay渲染器是一款高質(zhì)量渲染軟件，能夠兼容3ds Max、Maya、Sketchup、Rhino等多種三維主流軟件，能夠渲染更真實(shí)美觀的三維動(dòng)畫和效果圖，已應(yīng)用于建筑外觀、室內(nèi)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫渲染、工業(yè)造型等多個(gè)領(lǐng)域。為促進(jìn)VRay渲染技術(shù)在疏浚三維動(dòng)畫仿真中的廣泛應(yīng)用，以反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫VRay渲染為例，研究了基于3ds Max平臺(tái)運(yùn)用VRay渲染技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，并給出了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)疏浚施工三維動(dòng)畫渲染的方法和過(guò)程。

1 VRay渲染技術(shù)原理

渲染[3]是指跟據(jù)賦予物體的材質(zhì)、所設(shè)置的燈光以及大氣效果等，由程序?yàn)閯?chuàng)建的三維場(chǎng)景拍攝照片或者錄制動(dòng)畫，將在場(chǎng)景中創(chuàng)建的三維模型及動(dòng)畫內(nèi)容輸出出來(lái)。渲染是三維動(dòng)畫仿真中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能直接影響三維動(dòng)畫的輸出效果。VRay 渲染器是一款擁有光線跟蹤 (Raytracing)和全局照明(Global Illumination)的高質(zhì)量渲染軟件，能制作真實(shí)的光線跟蹤(反射折射)、半透明材質(zhì)(次表面散射)、光影(環(huán)境光和HDRI圖像功能)、全局照明、焦散等特殊效果。它具有在渲染細(xì)節(jié)上比3ds Max標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)(Standard)高很多的VRay標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)——VRayMtl，具有更方便調(diào)節(jié)真實(shí)反射和折射效果的參數(shù)，能夠獲得更加真實(shí)、準(zhǔn)確的物理照明。它還具有能夠模擬真實(shí)單反相機(jī)拍照的VRay物理相機(jī)，可通過(guò)調(diào)節(jié)快門、光圈、感光度等功能參數(shù)來(lái)模擬真實(shí)成像效果。

VRay渲染技術(shù)原理主要基于全局照明(Global Illumination，簡(jiǎn)稱GI)，是一種使用直接照明和間接照明來(lái)模擬真實(shí)世界的光線反彈照射現(xiàn)象的光影效果技術(shù)。全局照明(GI)配合燈光可以很真實(shí)的模擬真實(shí)物理世界的光照效果，這是3ds Max默認(rèn)的線性渲染器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，在默認(rèn)的線性渲染器里只有通過(guò)不斷的增補(bǔ)燈光來(lái)對(duì)這種間接照明的一次反彈和二次反彈效果模擬[6]。

2 疏浚三維動(dòng)畫仿真主要VRay渲染技術(shù)參數(shù)設(shè)置和實(shí)現(xiàn)

反鏟式挖泥船是一種重要的疏浚船舶，船體上裝有反向鏟斗挖泥機(jī)等設(shè)備，依靠鏟斗下挖產(chǎn)生切削力將泥沙或巖石挖取到斗內(nèi)，再將泥沙或巖石移送到指定位置，可以浚挖、清理航道。隨著疏浚工程項(xiàng)目中開(kāi)挖大量風(fēng)化巖的情況逐漸增多，堅(jiān)硬風(fēng)化巖的開(kāi)挖給機(jī)械能力和開(kāi)挖效率提出了越來(lái)越高的要求，反鏟式挖泥船已越來(lái)越多的應(yīng)用到具有開(kāi)挖巖石的特殊疏浚工程中，因此本文以反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫渲染為例，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試對(duì)比，給出了基于3ds Max平臺(tái)運(yùn)用VRay渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫渲染輸出的重要參數(shù)設(shè)置。

三維模型是三維動(dòng)畫渲染的基礎(chǔ)，反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫主要包括疏浚船舶和施工場(chǎng)景兩大類三維模型。疏浚船舶三維模型主要包括反鏟式挖泥船，反鏟式挖泥船主要包括船體、艏樓、甲板、反鏟挖泥機(jī)、鋼樁等結(jié)構(gòu)，其中反鏟挖泥機(jī)主要包括鏟斗、鏟臂、液壓裝置、旋轉(zhuǎn)裝置；施工場(chǎng)景三維模型主要包括海水、地面及天空。在3ds Max中完成三維建模后，再根據(jù)反鏟式挖泥船的挖巖施工工藝，依次進(jìn)行反鏟啟動(dòng)、下放、挖巖、提升、裝駁等各個(gè)施工過(guò)程的動(dòng)畫設(shè)置。由于三維模型和動(dòng)畫設(shè)置不是本文重點(diǎn)，因此不作詳述。

在3ds Max中正確安裝VRay渲染器后，首先把當(dāng)前渲染器由3ds Max自身默認(rèn)的渲染器設(shè)置為VRay渲染器，然后再進(jìn)行VRay材質(zhì)貼圖、VRay燈光、VRay攝影機(jī)設(shè)置及VRay渲染輸出等操作。

2.1 VRay材質(zhì)貼圖設(shè)置

利用3ds Max完成三維建模后，通過(guò)分析施工場(chǎng)景中各個(gè)物體的材質(zhì)屬性，對(duì)其分別設(shè)定相應(yīng)的VRay材質(zhì)和貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的顏色以及紋理效果。設(shè)置VRay材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)是：以現(xiàn)實(shí)世界中的物體為依據(jù)，真實(shí)地表現(xiàn)物體材質(zhì)的屬性。材質(zhì)的基本屬性包括漫反射(固有色)、反射、折射、折射率、自發(fā)光、半透明等。材質(zhì)的屬性雖然很多，但最主要是漫反射(固有色)、反射、折射三大類屬性。三維模型設(shè)置完VRay材質(zhì)后，再確定是否需要設(shè)置貼圖。貼圖是指將具有表面紋理的圖案、圖像添加至三維模型，可以提高材質(zhì)外觀的真實(shí)感和復(fù)雜度。

對(duì)有反射屬性和折射屬性的模型使用VR材質(zhì)會(huì)比使用3ds Max 的材質(zhì)真實(shí)的多。VRay中反射和折射的強(qiáng)弱是由黑白alpha信息值來(lái)決定的，顏色明度越高則反射、折射效果越明顯；顏色明度越低則反射、折射效果越弱[7]。VRAY中折射效果直接決定玻璃及水等物質(zhì)的透明度，顏色明度值越高則透明度越高，顏色明度值越低則透明度越低。

通過(guò)分析反鏟式挖泥船施工場(chǎng)景中各個(gè)三維模型的材質(zhì)屬性，按反射和折射強(qiáng)弱可以分為強(qiáng)反射和強(qiáng)折射、強(qiáng)反射和無(wú)折射、弱反射和無(wú)折射、無(wú)反射和無(wú)折射四大類材質(zhì)，經(jīng)過(guò)反復(fù)渲染調(diào)試對(duì)比，給出了使反鏟式挖泥船的主要部件及自然場(chǎng)景渲染效果更加逼真的VRay材質(zhì)參數(shù)設(shè)置。

2.1.1 強(qiáng)反射和強(qiáng)折射屬性材質(zhì)

強(qiáng)反射和強(qiáng)折射屬性材質(zhì)的設(shè)置原理是反射強(qiáng)度和折射強(qiáng)度都較大，顏色明度較高，反射顏色、折射顏色通常設(shè)為白色(表示強(qiáng)度最大)或淺灰色(表示強(qiáng)度較大)。

(1)施工場(chǎng)景中水面呈淺藍(lán)色波動(dòng)效果，具有較強(qiáng)的反射、折射材質(zhì)屬性。根據(jù)固有色把漫反射設(shè)置為淺藍(lán)色(紅：186，綠：230，藍(lán)：255)；反射強(qiáng)度較大，反射顏色設(shè)置為淺灰色(紅：194，綠：194，藍(lán)：194)；折射強(qiáng)度最大，折射顏色設(shè)置為白色(紅：255，綠：255，藍(lán)：255)，折射率按照水的實(shí)際折射率設(shè)置為1.33；水面產(chǎn)生波動(dòng)效果，需要把凹凸貼圖設(shè)置為噪波貼圖，噪波大小設(shè)置為30；(2)反鏟式挖泥船上面的玻璃是淺綠色透明的，具有較強(qiáng)的反射和最強(qiáng)的折射材質(zhì)屬性。根據(jù)玻璃的固有色設(shè)置漫反射為淺綠色(紅：121，綠：230，藍(lán)：154)；具有較強(qiáng)的反射屬性，可以反射部分環(huán)境效果，反射顏色設(shè)置為淺灰色(紅：161，綠：161，藍(lán)：161)，并打開(kāi)菲涅爾反射；玻璃完全透明，具有最強(qiáng)的折射屬性，折射顏色設(shè)置為白色(紅：255，綠：255，藍(lán)：255)，折射率按照玻璃的實(shí)際折射率設(shè)置為1.51。

2.1.2 強(qiáng)反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)

強(qiáng)反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)的設(shè)置原理是反射強(qiáng)度較大，顏色明度較高，反射顏色設(shè)為淺灰色；折射強(qiáng)度為0，折射顏色設(shè)為黑色。

反鏟挖泥機(jī)的液壓缸為銀白色的不銹鋼材質(zhì)，具有反射較強(qiáng)和無(wú)折射的材質(zhì)屬性。根據(jù)不銹鋼的本色設(shè)置漫反射為淺灰色(紅：163，綠：163，藍(lán)：163)；反射強(qiáng)度較大，反射顏色設(shè)為淺灰色(紅：201，綠：201，藍(lán)：201)，高光光澤設(shè)置為0.8；折射強(qiáng)度為0，折射顏色設(shè)置為黑色(紅：0，綠：0，藍(lán)：0)。

2.1.3 弱反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)

弱反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)的VRay材質(zhì)參數(shù)設(shè)置原理是反射強(qiáng)度較小，顏色明度較低，根據(jù)實(shí)際反射顏色可設(shè)為不同的深灰色；折射強(qiáng)度為0，折射顏色設(shè)為黑色(紅：0，綠：0，藍(lán)：0)。

(1)船體分為上、下兩部分，反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：6，綠：6，藍(lán)：6)。船體上部分為黑色，下部分為紅色，則漫反射分別設(shè)定為黑色(紅：0，綠：0，藍(lán)：0)和紅色(紅：230，綠：0，藍(lán)：32)；(2)甲板根據(jù)固有色把漫反射設(shè)置為綠色(紅：0，綠：192，藍(lán)：109)；反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：7，綠：7，藍(lán)：7)；(3)鋼樁漫反射設(shè)置為橘黃色(紅：240，綠：102，藍(lán)：0)；反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：6，綠：6，藍(lán)：6)；(4)鏟斗漫反射設(shè)置為灰色(紅：68，綠：68，藍(lán)：68)；反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：45，綠：45，藍(lán)：45)；(5)鏟臂呈現(xiàn)紅白條紋圖案，漫反射設(shè)置為紅白條紋位圖貼圖；反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：5，綠：5，藍(lán)：5)；(6)旋轉(zhuǎn)裝置漫反射設(shè)置為橘黃色(紅：240，綠：102，藍(lán)：0)；反射強(qiáng)度較小，反射顏色設(shè)置為深灰色(紅：6，綠：6，藍(lán)：6)。

2.1.4 無(wú)反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)

無(wú)反射和無(wú)折射屬性材質(zhì)既不會(huì)反射也不會(huì)折射光線，所以材質(zhì)參數(shù)中的反射強(qiáng)度和折射強(qiáng)度都為0，反射顏色、折射顏色都設(shè)為黑色(紅：0，綠：0，藍(lán)：0)；而漫反射需要根據(jù)三維模型的固有色進(jìn)行如下設(shè)置：(1)天空本身呈現(xiàn)藍(lán)天白云效果，漫反射需要設(shè)置藍(lán)天白云位圖貼圖；(2)海底呈現(xiàn)巖石圖案，漫反射需要設(shè)置巖石位圖貼圖；(3)艏樓為白色，漫反射設(shè)定為白色(紅：255，綠：255，藍(lán)：255)。

2.2 VRay燈光設(shè)置

2.2.1 燈光選擇

VRay燈光分為VR-燈光、VR-IES、VR-環(huán)境光和VR-太陽(yáng)4種類型，可以通過(guò)模擬燈箱、發(fā)光片、自然光來(lái)達(dá)到高品質(zhì)的渲染效果，具有照亮空間、營(yíng)造場(chǎng)景氣氛、增強(qiáng)立體感、增大空間感等作用。其中VR-燈光可以創(chuàng)建平面、穹頂、網(wǎng)格、球體和圓形5種類型的光，常用來(lái)模擬室內(nèi)外燈光，最大的特點(diǎn)是可以自動(dòng)產(chǎn)生極其真實(shí)的自然光影效果，可以設(shè)置為純粹的不被渲染的照明虛擬體，也可以被渲染出來(lái)。VR-IES常用于制作建筑效果圖中一些特殊形狀的光源如射燈、壁燈等。VR-太陽(yáng)最大的功能是模擬真實(shí)的室外太陽(yáng)光，當(dāng)它和VRay天空或VR-環(huán)境光一起使用時(shí)具有自然環(huán)境中天空照明的作用。經(jīng)實(shí)踐表明，利用VR-燈光可較好地實(shí)現(xiàn)反鏟式挖泥船施工環(huán)境中真實(shí)的光照效果。

2.2.2 VR-燈光布設(shè)

VR-燈光進(jìn)行場(chǎng)景照明時(shí)通常采用三光源布光法[3]，即主體光、輔助光與背景光。布光時(shí)，從主到次，從大到小，盡量按照實(shí)際布光，必要時(shí)加些補(bǔ)光。為實(shí)現(xiàn)反鏟式挖泥船施工環(huán)境中真實(shí)的光照效果，首先在與拍攝反鏟式挖泥船成45°角方向的地方創(chuàng)建一盞VR-燈光作為主光源，用來(lái)照亮場(chǎng)景中的主要對(duì)象反鏟式挖泥船與其周圍挖巖施工區(qū)域，亮度最高。其次在拍攝反鏟式挖泥船方向的兩側(cè)創(chuàng)建兩盞VR-燈光作為輔助光源，用來(lái)填充被主體光遺漏的場(chǎng)景區(qū)域以及陰影區(qū)，亮度比主體光低20%～50%時(shí)效果較好。最后在拍攝反鏟式挖泥船的相反方向創(chuàng)建一盞VR-燈光作為背景光，達(dá)到增加背景亮度、襯托主體的效果。

2.3 VRay攝影機(jī)設(shè)置

VRay攝影機(jī)包含VRay物理攝影機(jī)和VRay穹頂像機(jī)兩種，使用頻率最高的是VRay物理攝影機(jī)。VRay物理攝影機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)真實(shí)的攝影機(jī)，遵循單反相機(jī)的調(diào)節(jié)方式，有光圈、快門、曝光、ISO等調(diào)節(jié)功能，能模擬真實(shí)單反相機(jī)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行取景，能獨(dú)立調(diào)整場(chǎng)景亮度和色彩，還能制作運(yùn)動(dòng)模糊、景深和散景等特效[8]。首先使用“VRay物理攝影機(jī)”工具在視圖中拖曳光標(biāo)創(chuàng)建一臺(tái)VRay物理攝影機(jī)，包含攝影機(jī)和目標(biāo)點(diǎn)兩個(gè)部件。其次設(shè)置VRay物理攝影機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫直觀、形象地展現(xiàn)整個(gè)施工場(chǎng)景。然后把VRay物理攝影機(jī)由遠(yuǎn)景切換到近景依次展示反鏟船反鏟啟動(dòng)、下放、挖巖、提升、裝駁等動(dòng)畫場(chǎng)景。

2.4 VRay渲染輸出

渲染輸出時(shí)主要考慮畫面質(zhì)量和渲染時(shí)間兩個(gè)方面，影響這兩個(gè)方面的5個(gè)決定性因素分別是VRay 渲染器中的材質(zhì)、燈光、渲染尺寸、圖像采樣器及GI渲染引擎。材質(zhì)細(xì)分值越大，畫面質(zhì)量就越高，但渲染時(shí)間相應(yīng)就越長(zhǎng)；同樣，當(dāng)燈光細(xì)分值越大或渲染尺寸越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的畫面質(zhì)量也越高，渲染時(shí)間也越長(zhǎng)；圖像采樣器中的細(xì)分值、噪波閾值參數(shù)主要決定畫面質(zhì)量和渲染時(shí)間，被渲染對(duì)象的細(xì)分值越大、噪波閾值越小，畫面質(zhì)量就越高，渲染時(shí)間就越長(zhǎng)；GI渲染引擎控制包括首次引擎和二次引擎設(shè)置，通常分別設(shè)置為發(fā)光圖和燈光緩存兩種GI渲染引擎，它們的設(shè)定等級(jí)、細(xì)分、采樣等相關(guān)參數(shù)值越大，畫面質(zhì)量就越高，渲染時(shí)間就越長(zhǎng)。

VRay渲染一般分為測(cè)試渲染和最終渲染兩個(gè)階段。測(cè)試渲染的特點(diǎn)是渲染尺寸較小、渲染質(zhì)量不高、渲染速度快，用于預(yù)覽檢查。最終渲染特點(diǎn)是渲染尺寸較大、渲染質(zhì)量好、渲染速度慢，用于最終動(dòng)畫輸出。VRay渲染主要包括材質(zhì)、燈光、渲染尺寸、圖像采樣器及GI渲染引擎5個(gè)部分的參數(shù)設(shè)定。以VRay4.0為例，在測(cè)試渲染階段：材質(zhì)及燈光細(xì)分值都設(shè)為8。渲染尺寸設(shè)置為640×480。圖像采樣器類型設(shè)置為塊，塊圖像采樣器最小細(xì)分值設(shè)為1，最大細(xì)分值設(shè)為20，噪波閾值設(shè)為0.05。GI渲染引擎是VRay渲染器的核心，具體設(shè)置為：勾選啟用GI，首次引擎設(shè)置為發(fā)光圖，當(dāng)前預(yù)設(shè)設(shè)置為低級(jí)，細(xì)分值為30，插值采樣值為20；二次引擎設(shè)置為燈光緩存，細(xì)分值為500，采樣大小為0.01。當(dāng)測(cè)試渲染效果達(dá)到要求后就可以進(jìn)行最終渲染，主要是提高測(cè)試渲染中材質(zhì)、燈光、圖像采樣器、GI渲染引擎的細(xì)分值和渲染尺寸以及降低圖像采樣器的噪波閥值。材質(zhì)及燈光細(xì)分值都提高為20。渲染尺寸根據(jù)需要可以調(diào)整到1 920×1 080或者更大等。塊圖像采樣器最大細(xì)分值提高為100，噪波閾值降低為0.005。GI渲染引擎中首次引擎發(fā)光圖，當(dāng)前預(yù)設(shè)設(shè)置為高級(jí)，細(xì)分值提高到100，插值采樣值為20；二次引擎設(shè)置為燈光緩存，細(xì)分值提高到1 500，采樣大小提高到0.02。將反鏟式挖泥船反鏟啟動(dòng)、挖巖、裝駁等施工動(dòng)畫設(shè)置完成后，通過(guò)VRay最終渲染將在3ds Max中制作的場(chǎng)景真實(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。圖1為鏟斗挖巖三維場(chǎng)景VRay最終渲染圖。圖2為鏟斗提升三維場(chǎng)景VRay最終渲染圖。

圖1 反鏟挖巖三維場(chǎng)景Fig.1 3D dredging scene of backhoe digging rock圖2 反鏟提升三維場(chǎng)景Fig.2 3D dredging scene of backhoe lifting

3 工程應(yīng)用

在廈門嵩嶼港區(qū)除礁施工過(guò)程中，采用了“反鏟式挖泥船與鉆機(jī)船聯(lián)合挖巖施工工法”，即對(duì)風(fēng)化硬質(zhì)巖石開(kāi)挖前采取鉆機(jī)船對(duì)巖體進(jìn)行鉆孔預(yù)處理，再用反鏟式挖泥船直接開(kāi)挖的施工工藝，成功解決了風(fēng)化硬質(zhì)巖石的除礁難題，保證了工程順利實(shí)施。針對(duì)這種創(chuàng)新施工工藝，利用3DMAX軟件模擬了反鏟式挖泥船反鏟啟動(dòng)、下放、挖巖、提升、裝駁等挖巖施工過(guò)程，并通過(guò)運(yùn)用VRay渲染技術(shù)渲染實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫渲染。另外，VRay仿真渲染技術(shù)還在其他多個(gè)疏浚施工三維動(dòng)畫仿真中得以推廣應(yīng)用，如 “天鯨號(hào)”、新215系列“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”及新濱海系列等絞吸船施工三維動(dòng)畫仿真，再如疏浚工程多船型聯(lián)合掃淺、疏浚工程淤泥質(zhì)吹填區(qū)浮筒管線架設(shè)及耙吸挖泥船挖掘密實(shí)粉砂等施工工法三維動(dòng)畫仿真。

4 結(jié)語(yǔ)

以反鏟式挖泥船挖巖施工三維動(dòng)畫VRay渲染為例，通過(guò)分析疏浚施工動(dòng)畫中各個(gè)三維模型的材質(zhì)屬性，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試對(duì)比給出了疏浚船舶反鏟式挖泥船及施工場(chǎng)景的最優(yōu)VRay材質(zhì)參數(shù)設(shè)置，并且具體介紹了基于3ds Max平臺(tái)通過(guò)VRay材質(zhì)貼圖、VRay燈光、VRay攝影機(jī)設(shè)置及VRay渲染輸出實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)疏浚施工三維動(dòng)畫渲染的方法和過(guò)程。VRay渲染技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)疏浚施工三維動(dòng)畫仿真中，具有一定的推廣價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。