Blender在數(shù)字地質(zhì)科學(xué)本科生科研訓(xùn)練中的應(yīng)用

逯燕樂,賀金鑫,羅文寶,李曉波,陳德博

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,長春 130061；2.中化地質(zhì)礦山總局 黑龍江地質(zhì)勘查院,哈爾濱 150040)

0 引 言

“數(shù)字地質(zhì)科學(xué)”是吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院自主設(shè)立的二級學(xué)科,隸屬于“地質(zhì)學(xué)”一級學(xué)科；該學(xué)科是為適應(yīng)傳統(tǒng)地質(zhì)科學(xué)的發(fā)展趨勢,以及國家資源環(huán)境戰(zhàn)略對以信息技術(shù)為代表的高新科技的需求而建立的,是一門具有廣闊發(fā)展前景的新型交叉學(xué)科。其中三維地質(zhì)建模及四維地質(zhì)過程模擬是數(shù)字地質(zhì)科學(xué)中的重要研究方向。但地質(zhì)演化過程歷經(jīng)上億年,影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜,如地殼運(yùn)動表示著地球表面物質(zhì)在地質(zhì)作用下的演化過程,火山活動則是地球深部熔巖受到外力作用影響地表的過程,要實(shí)現(xiàn)這些地質(zhì)現(xiàn)象在時(shí)間尺度上的動態(tài)模擬,還原各個(gè)歷史時(shí)期地質(zhì)現(xiàn)象的形成規(guī)律,是比較困難的。同時(shí),熟練地掌握地質(zhì)建模、模擬與可視化技術(shù)對數(shù)字地質(zhì)科學(xué)方向本科生的人才培養(yǎng)具有十分重要的意義[1]。因此,筆者將三維地質(zhì)建模以及動態(tài)模擬軟件Blender應(yīng)用于數(shù)字地質(zhì)科學(xué)本科生科研訓(xùn)練中,利用Blender能對地學(xué)信息進(jìn)行有效整合,建立相互之間的空間組合關(guān)系以及時(shí)間演化順序[2-6]?？紤]到地質(zhì)演化過程在時(shí)間與空間尺度信息上的特殊性,使學(xué)生親自動手操作,完成從模型建立到屬性賦予,以及動態(tài)模擬全過程,對提升數(shù)字地質(zhì)科學(xué)方向本科生的專業(yè)素養(yǎng)具有很大幫助。

1 Blender軟件

Blender是一款跨平臺的輕量級三維動畫制作軟件,支持各種多邊形建模,提供從建模、材質(zhì)、渲染、到音視頻處理等一系列動畫制作的全部技術(shù)支持[7]。Blender因?yàn)楸旧碜銐蛐∏?具有很高的便捷性,同時(shí)還可以做到多平臺支持。因?yàn)槠溟_放源碼,所以有許多功能強(qiáng)大且足夠便捷的插件可供選擇。Blender完整集成的創(chuàng)作套件提供了全面的3D 創(chuàng)作工具,包括建模(Modeling)、貼圖(Texturing)、UV 映射(UV-Mapping)和其他系統(tǒng)的物理學(xué)模擬(Physics)、腳本控制(Scripting)、渲染(Rendering)和后期處理(Post-production)等一系列功能[7-8]。Blender軟件的主要特點(diǎn)包括[9]：

1) 跨平臺支持,基于OpenGL的圖形界面,可運(yùn)行在幾乎所有主流的操作系統(tǒng)上；

2) 內(nèi)置Python腳本,可通過編程自定義控制；

3) 開放源碼,拓展性強(qiáng),包含眾多使用插件；

4) 高質(zhì)量的3D渲染引擎,提高成品質(zhì)量；

5) 軟件體積小巧,便于分發(fā)。

2 地殼運(yùn)動過程建模

地殼運(yùn)動引起地殼結(jié)構(gòu)改變和內(nèi)部物質(zhì)位移,進(jìn)而導(dǎo)致巖石圈的演變[10],促使大陸、洋底的增生和消亡,并形成海溝和山脈等現(xiàn)象,是地殼抬升演化的主要原因[11-12]。對地質(zhì)知識的學(xué)習(xí),掌握地殼運(yùn)動的規(guī)律是學(xué)生了解地球演化過程的關(guān)鍵步驟；但由于傳統(tǒng)教學(xué)方式無法使學(xué)生直觀體會地殼運(yùn)動過程[13-14],因而讓學(xué)生親自動手利用三維建模技術(shù)模擬地殼運(yùn)動過程對教學(xué)具有很大幫助。對地質(zhì)體的三維建模和地質(zhì)演化過程的動態(tài)模擬分為建模、材質(zhì)、燈光與渲染4個(gè)步驟。這些對視頻效果的呈現(xiàn)同樣是非常重要的流程,而Blender軟件可對整套流程提供全部的技術(shù)支持。基于Blender的山體建模采用傳統(tǒng)多邊形建模,并使用到True-Terrain、Landscape等插件,具體過程如下：

1) 首先建立山體,生成網(wǎng)格中選擇Landscape,然后調(diào)整噪波類型選擇Hetero Terrain疊加New Perlin,并適量調(diào)整深度和偏移量；

2) 修改模型坐標(biāo)為0,高度為50 m,尺寸為200×200 m2；

3) 進(jìn)入物體編輯模式,為模型添加實(shí)體,適當(dāng)調(diào)整模型各部分形狀及相互空間關(guān)系；

4) 利用右側(cè)工具欄為模型添加粒子系統(tǒng)模擬巖體；

5) 利用材質(zhì)工具欄為模型添加材質(zhì),并使用著色器編輯器對模型材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整修改,如圖1所示；

圖1 基于Blender的山體建模Fig.1 Mountain modeling based on Blender

6) 按照上述步驟建立5個(gè)山體模型,單獨(dú)修改各模型的噪波屬性與高度,依次按照高山、丘陵、平原和盆地等地形為山體模型賦予不同屬性及高度,并按照地層順序?yàn)楦髯悦?/p>

7) 修改每個(gè)模型坐標(biāo),x=y=0,以5 m間距將模型依次沿z軸負(fù)方向分布；

8) 按照各地層巖性為每個(gè)模型單獨(dú)賦予材質(zhì)及屬性,此處為高山模型賦予高大喬木林以及巖石山地材質(zhì),丘陵為灌木林材質(zhì)、平原為草地材質(zhì)。

3 火山噴發(fā)過程建模

在地球億萬年的演化歷程中,巖漿活動扮演著極其重要的作用。由于地球內(nèi)部物質(zhì)成分的不均勻,導(dǎo)致局部溫度壓力的累積,從而在地幔內(nèi)部形成地幔對流或地幔柱,當(dāng)上覆地層的壓力過大時(shí),巖漿就會沿著斷層裂隙或地層薄弱的地方?jīng)_破地殼,形成火山活動?；鹕絿姲l(fā)的方式大致可分為裂隙式、中心式和熔透式3種形態(tài)[15-18],利用Blender軟件建立的三維模型模擬火山噴發(fā)過程可使學(xué)生清楚掌握巖漿活動的全過程。由于模擬火山噴發(fā)所涉及的細(xì)節(jié)部分比較多,因而對學(xué)生的實(shí)際動手能力同樣是一個(gè)挑戰(zhàn),其具體操作步驟如下：

1) 打開Blender后新建一個(gè)簡單四邊形平面,放大至合適位置并細(xì)分50次；

2) 打開編輯模式后選中平面中心的點(diǎn),啟用比例編輯功能(O鍵),沿z軸拉伸火山主體外形以及火山通道；

3) 簡單修飾模型外表,為使其更加接近實(shí)際效果,可啟用噪波修改器,拖動參數(shù)條至適當(dāng)位置；

4) 添加表面細(xì)分修改器以及置換修改器,表面細(xì)分參數(shù)不宜過大,選2即可；置換修改器紋理選擇云絮,簡單調(diào)試紋理的尺寸深度以及強(qiáng)度數(shù)值即可為模型添加山體的逼真效果；

5) 為山體賦予材質(zhì)以及加載環(huán)境高分辨率環(huán)境貼圖,在火山口部位和通道內(nèi)部設(shè)置自發(fā)光屬性模擬巖漿溢流時(shí)的效果；

6) 使用Blender自帶的粒子系統(tǒng)模擬火山噴發(fā)時(shí)的噴出物,分別使用直徑為3～5 m、0.1～1 m和0～0.1 m的3種不同尺寸的粒子效果模擬火山噴出物中的火山集塊,火山角礫與火山灰,如圖2所示。

圖2 基于Blender的火山活動建模Fig.2 Volcanic modeling based on Blender

4 渲染及動畫展示

4.1 關(guān)鍵幀動畫

采用關(guān)鍵幀法制作動畫,在右側(cè)渲染設(shè)置中調(diào)整視頻格式為24幀/s,畫幅為720×480像素。在主窗口下方拖出時(shí)間線窗口,選擇要調(diào)整的模型軌道,添加相機(jī)和日光并調(diào)整適當(dāng)?shù)慕嵌?為環(huán)境光影、材質(zhì)屬性和粒子系統(tǒng)在不同位置插入關(guān)鍵幀,模擬演示真實(shí)過程。調(diào)整模型的旋轉(zhuǎn)縮放與坐標(biāo),插入關(guān)鍵幀后調(diào)整關(guān)鍵幀屬性,使動畫變得流暢自然。按照同樣方法對每個(gè)模型進(jìn)行操作。在主窗口鍵入“i”,選擇“位置+旋轉(zhuǎn)+縮放”,右鍵“創(chuàng)建關(guān)鍵幀”。

用鼠標(biāo)將時(shí)間線移動到20幀,重復(fù)上述步驟,先移動時(shí)間軸位置,然后調(diào)節(jié)物體的移動旋轉(zhuǎn)或縮放到需要的狀態(tài),最后鍵入“i”創(chuàng)建關(guān)鍵幀。以此類推,每隔一定幀數(shù)創(chuàng)建關(guān)鍵幀并做調(diào)整,就可制作需要的模型動畫效果,最后通過“Alt+a”播放查看動畫效果。

4.2 渲染設(shè)置

使用Blender自帶的渲染引擎Cycles,為平衡動畫的輸出效果與消耗的時(shí)間,經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),在開啟試驗(yàn)特性并選擇GPU(Graphics Processing Unit)計(jì)算時(shí),調(diào)整為128位渲染采樣,32位視圖時(shí),4次最小光線反彈,光照閾值為0.01時(shí)效果最好。

完成動畫所有關(guān)鍵幀的插入后,在右邊的屬性中選中“渲染”。在下面的“輸出”中可以選擇渲染輸出的保存路徑位置。選擇渲染輸出的類型,默認(rèn)是PNG(Portable Network Graphias),選擇以視頻格式輸出。完成設(shè)置后,點(diǎn)擊頂部菜單中的“渲染”----“渲染動畫”,也可“Ctrl+F12”快捷鍵進(jìn)行渲染輸出,效果如圖3所示。

圖3 Blender模型渲染效果展示Fig.3 Rendering output based on Blender

5 結(jié) 語

基于Blender軟件的數(shù)字地質(zhì)科學(xué)專業(yè)本科生科研訓(xùn)練方式具有很大優(yōu)勢：既培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行三維地質(zhì)建模、四維地質(zhì)過程動態(tài)模擬等實(shí)際操作能力；同時(shí)又在一定程度上解決了傳統(tǒng)地質(zhì)教學(xué)過程中的概念模型難以展示,野外教學(xué)又受天氣、場地和經(jīng)費(fèi)等問題[19-20]限制。Blender作為一款開源的動畫設(shè)計(jì)軟件,在設(shè)計(jì)行業(yè)有著較為成熟的表現(xiàn),但在地質(zhì)領(lǐng)域尚未發(fā)揮出其出色的能力,因而需要更多的教師和學(xué)生們的共同努力,利用軟件的強(qiáng)大功能開發(fā)出適合地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際的教學(xué)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,經(jīng)過Blender實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練的學(xué)生能更快掌握地質(zhì)現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律,在輔助教學(xué)方面有很大幫助。在未來的工作中,仍需進(jìn)一步考慮如何將更多的信息技術(shù)手段融入到數(shù)字地質(zhì)科學(xué)專業(yè)本科生科研訓(xùn)練方法中。