基于实时渲染技术的飞机涂装动画展示

罗啸宇

（上海飞机客户服务有限公司工业设计所，上海 200241）

基于实时渲染技术的飞机涂装动画展示

罗啸宇

（上海飞机客户服务有限公司工业设计所，上海 200241）

本文通过研究3D实时渲染技术的特点，创造了飞机涂装展示动画的制作方法，提出了针对Lumion软件的工作流程，并介绍了制作方法。新方法极大地提高了3D动画制作的效率，节省了大量的时间。

实时渲染；飞机涂装；Lumion；3D动画

0.引言

随着数字化技术不断发展和进步，3D动画以它独特的优势越来越受到关注。产品以3D动画形式展示比静态图片展示更加直观、生动。但传统3D动画的制作需要投入大量的人力物力和时间，还需要顶级的计算机集群进行渲染计算。但当GPU的概念出现至今，其图形运算速度已经是CPU的几十倍甚至几百倍，基于GPU技术的3D实时渲染技术经过近10年来的井喷式发展，越来越多地应用于飞机设计、航空模拟训练设备、飞机工业设计等领域。

本文以3D实时渲染在飞机外表涂装设计的应用作为出发点，介绍了实时渲染的基本工作步骤、常用的实时渲染软件的使用领域和特点。并结合展示飞机外表涂装的特殊要求，确定了针对Lumion软件的工作流程。通过实际项目应用，详细介绍了通过3D实时渲染技术制作飞机外表涂装展示动画的方法。

1. 3D实时渲染

1.13D实时渲染定义

3D实时渲染又可以称作实时绘制，是指系统在一个确定的时间内完成场景中各个物体的位置和姿态的计算与图像的绘制，并随着用户视点改变快速刷新画面，其刷新的速度要求达到人眼觉察不到闪烁（画面更新速度至少应达到24fps）；同时要求系统对用户的外部输入立即做出响应，并同步更新相应的场景及事件，实现用户与系统的实时交互。

1.23D实时渲染的特点

（1）渲染速度快

传统意义上，如果要将渲染过程称作3D实时渲染，那么渲染画面的速度起码要超过6帧每秒。大多数视频游戏中，渲染速度要求保持在30帧每秒以上。

（2）渲染质量好

渲染质量是衡量图形应用系统的一个重要指标。渲染质量可以由很多方面来衡量。如画面质量，分辨率大小等。

3D实时渲染技术就是为了使应用系统能够达到这两个特点而提出来的。

1.3基于3D实时渲染的飞机涂装设计工作内容

在图形显示引擎基础上进行开发的3D实时渲染技术，可以提供真实效果的3D虚拟飞机涂装产品和效果配置功能。对3D虚拟飞机涂装产品的光照、融合、雾化、纹理以及丰富材质具有高品质的渲染效果。通过具有支持实时的，真实效果的高品质渲染模块，可以生成出用于广告宣传、产品演示、电子样机评审的极具真实感的效果图和展示动画。可提供GIF、TIFF、JPEG等图像文件格式的输入输出接口以及MP4等视频文件格式的输出接口。

2. 3D实时渲染软件

2.1常用实时渲染软件

常用的3D实时渲染软件有Lumion、Patchwork3D、KeyShot和Vray-RT，它们根据使用领域的不同各有侧重。

（1）Lumion

由ACT-3D公司出品，具有导入3DsMax内容和完备的材质编辑功能；真实地环境光照和气候系统；内置的视频编辑器。适合快速地制作带有气候的室外动画场景和建筑景观演示动画。

（2）Patchwork3D

由Lumiscaphe公司出品，具有导入Catia、Cad等工业模型和逼真的材质编辑功能；真实地全局光照和点光源系统；具有同屏方案对比功能。适合工业产品配色和纹样设计；产品演示动画；实时方案对比等。

（3）KeyShot

由Luxion公司出品，相对前两款软件而言，最大的不同在于其自身没有集成渲染引擎，而是通过CPU或GPU执行光线追踪计算，来达到静帧状态的实时渲染，每当画面有变动时就必须重新计算。主要用于工业设计。

（4）Vray-RT

由Chaosgroup公司出品，性能与KeyShot相似，主要应用于室内设计，建筑设计。

Lumion因其具有真实地环境光照、气候系统和内置的视频编辑器，所以更适合制作飞机外表涂装展示动画。

2.2Lumion软件介绍

Lumion于2010年11月发布至今仅4年，便大量应用于景观环境设计和建筑设计行业，它的出现极大地提高了设计可视化的效率，甚至革新了设计流程。设计师不必花大量的时间和金钱去制作效果图和动画，而是将这些工作流程简化并结合在了一起，使设计师能更专注于设计本身。

（1）主要功能模块

Lumion具有以下6个主要模块：气候编辑、场景编辑、导入导出自定义模型、材质编辑、动画编辑以及内置模型库。

（2）硬件要求

Lumion对硬件的需求并不高，最新4.0版本仅需64位Windows7或Windows8操作系统，4核Xeon CPU，16GB内存，QuadroK4000显卡级别的图形工作站就可流畅运行。

3. 基于Lumion软件的飞机外表涂装设计实时渲染工作流程

基于Lumion软件的特性和操作方法，飞机外表涂装的工作流程如图1所示，具体步骤如下。

（1）涂装贴图制作

首先将涂装设计方案制作成.jepg格式的贴图文件。

（2）3D模型建模与优化

由于Lumion没有模型建立功能，并且只能读取几何多边形模型，因此需通过建模软件如Catia、Rhinoceros、Alias、3DsMax等等建立3D模型并转为几何多边形格式。所建立的模型几何多边形越多，模型就越精细，那么对计算机的硬件要求也越高，可能导致最终渲染不流畅。因此优化模型几何多边形数量就尤为重要，维护好模型精度和GPU之间的平衡，以较小的硬件代价实现较高的画面质量。

（3）新建场景与模型导入

为了创造一种身临其境的感觉，建立效果真实的场景异常重要。Lumion预设9种不同的场景以满足不同的需求。在新建场景中将外部3D模型导入，调整好3D模型与场景的比例、位置关系，保证整体环境的真实感。

（4）场景光照设置

光影效果是直接决定场景是否真实的重要因素。对于室外场景而言，场景的全局光源设置是基础。Lumion拥有强大的虚拟阳光系统，它可以真实地表现场景在白天、黄昏或者夜晚的光影效果。而对于室内场景，除了全局光源外Lumion也具有完善的局部的点光源系统，可以表现如台灯、吊灯、射灯等光影效果，能带来更真实的效果。

（5）材质编辑

材质是表现3D模型真实感的重要因素，Lumion具有完备的材质编辑功能，通过编辑材质的颜色、反射率、光滑度等，来营造真实的3D模型。

（6）动画制作

通过Lumion的动画编辑功能，不用设置繁琐的关键帧。就可以简单并且直观的设置定点摄像机镜头，实时预览生成的动画。

（7）添加动画特效

Lumion具有强大的视频特效编辑功能，可以添加太阳特效、体积云特效、镜头光晕特效等等，还可以添加片头片尾的文字特效，并且具有非常丰富的滤镜效果。

（8）影片输出

Lumion可以输出多种分辨率的MP4文件和序列图片。并且支持3D影片的输出。

4. 某型飞机外表涂装实时渲染示例

针对国产某大型客机外表涂装的实时渲染设计展开了应用。具体过程如下。

4.1模型格式转换与优化

（1）在3DsMax内，导入某型飞机气动数模文件并转化为可编辑多边形。进行优化多边形数量时，面阈值设置为4或更高，勾选自动边线，并注意不要产生破面。

（2）使用UVW贴图编辑器，调整机体各部件的贴图位置与大小。

4.2场景建立与模型导入

（1）在新建场景菜单下选择White场景，设置云量为0。

（2）打开模型导入编辑器，导入某型飞机.max文件，调整模型高度至500以上，因为之后使用的体积云特效最小产生高度为100，若模型高度低于500，飞机将会被体积云所覆盖。

4.3材质编辑

（1）进入编辑材质模式中加载3DsMax模型贴图

（2）调整机身、大翼、垂尾等漆面部件材质。设置反射率为0.2、反射衰减为1、光泽度1、菲涅耳衰减为1.2、边缘衰减为5。调整驾驶舱玻璃和舷窗玻璃材质。设置反射率为0.1、反射衰减为1、光泽度0.3、菲涅耳衰减为0.7、边缘衰减为0。调整发动机开口边缘、涡扇、发动机尾椎等金属部件材质。设置反射率为0.1、反射衰减为0.6、光泽度0.012、菲涅耳衰减为2.1、边缘衰减为0。

（3）将所有材质设置完毕后，保存某型飞机.mtt材质包。

4.4动画录制

（1）进入动画编辑模式，新建自定义录制视频，调整摄像机焦距为24mm。

（2）在lumion中，制作动画需要由多个不同角度的定点摄像机位置路径生成的。因此根据需要的角度设置定点摄像机，完成后预览动画并调整定点摄像机位置。

4.5添加动画特效

（1）添加太阳特效，此特能精确调整太阳在场景中的方位、角度和亮度，为保证在动画中能看到太阳，增加真实感。调整太阳高度为0.27；调整Y轴位置为0.26。

（2）添加体积云特效，此特效能真实的表现飞机在云层上空飞行的效果。云层数量参数越大云层越厚重，因此设置数量为0.4～0.6为宜；云层高度设置为250；云层柔化设置为1。

（3）添加雾气特效，此特效能表现远景的云雾效果。雾气密度设置为1.7；雾气衰减设置为0.4；雾气亮度这是为1。

（4）镜头光晕特效，此特效能真实地表现阳光照射在摄像机镜头上产生的光晕。鉴于可调整的选项较多，因此主要调整几个关键选项即可，光斑强度设置为1；光斑衰减设置为1.8；泛光强度设置为0.5；光环强度设置为0.01；镜头污迹强度设置为1。

（5）添加体积云特效，此特效能真实的表现飞机在云层上空飞行的效果。云层数量参数越大云层越厚重，因此设置数量为0.4～0.6为宜；云层高度设置为250；云层柔化设置为1。

（6）添加云彩特效，此特效主要调整天空背景的亮度和高空薄云的数量和形状。高空云设置为0.3；云彩亮度设置为0.1；天空亮度设置为0.6。

（7）渐入/渐出特效，此特效能为动画片头和片尾生成黑色或白色的渐入/渐出画面效果，渐入/渐出持续时间可根据影片需要调整，这里设置参数均为1s。

4.6导出动画影片

（1）选择保存动画，设置FPS为60，每秒帧数越高画面越流畅，但相应渲染时间越久，最高可以设置为200。

（2）设置画质为产品级。画质分为3级，草图级不渲染全局光，云彩和体积云等特效；一般品质级不渲染云彩、体积云等特效；产品级为全特效16倍抗锯齿渲染，画面品质越高渲染的时间越久。

（3）设置影片分辨率为1080P。lumion提供360P、720P、1080P、1440P 4个级别的分辨率，分辨率越高渲染的时间越久。

（4）渲染影片，影片大致为1分钟，需要两个小时渲染，而传统动画渲染则需要20个小时以上。

结论

本文研究基于3D实时渲染技术在飞机涂装设计领域的应用，创新了飞机涂装展示动画的制作方法。针对基于3D实时渲染技术的Lumion软件，提出工作流程。通过应用于飞机涂装动画展示项目，介绍使用方法，并分析参数设置，得出影响效果的关键参数设置。为飞机涂装设计展示提供高效快捷的方法。

［1］毛华庆.基于GPU优化的三维实时渲染技术的研究［D］.武汉大学，2010.

［2］张宇.实时渲染中环境映射技术的研究与应用［D］.电子科技大学，2012.

［3］周文明.基于3DSMAX、VRAY软件的电影级三维动画场景创作［D］.山东大学，2012.

［4］张毓茜.真实感三维场景中实时渲染特效的研究与实现［D］.电子科技大学，2012.

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