化工园区规划方案的计算机三维动画表现

化工园区规划方案的计算机三维动画表现
史诗-李轩彳，李松澄彳
（1.北京工业大学计算机学院.北京数五字多换替 ； 2.北京华福工程有限公司.北京数五字多换替； 3.石油和化学工业规划院，北京数五字多换替） 摘要：计算机三维动画是化工园区规划方案的一种全新的表现形式，本文主要介绍了化工园区三维动画的制
作流程和制作过程所用到的计算机三维动画技术。
关键词：化工园区；规划；模型；计算机应用；三维动画
文章编号：1673-9647（2009）1-2-0036-05    中图分类号：F427.9    文献标识码：A
随着计算机三维动画技术的发展和日益成熟， 其应用也延伸到了很多工业领域。2004年初，石 油和化学工业规划院与北京工业大学计算机学院 合作，尝试将计算机三维动画和三维效果图应用 于化工园区的规划中，借助计算机三维虚拟现实 技术强大的表现力，将规划成果更加清晰、直观 地展现在观众面前。经过几年来几部化工园区三 维动画的研发、制作，用三维动画的形式展示化 工园区规划最终效果成为对规划成果的一种有效 的补充，甚至逐渐发展成为展示规划成果的一个 组成部分。
通过三维动画的展示，观众可以更加直观地 了解未来化工园区的具体情况，例如在真实世界 中不能达到的地点观察还未建成的化工园区，任 意穿梭于复杂的化工装置间，甚至感受化工园区 的建造过程，这些都是传统技术不能达到的表现 效果。结合电影艺术的相关手段，更能给观众带 来赏心悦目的视觉体验。
1化工园区三维动画制作流程
化工园区三维动画可以说就是一部小型的三 维动画电影，只不过它的主角不是人物或者动物 角色，而是化工园区和园区中的装置。三维动画 电影的主要制作流程包括：编写剧本、设计角色、 设计分镜头、根据分镜头建立模型、制作故事板、 制作精确模型、设置详细动作、制作表演动画、 调整场景灯光、渲染、后期制作等步骤。化工园 区三维动画的制作也基本采用这样的流程，但是 没有三维动画电影那样复杂，它只是一个控制在 几分钟之内的一个以化工装置为主要角色的宣传 片，且具有自己的特殊性。其制作流程可归结为：
收集基本资料、撰写解说词、编写分镜头脚本、 建立地形、建立装置模型、制作动画、渲染、后 期处理、合成输出。在这些步骤中，有些部分可 以并行执行，其流程如图1所示。
图1化工园区三维动画制作流程
化工园区三维动画制作流程可分为两个部分： 一是前期准备工作，包括收集基本资料、撰写解 说词和编写分镜头脚本；二是三维动画的制作工 作。在准备工作中，收集基本资料是最基础的， 获得尽量多的可用的参考资料能让化工园区三维 动画有更高的质量，更能精确地突出重点。基本 资料主要包括：化工园区的地形规划图、装置的 参考图片等。化工园区三维动画一般都有解说词， 而这个解说词也就相当于动画电影中的剧本了。 如果需要，还应该将解说词制作成真正的配音， 加入到最后的影片中，这样能获得更好的表现效 果。分镜头脚本主要体现了场景中包括的物体、 视角、动画的运动情况、持续的时间，这些都需 要跟解说词配合，依照解说词来设计。分镜头是 直接指导场景模型和动画制作的，这是十分重要 的一步。
收稿日期：2009-01-06
作者简介：史 诗（1983-）,男，北京市人，硕士研究生，从事计 算机虚拟现实技术的研究工作.
2计算机三维动画制作工具
化工园区三维动画制作软件主要包括：3ds max、Photoshop、Premiere、After Effect 等 0
3ds max是计算机3D数据生成工具中使用比 较普遍的一款软件。无论是三维数据建模还是三 维动闻的编辑,3ds max都具有很强大的功能。它 通过友好、简单的用户界面，向用户提供了模型 建立、材质编辑、动画设置、效果预览、数字光 照控制、渲染等强大的功能。在制作一个三维动 画过程中，有很大一部分工作都是在3ds max中 进行的。
Photoshop是目前最好的平面艺术设计软件之 一，它具备十分强大的图像处理能力。借助于 Photoshop,可以直接从数码照片中获得需要的图 像信息，再将这些信息处理、调整，转化成需要 的模型贴图。将这些贴图应用到三维模型上，能 让模型具有更好的表现效果。
Premiere和After Effect都是用于后期制作。 通过Premiere可以根据脚本对渲染好的视频片段、 声音、图片、文本进行编辑加工，并最终生成动 画影片。Afler Effect则能制作出令人赏心悦目的 特效，增加影片的感染力。
3三维动画技术及化工园区规划表现
3.1地形地貌表现
化工园区周边地形地貌特征对于一个化工园 区来说是关键的环境因素之一，在三维动画影片 中一定要尽量精确地表现。但是受到计算机性能 和工作量的制约，不可能将任何一个细节都表现 出来。因此，要抓住地形地貌明显特征并将其尽 可能准确地表现出来"比较明显的特征包括：海 岸线、山丘、河流、湖泊、高速公路、铁路、港 口、桥梁等等。这些都应该对比地图来创建，以 保证和真实情况尽量接近。
图2为化工园区及周边地区地形地貌表现。 除了化工园区周边的地形地貌，化工园区内部的 地面状况也十分重要。一般使用圆角矩形的“地 块”来代表一个化工装置下的地面，如图2所示。 这些“地块”的码放一定要严格遵照规划地图， 尽可能地减少误差，这样能带来更准确地效果表 现。在制作完这些地面模型后，还要将其附上贴 图，让其看上去更像装置下面的地面。化工园区 及周边的公路是需要在这里进行表现的，从图2 可以看出，每个化工装置下面“地块”之间的缝
隙就是公路，这些公路粗细不组成了链接化 工园区各个装置的公路网络。为『能让道路看起 来更加真实，需要根据实际情况在道路的贴图上 标划提示线，这样通过使用三维建模工具将贴图 加以重复，即可得到比较真实的道路效果。此外, 并不是所有的道路都是一样的宽度，绘制出二三 种道路贴图然后在不同的地方进行应用，能获得 更好的效果。
图2化工园区及周边地区地形地貌表现
将化工园区及周边地区的地形地貌三维模型 进行组合，再加以调整就能得到化工园区的地形 地貌表现效果。还可以在模型中加入一些装饰物， 例如海上的货轮、天上的飞鸟等等，能让画面看 起来更加饱满、生动。
3.2化工装置模型的建立
化工园区三维动画主要展示的是化工园区中 的化工装置和设施，每一套装置、设施的三维模 型都需要由几万甚至十几万的多边形组成。对各 种化工装置、设施建立准确的计算机三维模型是 制作三维动画的基础。图3为某化工园区规划动 画中醋酸乙烯装置的模型展示。
图3化工园区的醋酸乙烯装置模型
任何复杂的装置模型都是由基本的几何造型 构成或是由它们衍变而来的。首先要根据比较详 细的装置资料（工程图纸、图像资料、影像资料） 来创建简单造型，这个造型在外观形状上和资料 大体相同，只是缺乏细节。然后对隐含在该简单 造型中的点、线、面等“次物体”进一步编辑， 使得这个造型更加复杂，也更加接近于图纸；使 用旋转、缩放、平移可以调整所有点、线、面的 位置、尺寸和朝向；使用细分和生长可以制作出
物体的凸起、棱角、褶皱等细节；使用合并功能 可以将简单的造型组合成复杂造型；再借助阵列、 镜像等工具，可以更加准确、快速地生成大规模 的物体。图4是从一个简单造型逐步细化到复杂 造型的过程示意。
制作复杂模型会占用大量的计算机资源和降 低处理速度，因此选用一个适当的精度约束建模 是十分必要的，否则将会出现模型过于复杂而计 算机无法处理的情况。在建模过程中，根据经验 对各类化工装置制订了 一系列的建模规范，如要 求距镜头很近的装置模型，复杂度不得超过5 000 多边形；距镜头中等距离的装置模型，复杂度应 低于1 000多边形；远距离的模型复杂度不得超 过300多边形,.合理的建模规范使得制作流程衔 接紧密，避免了返工现象，节省了制作时间。
图4创建并修改三维模型示意
3.3模型材质贴图
材质是对三维模型表面的花纹和纹理的总称， 是一种特殊的图片，可以通过几何变换映射到模 型的表面上，材质贴图可以说是对3D模型进行 “化妆”，选用合适的材质可以使模型和场景的效 果更加真实。
材质效果一般由多种特性组成，例如高光信 息、漫反射信息、反射信息、折射信息、自发光、 凹凸、镂空（局部透明）等效果。通过使用其中 的一种或几种特性，尽可能逼真地模拟真实材质。 在化工园区的化工装置中，比较常用的是高光信 息、漫反射信息、反射信息、凹凸和镂空。由于 化工装置一般使用金属制造，它的表面会反光， 并且有种类繁多的刻痕、螺钉，所以使用具有高 光、漫反射、凹凸信息构成的贴图就可以实现。 类似梯子、栅栏、金属网等物品则还需要镂空信 息。这些不同特性信息有很多都能通过贴图来实 现。如图5中左图所示，这种图片可以是普通位 图（如BMP、JPEG、TIFF等格式）,也可以是包 含Alpha通道的图片（女0 PNG, TGA格式）。16 位色贴图可以表现物体的漫反射信息，包括颜色
以及花纹，也可以使用8位灰度贴图表现凹凸、 镂空等信息，如图5中右图所示。
图5贴图表现（左图为漫反射信息，右图为凹凸信息）
制作材质贴图是在Photoshop中进行的，通过 观察化工园区场景的实地照片，确定装置和设施 各个组成部分的表面材质类型，如为水泥地绘制 灰暗的材质，为金属管道绘制反光度很高的材 质，为铁丝网绘制带有Alpha透明通道的材质。 在化工园区中一些需要近距离展示的装置模型需 要绘制高精度的材质贴图（1 024像素x 1 024像 素以上）。
3.4数字光照
灯光和照明是营造真实环境的重要环节，使 用了光照后的场景可以显示出正确的景深感和体 积感。如图6所示，上图为不具有光影效果的场 景，下图为具有光影效果的场景。在化工园区的 三维动画表现中，营造了两种光照效果，一种是 模拟白天阳光较强的场景，另一种是模拟夜景。
图6不具有光影效果场景与具有光影效果场景对比
模拟白天场景的数字光照一般使用全局光照 明技术或三点照明技术。全局光照明技术，可以 带来逼真的阳光效果，但这是一种大量消耗系统 内存的照明技术，使用时需要对场景有良好的把 握，才能在系统消耗和光照效果之间找到平衡。 三点照明需要设置主灯光、辅助灯光和补偿灯光。 主灯光用于为建筑设施提供主要照明及投射阴影， 模拟阳光直射的效果；辅助灯光是对主灯光光线
所不及的位置作辅助照明，在背离主光源的一侧 放置辅助灯光，它可以把黑色部分照亮，但不能 投射阴影；补偿灯光的使用取决于主灯光投射的 阴影深度，根据不同情况可设置一盏或多盏泛光 灯对这些阴影进行照明。
使用三点照明营造出近似阳光的效果。但是 化工装置通常是由错综复杂的管道和球冠等组成 的，对于细节丰富的角落还需要大量的补偿灯光 （泛光灯）提供照明，但是泛光灯发散的特性，使 得不同的灯光会相互影响偏离正常的亮度，因此 需要为必要的泛光灯设置“排除集”。排除集可以 让某些装置不受某个灯光的影响，也可以控制它 不产生灯光带来的阴影。
除了微弱的自然光，夜晚化工园区的照明基 本上都是靠园区中成千上万的电灯来获得。在一 定的距离外观察化工园区，可以看到由无数电灯 发出的光，这些光在夜晚的空气中发生折射现象， 呈现在人们眼中就会出现出繁星点点的感觉，如 图7所示。在使用虚拟现实技术模拟这样的环境 时，要从两方面考虑：首先是灯光的实际照明， 由于成千上万的电灯在一定的区域内等效为一盏 亮度较高、作用范围较大的灯光，所以只要使用 少数几盏具有一定的衰减范围且亮度不是很高的 泛光灯，再加上几个模拟低亮度自然光的灯光即 可模拟出夜晚园区的光照环境；其次，为了实现 夜晩园区中成千上万灯光表现出的繁星点点的感 觉，还要使用一些并不起实际照明作用的“假 灯”。实现“假灯”的方法大致分为两种：使用带 有运动场的粒子系统或者使用加入灯光特效且不 作用于任何物体的泛光灯。通过控制它们的颜色、 大小和旋转速度，可以很好地模拟出化工园区千 万盏灯“繁星点点”的效果。实际上这成千上万 的灯中没有一盏是实际光源，只不过看起来更加 真实而已。
图7夜晚化工园区的照明效果
3.5动画生成
当准备好所有的场景后，就可以进入制作动 画的环节。由于化工园区规划的三维动画主角基 本上是静态的化工装置，其本身基本不会发生运 动，所以主要的动画工作集中在进行摄像机动画 的制作上。这里提到的摄像机是三维世界中虚拟 的摄像机，它可以在场景中任意地变换位置进行 拍摄，通过特定的“摄像机视口”，就能看到摄像 机“拍到”的画面，并且可以将这些画面渲染出 来。如果摄像机沿着一个路径进行动画，那么 “拍”出来的也是一段连续的动画影片。正是使用 了这个方法，通过控制摄像机相对于被拍摄物体的 远近和摄像机的运动轨迹，就能实现类似真实地 拉、推、旋转、升降以及不规则运动等镜头运动方 式。制作摄像机动画的根据是分镜头脚本上详细列 出的每个镜头的运动方向、持续时间等信息。
在3ds max中，一段动画会被记录其起点和 终点的关键帧.程序会根据这些关键帧中记录的 数据计算出关键帧之间的插补值，从而生成完整 的动画。“自动关键点”模式是一个比较简单高 效的方法。在打开“自动关键点”模式后，首先 将时间滑块拖到动画的终止时间（不应为0）,然 后对对象进行变换或者更改可进行动画的参数， 这样就会在当前帧敏敏词换替一个关键帧，同时也在第 0帧敏敏词换替一个起始帧。此时，在这两个关键帧之 间就生成了一段动画数据。制作摄像机动画也是 这样的：在“自动关键点”模式下，首先在起点 时间设置一个关键帧，然后将时间滑块拖到摄像 机运动的终点时间位置，对摄像机进行一个变换 （例如位移、旋转）操作，这样，就自动生成了终 点的关键帧，并且可以通过对这两个关键帧的计 算生成中间过程的差值。除了基本的位移、旋转 等变换，让摄像机沿着一个事先制定好的轨道进 行动画也是一种比较常见的形式。
此外，单靠摄像机进行动画未免显得过于单 调，向化工装置中加入一些“活”的元素则能让 画面达到更好的效果。例如电厂烟囱徐徐升起的 水汽、化工装置喷出的蒸汽、转动的风力发电机 组、化工装置的生长动画、天空飞行的飞鸟、海 面上航行的油轮都能为动画带来生气。
3.6渲染
渲染就是将颜色、阴影、照明效果等等加入 到几何体中，并且将三维的场景通过一个观察视
口平面化的过程，这个视口也可以使用摄像机视 口。渲染环节直接关系到最后影片的质量，复杂 的大规模的场景需要花费大量的时间进行渲染。 此外，渲染图像的大小也决定着渲染的速度，渲 染图像的尺寸越大，需要耗费的时间也就越多。 图8左侧的图是没有被渲染的效果，它显示的是 网格信息，便于用户快速地进行编辑，右侧的图 是渲染后得到的具有光影效果的渲染图。
图8渲染前后的效果比较
一般来说，用于动画影片的渲染可分为渲染 图片序列或者动画视频。图片序列又称数字胶片， 它将动画过程中的每一帧保存为一张独立的静态 图片。例如在采用NTSC制式的情况下，1 s包括 30帧图像，一段30 s的动画会保存成900张图 片。这900张图片可以是带有透明信息的PNG或 者TGA格式，也可以是JPG格式。渲染成图片序 列相对于渲染成视频的好处在于，图片序列可以 包含透明信息，这将给后期的制作合成带来很大 便利，并且如果遇到突然断电的情况，渲染的视 频会被中断，且必须重新渲染，而图片序列则可 以从终止的地方继续进行。
3.7合成与后期处理
建模、贴图、制作数字光照、渲染都是制作 三维动画影片的主要过程，但此时还只是具有一
些图片序列或者一些零碎的视频文件，还不能称 之为动画影片，只有将它们组合在一起，加入适 当的配乐和解说音频，才能称其为完整的动画影 片。在这里主要使用的是非线性编辑软件，例如 Premiere首先要导入渲染完成的图片序列、视频 片段、背景音乐、解说音频、静态图片，然后对 这些资源进行剪辑，将他们根据分镜头脚本有机 地结合在一起，最终才能得到一部生动直观的化 工园区规划三维动画影片。此外，还可以在影片 中加入适当的特效，更能令影片赏心悦目。
4结束语
三维动画影片是化工园区规划的一种新的表 现形式，这种新的形式相対于传统的平面效果图、 设计图或模型沙盘具有更强的直观性和视觉感染 力，通过优美的画面、清晰的解说、恰到好处的 背景音乐，让观众在欣赏影片的同时，了解化工 园区的规划重点，把握全局。三维动画影片无疑 是目前化工园区规划的最佳表现形式。
参考文献：
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［2］    Dan Ablan.数字编导与电影技术［M］：徐根成，张哲 蜂译.北京：清华大学出版社，2003： 52—79, 113— 146.
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3D Animation of Chemical Industrial Park Planning
SHI Shi', LI Xuan2. LI Song-chen^
(1. College of Computer Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 数五字多换替. China;
2.    HuaFu Engineeiing Corporation, Beijing 数五字多换替, China；
3.    China National Petroleum & Chemical Planning Inslilute, Beijing 数五字多换替, China)
Abstract: 3D animation is a new way to show cheinical industrial paik planning. In this paper, we introduced the flow to develop the 3D animation of the chemical industrial paik planning, and the 3D animation technology that used in the development process. Keywords: chemical industrial park; planning; models； computer application； 3D animation