辛海霞，田會靜，侯 婕

(中交(天津)生態(tài)環(huán)保設計研究院有限公司，天津 300461)

目前在疏浚行業(yè)中，挖泥船三維動畫仿真研究的重點主要是疏浚船舶操作過程的建模與交互功能的實現(xiàn)[1-5]，針對直接影響三維動畫輸出效果的渲染技術研究較少，其中動畫渲染主要采用3ds Max線性渲染技術，渲染效果在真實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，能夠渲染更真實美觀的三維動畫和效果圖，已應用于建筑外觀、室內(nèi)設計、動畫渲染、工業(yè)造型等多個領域。為促進VRay渲染技術在疏浚三維動畫仿真中的廣泛應用，以反鏟式挖泥船挖巖施工三維動畫VRay渲染為例，研究了基于3ds Max平臺運用VRay渲染技術的關鍵參數(shù)設置，并給出了實現(xiàn)高品質疏浚施工三維動畫渲染的方法和過程。

1 VRay渲染技術原理

渲染[3]是指跟據(jù)賦予物體的材質、所設置的燈光以及大氣效果等，由程序為創(chuàng)建的三維場景拍攝照片或者錄制動畫，將在場景中創(chuàng)建的三維模型及動畫內(nèi)容輸出出來。渲染是三維動畫仿真中一個重要環(huán)節(jié)，能直接影響三維動畫的輸出效果。VRay 渲染器是一款擁有光線跟蹤 (Raytracing)和全局照明(Global Illumination)的高質量渲染軟件，能制作真實的光線跟蹤(反射折射)、半透明材質(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。它具有在渲染細節(jié)上比3ds Max標準材質(Standard)高很多的VRay標準材質——VRayMtl，具有更方便調節(jié)真實反射和折射效果的參數(shù)，能夠獲得更加真實、準確的物理照明。它還具有能夠模擬真實單反相機拍照的VRay物理相機，可通過調節(jié)快門、光圈、感光度等功能參數(shù)來模擬真實成像效果。

VRay渲染技術原理主要基于全局照明(Global Illumination，簡稱GI)，是一種使用直接照明和間接照明來模擬真實世界的光線反彈照射現(xiàn)象的光影效果技術。全局照明(GI)配合燈光可以很真實的模擬真實物理世界的光照效果，這是3ds Max默認的線性渲染器無法實現(xiàn)的，在默認的線性渲染器里只有通過不斷的增補燈光來對這種間接照明的一次反彈和二次反彈效果模擬[6]。

2 疏浚三維動畫仿真主要VRay渲染技術參數(shù)設置和實現(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等設備，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。隨著疏浚工程項目中開挖大量風化巖的情況逐漸增多，堅硬風化巖的開挖給機械能力和開挖效率提出了越來越高的要求，反鏟式挖泥船已越來越多的應用到具有開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畫渲染為例，經(jīng)過反復調試對比，給出了基于3ds Max平臺運用VRay渲染技術實現(xiàn)反鏟式挖泥船挖巖施工三維動畫渲染輸出的重要參數(shù)設置。

三維模型是三維動畫渲染的基礎，反鏟式挖泥船挖巖施工三維動畫主要包括疏浚船舶和施工場景兩大類三維模型。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、鋼樁等結構，其中反鏟挖泥機主要包括鏟斗、鏟臂、液壓裝置、旋轉裝置；施工場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，依次進行反鏟啟動、下放、挖巖、提升、裝駁等各個施工過程的動畫設置。由于三維模型和動畫設置不是本文重點，因此不作詳述。

在3ds Max中正確安裝VRay渲染器后，首先把當前渲染器由3ds Max自身默認的渲染器設置為VRay渲染器，然后再進行VRay材質貼圖、VRay燈光、VRay攝影機設置及VRay渲染輸出等操作。

2.1 VRay材質貼圖設置

利用3ds Max完成三維建模后，通過分析施工場景中各個物體的材質屬性，對其分別設定相應的VRay材質和貼圖來實現(xiàn)真實的顏色以及紋理效果。設置VRay材質的標準是：以現(xiàn)實世界中的物體為依據(jù)，真實地表現(xiàn)物體材質的屬性。材質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。三維模型設置完VRay材質后，再確定是否需要設置貼圖。貼圖是指將具有表面紋理的圖案、圖像添加至三維模型，可以提高材質外觀的真實感和復雜度。

對有反射屬性和折射屬性的模型使用VR材質會比使用3ds Max 的材質真實的多。VRay中反射和折射的強弱是由黑白alpha信息值來決定的，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。

通過分析反鏟式挖泥船施工場景中各個三維模型的材質屬性，按反射和折射強弱可以分為強反射和強折射、強反射和無折射、弱反射和無折射、無反射和無折射四大類材質，經(jīng)過反復渲染調試對比，給出了使反鏟式挖泥船的主要部件及自然場景渲染效果更加逼真的VRay材質參數(shù)設置。

2.1.1 強反射和強折射屬性材質

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

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

2.1.2 強反射和無折射屬性材質

強反射和無折射屬性材質的設置原理是反射強度較大，顏色明度較高，反射顏色設為淺灰色；折射強度為0，折射顏色設為黑色。

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

2.1.3 弱反射和無折射屬性材質

弱反射和無折射屬性材質的VRay材質參數(shù)設置原理是反射強度較小，顏色明度較低，根據(jù)實際反射顏色可設為不同的深灰色；折射強度為0，折射顏色設為黑色(紅：0，綠：0，藍：0)。

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

2.1.4 無反射和無折射屬性材質

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

2.2 VRay燈光設置

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4種類型，可以通過模擬燈箱、發(fā)光片、自然光來達到高品質的渲染效果，具有照亮空間、營造場景氣氛、增強立體感、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，常用來模擬室內(nèi)外燈光，最大的特點是可以自動產(chǎn)生極其真實的自然光影效果，可以設置為純粹的不被渲染的照明虛擬體，也可以被渲染出來。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-太陽最大的功能是模擬真實的室外太陽光，當它和VRay天空或VR-環(huán)境光一起使用時具有自然環(huán)境中天空照明的作用。經(jīng)實踐表明，利用VR-燈光可較好地實現(xiàn)反鏟式挖泥船施工環(huán)境中真實的光照效果。

2.2.2 VR-燈光布設

VR-燈光進行場景照明時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，從主到次，從大到小，盡量按照實際布光，必要時加些補光。為實現(xiàn)反鏟式挖泥船施工環(huán)境中真實的光照效果，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，用來照亮場景中的主要對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創(chuàng)建兩盞VR-燈光作為輔助光源，用來填充被主體光遺漏的場景區(qū)域以及陰影區(qū)，亮度比主體光低20%～50%時效果較好。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，達到增加背景亮度、襯托主體的效果。

2.3 VRay攝影機設置

VRay攝影機包含VRay物理攝影機和VRay穹頂像機兩種，使用頻率最高的是VRay物理攝影機。VRay物理攝影機相當于一臺真實的攝影機，遵循單反相機的調節(jié)方式，有光圈、快門、曝光、ISO等調節(jié)功能，能模擬真實單反相機對場景進行取景，能獨立調整場景亮度和色彩，還能制作運動模糊、景深和散景等特效[8]。首先使用“VRay物理攝影機”工具在視圖中拖曳光標創(chuàng)建一臺VRay物理攝影機，包含攝影機和目標點兩個部件。其次設置VRay物理攝影機旋轉動畫直觀、形象地展現(xiàn)整個施工場景。然后把VRay物理攝影機由遠景切換到近景依次展示反鏟船反鏟啟動、下放、挖巖、提升、裝駁等動畫場景。

2.4 VRay渲染輸出

渲染輸出時主要考慮畫面質量和渲染時間兩個方面，影響這兩個方面的5個決定性因素分別是VRay 渲染器中的材質、燈光、渲染尺寸、圖像采樣器及GI渲染引擎。材質細分值越大，畫面質量就越高，但渲染時間相應就越長；同樣，當燈光細分值越大或渲染尺寸越大時，對應的畫面質量也越高，渲染時間也越長；圖像采樣器中的細分值、噪波閾值參數(shù)主要決定畫面質量和渲染時間，被渲染對象的細分值越大、噪波閾值越小，畫面質量就越高，渲染時間就越長；GI渲染引擎控制包括首次引擎和二次引擎設置，通常分別設置為發(fā)光圖和燈光緩存兩種GI渲染引擎，它們的設定等級、細分、采樣等相關參數(shù)值越大，畫面質量就越高，渲染時間就越長。

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

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

3 工程應用

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

4 結語

以反鏟式挖泥船挖巖施工三維動畫VRay渲染為例，通過分析疏浚施工動畫中各個三維模型的材質屬性，經(jīng)過反復調試對比給出了疏浚船舶反鏟式挖泥船及施工場景的最優(yōu)VRay材質參數(shù)設置，并且具體介紹了基于3ds Max平臺通過VRay材質貼圖、VRay燈光、VRay攝影機設置及VRay渲染輸出實現(xiàn)高品質疏浚施工三維動畫渲染的方法和過程。VRay渲染技術已經(jīng)成功應用于多個疏浚施工三維動畫仿真中，具有一定的推廣價值和良好的應用前景。