CN110163936A - 应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术 - Google Patents

Abstract

应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示表达手法和细节表现进行策划；实景拍摄是指将CAD设计方案转换坐标导入导航地图，作为无人机航拍线位参考依据；摄像机运动轨迹反求是指利用Adobe‑After‑Effects软件进行视频画面抖动处理将画面稳定、AE自动完成摄像机反求的运算，运算完成后视频上会出现各种跟踪点；三维动画制作主要包括有3DMAX建模、灯光材质和动画渲染；视频后期合成主要包括有色彩校正、提取通道合成和去除跟踪点。运用实拍视频合成技术表达项目的设计方案，让人们感受到强烈的临场感。

Description

应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术

技术领域

本发明涉及工程项目施工领域，尤其是一种应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术。

背景技术

铁路建设项目勘察设计投标汇报过程中，方案介绍部分是标书评审方以及业主关注的重点。线路方案设计专业性强，涵盖专业多，若在汇报展演中采用传统方式，存在语言描述苍白，图片切换呆板，平面媒体表达不直观，缺乏身临其境的真实感等局限性。随着计算机图像技术CG和数字媒体的不断发展，计算机三维动画与实景拍摄技术都有长足进步，这为三维动画与实拍视频的合成技术(以下简称实拍视频合成技术)提供了可能性，该项技术在三维动画的科技震撼效果和真实场景的视觉表现力上具有绝对优势，它极大地丰富了影视作品的创作手段，并且在电影制作上日益普遍，如果将这一影视特效技术应用于工程设计领域，一定能够全方位、多视角的展示方案设计的合理性，给评标团队以及业主带来强烈的临场感。

目前工程项目领域采用的技术有三维可视化系统，利用谷歌影像或航飞影片进行数据处理生成三维场景，利用航飞影像或谷歌影像数据搭建三维场景，再根据专业需要进行外业房屋纹理照片采集、制作精细化模型或参数化通用模型。其缺点是：数据处理及建模周期长、场景内影像不够清晰、模型不够美观。近两年倾斜摄影的引进虽然能够解决以上问题，但是成本高、技术不成熟、自动生成模型不够完整、破面较多需要大量人工修补。实拍视频合成技术直接省去场景搭建和人工建模工作量，提升综合表现力，将实景与线路方案完美融合，以现场拍摄的场景为基础，叠加线路方案及其他专题信息、再搭配三维动画(设计构筑物、桥遂、交通流量、列车、虚拟人物)，能更加真实地展现工程建成后的效果。以深圳地铁项目为例：实拍视频合成技术具有可创作空间广阔、表现形式新颖、场景更具有震撼效果的优点，同时，使用无人机拍摄不仅降低航飞成本，而且提高了工作效率，有效规避因航飞气象条件不佳造成工程延期的风险。采用该技术完成并且能够提供最新的全线4K高清影像素材，为决策者提供更科学的分析和评判依据，更加提高了勘察设计的质量和效率，充分展现企业在项目投标阶段的轨道交通区域规划、工程方案比选、造价控制多方面的技术实力和科研创新潜力。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，包括有脚本策划编写、实景拍摄、摄像机运动轨迹反求、三维动画制作和视频后期合成；脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示表达手法和细节表现进行策划；实景拍摄是指将CAD设计方案转换坐标导入导航地图，作为无人机航拍线位参考依据；摄像机运动轨迹反求是指利用Adobe-After-Effects软件进行视频画面抖动处理将画面稳定、AE自动完成摄像机反求的运算，运算完成后视频上会出现各种跟踪点；三维动画制作主要包括有 3DMAX建模、灯光材质和动画渲染；视频后期合成主要包括有色彩校正、提取通道合成和去除跟踪点。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

(1)利用Adobe-After-Effects软件自带灯光点光源设置及Trapcode-particular粒子插件将发射器类型选择为灯光，粒子灯光命名与图层外灯光命名保持一致。通过摄像机运动轨迹反求结果得到控制点。根据视频里不同长度的里程设置A.B.C.D.E.F.G位置标记，将多时间段控制点位置信息赋予粒子控制的灯光，达到点连线生成不同长度、颜色准确位置的线位。

(2)在视频中利用Adobe-After-Effects软件通过摄像机运动轨迹反求结果得到控制点，然后多选跟踪点创建实底作为铺垫，将特效描边附加进去，将实底选择透明，利用软件自带钢笔工具在实底上进行不同颜色线位绘制(地铁、高铁线路走向)。

(3)通过项目的实践。已完成的项目如：杭州地铁10号线一期工程方案简介(线路全长15.1公里、设车站12座)、深圳市城市轨道交通14号线工程(线路全长52.5公里、设车站15座)、克塔铁路铁厂沟至塔城段设计说明(线路全长190公里设车站4座)，实拍视频合成技术将实景与线路方案完美融合，以现场拍摄的场景为基础，叠加线路方案及其他专题信息，远期再搭配三维动画(设计构筑物、桥遂、交通流量、列车、虚拟人物)，能更加真实地展现工程建成后的效果。这一技术可广泛应用在工程项目的前期投标、方案评审、方案演示等诸多方面，为决策者提供更科学的分析和评判依据，大大提高工程设计的质量和效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

具体实施方式

下面将更详细地描述本公开的示例性实施例。提供这些实施例是为能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，包括有脚本策划编写、实景拍摄、摄像机运动轨迹反求、三维动画制作和视频后期合成；脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示表达手法和细节表现进行策划；实景拍摄是指将CAD设计方案转换坐标导入导航地图，作为无人机航拍线位参考依据；摄像机运动轨迹反求是指利用Adobe-After-Effects软件进行视频画面抖动处理将画面稳定、AE自动完成摄像机反求的运算，运算完成后视频上会出现各种跟踪点；三维动画制作主要包括有3DMAX建模、灯光材质和动画渲染；视频后期合成主要包括有色彩校正、提取通道合成和去除跟踪点。

脚本策划编写

脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示表达手法和细节表现进行策划，主要包括：整体思路、编写分镜头脚本、如果实景中需要用到三维动画、实拍前场景中需要设置跟踪点。本次总体设计汇报采用宣传片形式汇报，其中车站部分运用实景动画诠释和完美表达。首先，依据整体构思编写分镜头脚本，内容包括镜头调度、构图形式内容，是前期实景拍摄和后期制作的依据。分镜头设置需自然、合理，简洁明快，言简意赅。后期三维动画部分拍摄前需要制定跟踪计划，在场景中人工设置若干跟踪点，便于后期摄像机运动轨迹反求软件进行跟踪。为反求软件能更精准的捕获这些点，选择拍摄画面环境颜色形式强烈反差的红色作为跟踪点的颜色。本次汇报针对每个路段或车站的特点，分别确定拍摄角度与构图形式。

实景拍摄

将CAD设计方案转换坐标导入导航地图。作为无人机航拍线位参考依据。针对市场不同无人机可直接将线位导入无人机进行设置自动完成线路高清视频拍摄、通过将方案导入谷歌地球作为制作参照。拍摄时使用的大疆系列专业4K航拍无人机，使用它可以得到清晰和精准的素材画面，视频的压缩格式为MOV，此外，在拍摄时用到三维动画需要记录分镜头拍摄焦距的参数，供后续三维动画制作中使用。拍摄时需要注意的问题：①尽量防止拍摄时的抖动，需要提前安排好拍摄角度位置；②尽量选择光线比较稳定的时段，飞行时及时调整画面，避免过曝意外。

摄像机运动轨迹反求

利用Adobe-After-Effects软件进行视频画面抖动处理将画面稳定、AE会自动完成摄像机反求的运算，运算完成后视频上会出现各种跟踪点。1.利用Adobe-After-Effects软件自带灯光点光源设置及Trapcode-particular粒子插件将发射器类型选择为灯光，粒子灯光命名与图层外灯光命名保持一致。通过摄像机运动轨迹反求结果得到的控制点。根据视频里不同长度的里程设置A.B.C.D.E.F.G位置标记将多时间段控制点位置信息赋予粒子控制的灯光达到点连线生成不同长度、颜色准确位置的线位。2.在视频中利用Adobe-After-Effects软件通过摄像机运动轨迹反求结果得到的控制点然后多选跟踪点创建实底作为铺垫将特效描边附加进去、将实底选择透明利用软件自带钢笔工具在实底上进行不同颜色线位绘制。根据设计方案在不同位置添加矢量元素如文字、图片、视频动画、三维动画。为使三维素材更好的融入实拍影片，需用到摄像机运动轨迹反求技术。该技术很好地解决实景跟三维合成的匹配问题，其原理是根据画面中像素的明度、饱和度、色相三大要素筛选出画面中特征的像素，并踪踪这类像素的运动轨迹，获得对应该画面实拍摄像机的运动轨迹和参数变化，用这些参数来控制3DMAX虚拟摄像机的运动，“重现”实景拍摄过程。选择的跟踪软件为 Autodesk-Match-mover。在引入前，要把mov格式的视频文件渲染成PNG格式的图片序列帧(Match-mover只支持序列帧格式)。将素材导人后期处理软件After-Effects，设置图片尺寸为1920*1080，帧速率为24，输出格式为PNG序列帧，渲染输出。

三维动画制作，包括有3DMAX建模、灯光材质和动画渲染。

3DMAX建模

对于车站、高架桥对象，为达到到真实再现之目的，以CAD工程图纸数据为基础，完全依据其设计尺寸来搭建空间三维模型。对于数量庞大的树、建筑参照元素，采用frosetpro、 muhscatter、greeble插件，结合C4D、mocha、pftrack、boujou这四款软件，利用其程序化功能，完成树群摆放、建筑群生成，为场景的合理性再现做充分的准备。

灯光材质

采用目前流行的vray渲染器下阳光系统模拟光照效果，vray的太阳光能够在全局光照的条件下模拟真实自然阳光的照射和阴影效果，很符合项目对真实性的要求。根据每个具体的场景调节参数，可以控制动画主体与环境的明暗关系对比，更好的烘托主体。工程场景往往尺度体量巨大，即使采用中高分辨率贴图，也经不起近距离观看，如采用程序贴图或采用提高分段数的方法来处理，又会带来重复数过多，人工痕迹明显。所以在项目中采用综合贴图的方法，将场景模型分成近远两大模块，远处的贴图采用程序贴图方法，近处的用于局部特写的场景，采用高分辨率按真实纹理绘制的肌理贴图，达到较真实再现环境的要求。

动画渲染

将利用跟踪软件捕获的摄像机信息导入3DMAX，使虚拟摄像机跟真实摄像机的运动保持一致。根据脚本规定的镜头长度和构图要求来确定动画的设置，精确恰当的控制动画帧数，使动画风格简洁明快。最后进行渲染，生成为rpf格式，并开启景深通道。

视频后期合成

视频后期合成主要分为色彩校正、提取通道合成、去除跟踪点等步骤。色彩校正：主要调整场景中的实景拍摄以及三维动画中的主体颜色，通过在AE中调节光线的色温，能够使 CG与实拍影像更好融合，协调短片的整体色调。提取通道合成用于实现三维素材模型的动画主体表现、模型阴影、模型环绕光和景深细节效果。通过阴影增强画面的真实感，往往成为决定三维与实景完美融合的关键因素。在AE中通过Alpha通道提取3DMAX图层，通过色阶滤镜的使用，模拟真实阴影衰减的效果。合成中运用环绕光效果，模拟现实世界中光线照射到物体的边缘部分产生的弯曲，让前景与背景更好融合。在制作时，利用AE中的镜头模糊特效，模仿摄像机的景深效果，根据depth通道中的数值来精确定义镜头的模糊焦距，从而获得更真实的镜头模糊效果。

视频后期合成还包括有主题鲜明的剪辑、符合要求的背景音乐、字幕、渲染输出高清MP4 格式视频。

实施例

本发明以制作完成深圳市城市轨道交通14号线工程总体设计方案汇报为例，阐述运用实拍影像合成技术的实现方法。

项目概况：深圳市城市轨道交通14号线工程(线路全长52.5公里、全部为地下线、全线设站15座、其中枢纽站3座、换乘站9座、标准站3座、全部为地下站、全线平均站间距3.5km、最大站间距6.4km、最小站间距1.6km、车辆基地按一段一场布置分别为昂鹅车辆段、公园南停车场，为更生动、真实、直观地展示方案的合理性，在介绍线路重点车站时不同角度进行大范围航拍，满足方案比选需求。运用实拍视频合成技术表达项目的设计方案，让人们感受到强烈的临场感。三维动画与实拍影像合成技术的实现分为：脚本策划编写、实景拍摄、摄像机运动轨迹反求、三维动画制作和视频后期合成五个部分。

尽管已经对上述各实施例进行描述，但本领域内的技术人员一旦得知基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书所作的效结构或效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，包括有脚本策划编写、实景拍摄、摄像机运动轨迹反求、三维动画制作和视频后期合成；

所述脚本策划编写是指在制作前对整个多媒体演示表达手法和细节表现进行策划；

所述实景拍摄是指将CAD设计方案转换坐标导入导航地图，作为无人机航拍线位参考依据；

所述摄像机运动轨迹反求是指利用Adobe-After-Effects软件进行视频画面抖动处理将画面稳定、AE自动完成摄像机反求的运算，运算完成后视频上会出现各种跟踪点；

所述三维动画制作主要包括有3DMAX建模、灯光材质和动画渲染；

所述视频后期合成主要包括有色彩校正、提取通道合成和去除跟踪点。

2.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述脚本策划编写包括：确定整体思路、编写分镜头脚本、确定实景中需要用到三维动画、设置实拍前场景中的跟踪点；

确定整体思路：总体设计汇报采用宣传片形式汇报，其中车站部分运用实景动画诠释和完美表达；

编写分镜头脚本：依据整体构思编写分镜头脚本，内容包括镜头调度、构图形式，是前期实景拍摄和后期制作的依据；分镜头设置需自然、合理，简洁明快，言简意赅；

确定实景中需要用到三维动画：针对每个路段或车站的特点，分别确定拍摄角度与构图形式；

设置实拍前场景中的跟踪点：后期三维动画部分拍摄前需要制定跟踪计划，在场景中人工设置若干跟踪点，便于后期摄像机运动轨迹反求软件进行跟踪；为反求软件能更精准的捕获这些点，选择拍摄画面环境颜色形式强烈反差的红色作为跟踪点的颜色。

3.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述实景拍摄中，针对市场上不同型号的无人机，可直接将线位导入无人机进行设置，自动完成线路高清视频拍摄，通过将方案导入谷歌地球作为制作参照；拍摄时使用大疆系列专业4K航拍无人机，得到清晰和精准的素材画面，视频的压缩格式为MOV；在拍摄时用到三维动画需要记录分镜头拍摄焦距的参数，供后续三维动画制作中使用。

4.根据权利要求3所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述实景拍摄中，要防止拍摄时的抖动；提前安排好拍摄角度位置；选择光线比较稳定的时段，飞行时及时调整画面；

利用Adobe-After-Effects软件自带灯光点光源设置及Trapcode-particular粒子插件将发射器类型选择为灯光，粒子灯光命名与图层外灯光命名保持一致；

通过摄像机运动轨迹反求结果得到控制点，根据视频里不同长度的里程设置、位置标记，将多时间段控制点位置信息赋予粒子控制的灯光，达到点连线生成不同长度、颜色准确位置的线位；

在视频中利用Adobe-After-Effects软件通过摄像机运动轨迹反求结果得到控制点，然后多选跟踪点创建实底作为铺垫，将特效描边附加进去，并将实底选择透明，利用软件自带钢笔工具在实底上进行不同颜色线位绘制；

根据设计方案在不同位置添加矢量元素，如文字、图片、视频动画、三维动画；为使三维素材更好的融入实拍影片，需用到摄像机运动轨迹反求技术。

5.根据权利要求4所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述摄像机运动轨迹反求中，根据画面中像素的明度、饱和度、色相三大要素筛选出画面中特征的像素，并跟踪这类像素的运动轨迹，获得对应该画面实拍摄像机的运动轨迹和参数变化，用这些参数来控制3DMAX虚拟摄像机的运动，“重现”实景拍摄过程。

6.根据权利要求5所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述摄像机运动轨迹反求中，选择的跟踪软件为Auto-desk-Match-mover；在引入前，把mov格式的视频文件渲染成PNG格式的图片序列帧，将素材导入后期处理软件After-Effects，设置图片尺寸为1920*1080，帧速率为24，输出格式为PNG序列帧，渲染输出。

7.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述3DMAX建模中，对于车站、高架桥的对象，以CAD工程图纸数据为基础，完全依据其设计尺寸来搭建空间三维模型；对于数量庞大的树、建筑参照元素，采用frosetpro、muhscatter、greeble插件，利用其程序化功能，完成树群摆放、建筑群生成。

8.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述灯光材质中，采用vray渲染器下阳光系统模拟光照效果，根据每个具体的场景调节参数，控制动画主体与环境的明暗关系对比；采用综合贴图的方法，将场景模型分成近远两大模块，远处的贴图采用程序贴图方法，近处用于局部特写的场景，采用高分辨率按真实纹理绘制的肌理贴图，达到真实再现环境的要求。

9.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述动画渲染中，将利用跟踪软件捕获的摄像机信息导入3DMAX，使虚拟摄像机跟真实摄像机的运动保持一致；根据脚本规定的镜头长度和构图要求来确定动画的设置，精确恰当的控制动画帧数，使动画风格简洁明快；最后进行渲染，生成为rpf格式，并开启景深通道。

10.根据权利要求1所述的应用于工程项目中的三维动画与实拍视频合成技术，其特征在于，所述视频后期合成中，分为色彩校正、提取通道合成、去除跟踪点；

所述色彩校正：主要调整场景中的实景拍摄以及三维动画中的主体颜色，通过在AE中调节光线的色温，能够使CG与实拍影像更好融合，协调短片的整体色调；

所述提取通道合成，用于实现三维素材模型的动画主体表现、模型阴影、模型环绕光和景深细节效果；

所述去除跟踪点，在AE中通过Alpha通道提取3DMAX图层，通过色阶滤镜的使用，模拟真实阴影衰减的效果；合成中运用环绕光效果，模拟现实世界中光线照射到物体的边缘部分产生的弯曲，让前景与背景更好融合；在制作时，利用AE中的镜头模糊特效，模仿摄像机的景深效果，根据depth通道中的数值来精确定义镜头的模糊焦距，从而获得更真实的镜头模糊效果；

视频后期合成还包括有主题鲜明的剪辑、符合要求的背景音乐、字幕、渲染输出高清MP4格式视频。