一種虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實領域，特別涉及流體特效在虛擬舞臺中的制 作方法。
【背景技術】
[0002] 隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的舞臺藝術或單一的電影藝術形式已經(jīng)愈加的無 法滿足觀眾的需求，虛擬舞臺技術應運而生。計算機圖形學在電影工業(yè)制作中的應用日趨 成熟，如今的影視特效技術能夠逼真的將人們的想象力具現(xiàn)化；而在互動性和表現(xiàn)力方面， 傳統(tǒng)的舞臺藝術有著得天獨厚的優(yōu)勢。如何將兩種迥然相異的藝術形式，在現(xiàn)有技術格局 的基礎上進行有機的結合，成為擺在我們面前的新課題。
[0003] 流體特效作為特效技術中最復雜同時也是最具表現(xiàn)力的部分，一直是研宄的熱 點。在現(xiàn)有技術的基礎上，如果將流體特效應用于虛擬舞臺中，會產(chǎn)生一個嚴重的問題：與 周圍環(huán)境的不契合。若將三維特效軟件中制作的流體特效直接導入游戲引擎的話，那么在 實際舞臺演出時，其會無法避免的與現(xiàn)場的布景、燈光效果發(fā)生交互；而我們預先制作的流 體卻無法表現(xiàn)出這種光影反應，將直接造成沉浸感的缺失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，以解決在虛擬舞臺 的應用中，流體特效與舞臺環(huán)境的融合問題。在不破壞實時性的前提下，使流體特效與舞臺 環(huán)境實現(xiàn)契合，提高沉浸感。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是： 一種虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，包括如下步驟： 1) 在虛擬舞臺的流體特效生成處，進行多角度、多亮度的舞臺環(huán)境的圖像采集； 2) 利用采集所得圖像，合成流體所在位置的全景的HDRI(HighDynamicRange Image)； 3) 使用合成的HDRI作為虛擬環(huán)境光源的環(huán)境光源貼圖，渲染生成流體特效，輸出序列 幀； 4) 使用游戲引擎中的粒子發(fā)射器生成精靈粒子，將生成的序列幀作為其貼圖，得到適 用于虛擬舞臺的流體特效效果。
[0006] 作為優(yōu)選，步驟1)中所述的流體特效生成處是指所要生成流體的邊界幾何體的中 心點；多角度的舞臺環(huán)境圖像采集是指，以所述中心點為坐標系原點、舞臺朝向為Z軸正方 向、垂直向上方向為Y軸正方向構建三維笛卡爾坐標系，分別朝X軸、Y軸、Z軸的正、負方 向，共計6個方向拍攝圖像；多亮度的舞臺環(huán)境圖像采集是指，在6個方向上，都要采集10 組不同亮度的環(huán)境圖像。
[0007] 作為優(yōu)選，步驟2)中所述的利用采集的圖像合成HDRI的具體過程為：分別將步驟 1)得到的每個方向上的10組不同亮度的8位（0-28)低動態(tài)范圍的RGB圖像合成為一張32 位（0-232)的高動態(tài)范圍的HDRI;在邊界變形忽略不計的情況下，將合成后的6張HDRI最 終合成一張全景的HDRI。
[0008] 作為優(yōu)選，所述步驟3)具體為：首先在三維特效軟件中對相應的流體效果進行建 模仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，得到表示流體的Mesh化網(wǎng)格數(shù)據(jù)；使用全局環(huán)境光源照明；將合成 的HDRI作為環(huán)境光源的貼圖，計算入射光在流體網(wǎng)格表面的反射部分和折射部分，以序列 幀的形式渲染輸出結果。
[0009] 作為優(yōu)選，步驟4)中所述游戲引擎中的精靈粒子是指模擬流體運動的粒子群，可 被透明面片所替代；而渲染所得序列幀作為面片的貼圖，生成適用于虛擬舞臺的流體特效 效果。
[0010] 本發(fā)明所述的虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，采用舞臺環(huán)境的全景HDRI作為流體特效渲染時的環(huán)境光源貼圖，其所生成的序列幀在導入游戲引擎后，能夠與 實際舞臺環(huán)境有效契合，在不破壞實時性的情況下，增強了沉浸感。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本實施例虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法流程圖； 圖2為本實施例方位映射示意圖； 圖3本實施例所得到的流體特效圖。
【具體實施方式】
[0012] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施，并參照附 圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0013] 圖1示出了虛擬舞臺環(huán)境下流體特效制作方法的流程圖。如圖1所示，本實施例 的虛擬舞臺環(huán)境下流體特效制作方法包括如下步驟： 步驟1):在虛擬舞臺的流體特效生成處，進行多角度、多亮度的舞臺環(huán)境的圖像采集。
[0014] 選擇與演出時間相同的時間段進行彩排，令舞臺燈光布景等效果與正式演出時無 異。所述的流體特效生成處是指所要生成流體的邊界幾何體的中心點，在待生成的流體特 效的中心點架設三腳架，水平擺放相機，將圖像模式設置為RAW，即所生成圖片為8位RGB 圖。以舞臺正前方為前向基準，分別在前、后、左、右、上、下這六個方向拍攝十張不同亮度的 圖片。圖2不出了方位映射的不意圖。
[0015] 為了得到僅亮度不同圖片，應在方位不變的前提下，快速的調(diào)整相機的感光度 (ISO值)和光圈級數(shù)（Fstop值)，即盡量控制其他變量，僅改變圖片的曝光值，從而得到不同 亮度值的圖像。可設置多組亮度值進行采集，從中選取出10組亮度差異較為明顯的圖片。 原則上，高亮度圖片應含有明亮場景的細節(jié)，如陽光；低亮度圖片應含有陰暗場景的細節(jié)， 如陰影。表1為不同亮度所對應的感光度和光圈級數(shù)的參考數(shù)值組合。
[0016] 表1:不同亮度所對應的感光度和光圈級數(shù)的參考數(shù)值組合
步驟2):利用步驟1)中所得到的圖像，合成流體所在位置的全景的HDRI。
[0017] 從步驟1)采集的圖像中，選取出6X10幅圖像作為合成全景HDRI的原始素材。原 始素材為8位的低動態(tài)范圍圖像，每個方位的10張圖像通過降噪、對齊、消除重影等步驟被 合成為一張32位的光譜圖，該光譜圖以浮點數(shù)的形式記錄了原始素材中的所有信息；對光 譜圖進行色調(diào)映射處理（ToneMapping)，生成包含豐富細節(jié)和生動色彩的HDRI。具體實施 時，使用軟件HDRShop即可生成6張不同方位的高動態(tài)范圍圖像。
[0018] 將這6張HDRI再次導入到HDRShop中，調(diào)用Panoramic變換；因為舞臺環(huán)境比較 寬闊，可以忽略邊界的細微變形，所以可將6方位經(jīng)煒圖轉換為全景圖，從而得到一張全景 的高動態(tài)范圍貼圖。
[0019] 步驟3):將步驟2)得到的全景HDRI作為虛擬環(huán)境光源的環(huán)境光源貼圖，渲染生 成流體特效，輸出序列幀。
[0020] 以一個沙灘漲潮的特效場景為例，在三維特效制作軟件Houdini中生成一個類似 海面的面片，賦給這個面片一個SparseConvolution噪聲，令其模擬海水的運動；以此面 片作為粒子發(fā)射器，發(fā)射海水粒子；使用FLIP(FluidImplicitParticle)算法結算海水 粒子，生成Mesh化的網(wǎng)格，即為海水的主體。
[0021] 為這個場景添加一個環(huán)境光源，將步驟2)所得到的全景HDRI作為這個環(huán)境光源 的貼圖，進行渲染，輸出海水漲潮的特效鏡頭的序列幀，格式選擇TIFF(TaggedImageFile Format)格式。圖3示出了在Houdini中，以沙灘全景圖為環(huán)境光源貼圖的流體特效制作效 果。
[0022] 步驟4):使用游戲引擎中的粒子發(fā)射器生成精靈粒子，將步驟3)所得到的特效序 列幀作為其貼圖，得到適用于虛擬舞臺的流體特效效果。
[0023] 在游戲引擎CryEngine中，生成一個海水粒子發(fā)射器，調(diào)整其精靈粒子的大小，使 其動態(tài)與步驟3)中的海水漲潮效果相適應，用步驟3)所生成的特效序列幀作精靈粒子的 貼圖，最終實現(xiàn)了一個與舞臺環(huán)境契合的海水漲潮特效。
[0024] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護 范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1)在虛擬舞臺的流體特效生成處，進行多角度、多亮度的舞臺環(huán)境的圖像采集； 步驟2)利用采集所得圖像，合成流體所在位置的全景的HDRI; 步驟3)使用合成的HDRI作為虛擬環(huán)境光源的環(huán)境光源貼圖，渲染生成流體特效，輸出 序列幀； 步驟4)使用游戲引擎中的粒子發(fā)射器生成精靈粒子，將生成的序列幀作為其貼圖，得 到適用于虛擬舞臺的流體特效效果。2. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，其特征在于，所 述步驟1)中： 流體特效生成處是指所要生成流體的邊界幾何體的中心點； 多角度的舞臺環(huán)境圖像采集是指，以中心點為坐標系原點、舞臺朝向為Z軸正方向、垂 直向上方向為Y軸正方向構建三維笛卡爾坐標系，分別朝X軸、Y軸、Z軸的正、負方向，共計 6個方向拍攝圖像； 多亮度的舞臺環(huán)境圖像采集是指，在6個方向上，都要采集10組不同亮度的環(huán)境圖像。3. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，其特征在于，所 述步驟2)中： 利用采集的圖像合成HDRI的過程為，分別將步驟1)得到的每個方向上的10幅不同亮 度的8位低動態(tài)范圍的RGB圖像合成為32位的高動態(tài)范圍的HDRI;在邊界變形忽略不計 的情況下，將合成后的6張HDRI最終合成一張全景的HDRI。4. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，其特征在于，所 述步驟3 )中： 首先在三維特效軟件中對相應的流體效果進行建模仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，得到表示流 體的Mesh化網(wǎng)格數(shù)據(jù)；使用全局環(huán)境光源照明；將合成的HDRI作為環(huán)境光源的貼圖，渲染 生成流體特效，以序列幀的形式渲染輸出結果。5. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬舞臺環(huán)境下的逼真流體特效制作方法，其特征在于，所 述步驟4)中： 游戲引擎中的精靈粒子是指模擬流體運動的粒子群，渲染所得序列幀作為其貼圖，生 成適用于虛擬舞臺的流體特效效果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于虛擬舞臺環(huán)境的逼真流體特效制作方法，包括：1）對舞臺環(huán)境進行多角度、多亮度的圖像采集；2）利用采集圖像，合成流體所在位置的全景HDRI(High Dynamic Range Image) ；3）將所得HDRI作為虛擬環(huán)境光源的環(huán)境光源貼圖(Environment Map)，渲染生成流體特效，并將特效鏡頭以序列幀的形式輸出；4）使用粒子發(fā)射器生成精靈（Sprite）粒子，將序列幀作為其貼圖，得到適用于虛擬舞臺的流體特效效果。本發(fā)明所述的方法適用于在虛擬的舞臺上生成逼真的流體效果，能有效的解決傳統(tǒng)流體特效與實際舞臺環(huán)境不契合的問題，在保證了實時性的前提下，增強沉浸感。
【IPC分類】G06T13/00
【公開號】CN104899913
【申請?zhí)枴緾N201510241281
【發(fā)明人】郎孚博, 王政, 王雨萌, 徐波
【申請人】中國科學院自動化研究所, 中國科學院浙江數(shù)字內(nèi)容研究院
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年5月13日