关于三维动画在一种“模块化应急避难设施”中的应用

0 引言

三维建模技术在当下社会有着广泛应用，涉及平面设计、动画制作等诸多领域。随着国家和企业对数字化转型变得日益重视，传统依靠图纸和实物模型的工作流程渐渐显现出成本高、耗时长等问题 [1]，相较而言，采用“建模加渲染”的数字化工作流程有优势。把三维建模软件与工业软件结合，能更高效准确地获取产品结构强度数据，开展统筹分析与仿真应用，然而当前在房屋设计领域，这类工作流程的应用仍比较有限，本文以“模块化应急避难设施”为例，对其设计流程做全面的建模与渲染分析，探寻数字化技术在房屋设计中的实际应用价值。

1 概述

1.1 Blender 软件概述

Blender 是一款历经三十余年发展的开源三维建模与渲染软件，在计算机图形学领域有着突出的技术优势，此软件运用轻量化架构设计，给出从建模直至渲染的完整流程解决办法，支持借助Python 脚本达成深度定制化开发，和传统三维制作流程里运用 Rhino、Cinema 4D 或者 NX 等专业建模软件搭配Unity/Unreal Engine 5渲染引擎的多软件协作方式相比，有效规避技术难题。

1.2 概述

此模块化应急避难设施是专门针对灾后人员紧急安置以及临时庇护需求所设计，运用标准化功能模块组合架构，有着可快速部署以及灵活配置的特性。它的核心连接技术将传统榫卯结构与现代磁吸装置相融合，达成了结构稳定性与组装便捷性的统一。该设计全面考量了灾后应急场景的特殊需求[3]，在结构可靠性、环境适应性以及操作便利性等设计方案均处于行业领先水平。

图1 六种板型

图2 收纳状态

2 基于 Blender 的建模

2.1 基础部分建模

在基础建模这个环节当中，核心操作主要有顶点位移以及几何体缩放等这类基础变换操作，要注意的是，在建模过程里要严格控制模型的拓扑结构，建议采用以四边形为主的布线策略，依据 Blender 的网格处理特性，应当尽量避免使用三角形面片，这是因为三角形面片可能致使细分曲面等修改器应用时出现不规则的变形效果，并且在后续渲染环节，三角形面片容易引发 UV贴图展开异常以及光照计算失真等问题，影响最终的视觉表现效果[4]。建议在建模过程中实时检查并优化网格拓扑结构，保证模型拥有良好的可编辑性以及渲染适应性。

采用榫卯加磁吸的结构，“A1 型墙板”和 ⁶⁶A2 型墙板”连接时要考虑榫卯结构，为此用“燕尾榫”连接，“燕尾榫”主体部分单独建模，墙板结合处用“布尔运算修改器 - 减法运算”做出固定“燕尾榫”的凹槽，“燕尾榫”本体可用“布尔运算修改器 - 加法运算”或“合并”功能与原本墙板合并成同一物体。“A2 型墙板”与“B1 型墙板”结合的榫卯部分用同样方法，“B1型墙板”与“门”的接合用更小的“燕尾榫”。

图 3 小型“燕尾榫”

3 利用Cycles 渲染引擎对“避难设施”渲染

Cycles 是 Blender 自带的一款渲染引擎，它功能颇为强大，当完成“避难设施”的基础建模工作之后，要为模型挑选适宜的贴图，接着开展 UV 展开操作，也就是在“编辑模式”下选定打算投射的面，可手动对贴图作出调整。

图4 “A1 型墙板”智能UV 投射图

3.1 贴图设置提升真实度

一般情况下，多数会运用“噪波纹理”与“颜色渐变着色器”来调控模型贴图中“糙度”这一参数，如此便能让模型呈现出更为十分突出的局部光泽差异，也就是看上去更“斑驳”，或者直接与“光泽 BSDF”相结合，生成随机散布的“污渍”，依靠这两种方式可使模型看起来不那么崭新。

当为模型进行贴图操作时，针对“Roughness” 这一项准备两张贴图，其中一张是模型贴图原本就有的粗糙度贴图，另一张则是单独的“Imperfection”贴图，此贴图专门用于记录如“划痕”“指纹”等各类“瑕疵”，依靠运用“混合转换器 - 颜色”来融合这两张贴图，可提高模型“做旧”的效果。借助“噪波纹理”以及“颜色渐变转换器”作为两者混合的系数，以此提升混合效果。

图 5 混合方式

3.2 一种更为高效的 HDRIs 贴图的应用方式

一般在相关应用当中，使用 HDRIs 贴图大多时候是将其作为“世界背景- 颜色属性”来运用的，借助 HDRIs 贴图自身所带的光照，便无需再自行去设置别的光源了，另外在“世界环境着色器编译器”这种条件之下，依靠使用 Blender 自带的“天空贴图”来对“太阳强度”、“海拔”等参数进行调节，同样可实现与前者相同的效果，也就是说这两者同为 HDRIs 贴图，实际上并没有本质方面的差异。

然而在这样的设置情形下，世界环境当中的所有模型都会呈现出一种“浮空”的效果，为了对这种现象给予解决，一般会在模型的底部额外构建一个充当“地面”的平面，不过因为很难寻觅到与 HDRIs 贴图地面部分相一致的贴图，难以避免地会让渲染出的地面部分显得有些突兀，即便把作为地面的平面进行较大程度的延展，也会由于摄像机的“裁剪结束点”存在限制，超出该距离的部分就不会在渲染结果中呈现。

除了运用模型针对地面平面与 HDRIs 贴图交界的部分实施遮挡操作，以及特意对摄像机角度给予调整之外，另外存在一种全新的方案可用来解决相应的问题。

HDRIs 贴图并非只能应用于“天空贴图”的环境之中，创建一个经纬球，选取其下半部分的点，借助“缩放至”功能把选中的点移至一个平面，在此步骤要留意使用“快捷键 S-Z-0”来进行缩放，若为图方便直接采用移动工具，会致使模型的贴图出现异常扭曲。

随后运用 Blender 自带的插件“Node Wrangler”，将 HDRIs 贴图直接加载到“颜色”项目中，在物体属性的“可见性 - 射线可见性”这一项里，取消对“阴影”这一项的勾选，接着旋转物体，使得内部的天空贴图与外界天空的光影方向大致保持一致即可。

图 6 使用“HDRIs 贴图”的球体与其内部

这种处理方式并非毫无瑕疵，它存在的最大问题是，当摄像头高度过高，也就是贴近球体顶部时，视角会出现明显扭曲，类似使用了广角模式，虽说提升摄像机焦距的毫米数能在一定程度上解决问题，但不可避免会对视图产生影响，另外过长焦的镜头同样无法在较大球体内部使用。

更为严重的是，这样的处理方式会致使贴图边缘的图像产生一条颇为十分突出的折痕，需要借助调整半球的折角位置以及增添倒角来解决，正是因为这个缘故，作为背景的图像相较于正常的 HDRIs 图像会显得更远，这使得这种方法基本上仅能适用于较小条件环境的 HDRIs 贴图，像室内条件下使用，不然过于空旷的图像难以达成所需的效果。

另外利用这种方式所渲染出来的图像，其天空部分不可避免地会显得相对黯淡，若添加“自发光 BSDF”并与天空贴图进行混合，在一定程度上或许可增加天空的亮度，然而这仅仅是整体亮度有所提升，在效果细节方面，如“光晕”等一系列效果却无法得以呈现。

图7 最终效果图