基于Blender的工业三维动画制作研究

张朔华，王兰，兰福全，戴嘉庆，周忠祥，张茄新

（1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；
2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；
3.西部钻探工程有限公司 准东钻井公司，新疆 克拉玛依 834009）

工业三维动画以其高效率、直观、美观、经济的特点，在产品展示、市场营销、员工培训等领域发挥了越来越大的作用。国内对工业三维动画的市场需求是不断增长的，对这方面的研究也在陆续进行。栗世尧等[1]针对CINEMA 4D软件在工业仿真动画中的应用进行了说明，详细论述了CINEMA 4D在工业三维动画制作中的易学、快速的特点。梁艳霞等[2]针对3D Max软件对钻机施工的仿真动画进行了说明，梳理了基于3D Max的工业三维动画制作流程。梁娟等[3]针对Blender软件进行了地震波传播仿真模型的研究，提供了三维仿真技术以及程序脚本插件对地震波传播进行模拟的方案。Blender有着流程集成化的特点，本文以石油钻机天车装配动画制作为例，讲解如何应用Blender进行工业三维动画全流程的制作。

Blender的特点为：非商业软件，开源免费；
采用集成化的工作流程，拥有建模、动作编辑、雕刻、渲染、后期合成等模块；
适应Linux、Mac OS、Windows平台，有着跨平台高兼容性；
拥有基于Python的BPY工具包，扩展性强；
内置效果杰出的Eevee光栅化渲染器。

工业三维动画制作一般采用工业CAD软件或影视三维软件进行建模及动作编辑，然后输入渲染软件中或使用渲染器插件进行渲染，再由后期剪辑软件进行合成。整个过程需要建模、渲染、后期3种以上软件进行配合。多种软件协同配合造成了较多的经济成本、学习成本。而Blender的优势正解决了这些缺点。同时Blender内置的Eevee渲染器只需极少的硬件及时间资源即可渲染出优秀的作品，能大大加快制作流程。

2.1 明确展示目标、建立沟通

首先要明确动画的展示目标。展示目标直接决定了镜头脚本设计。以钻机天车装配为例，展示目标包括产品装配过程、外观效果展示、使用方法演示、工艺细节演示、客户特殊需求。营销人员必须与动画设计师建立良好的沟通，避免对展示目标的误解，以免造成人力物力的浪费。

同时要注意动画设计师往往只是计算机应用及影视创作方面的专家，对产品的机械及控制原理等特点并不一定熟悉，因此制作过程中往往需要各领域技术人员的协助。技术人员与动画设计师需交流明确机构的运行方式、产品运行的流程、产品控制的流程并需要特别注意的产品细节。

2.2 镜头脚本设计

通过前期准备过程中所明确的展示目标，进行脚本设计。针对产品动作的连续性、逻辑性、重要性进行判断与梳理，对部件的运动过程预留时间范围。当产品动作先后顺序分明、具有连续性时，宜采用一镜到底的方式进行创作，避免观者注意力的浪费。当产品动作存在穿插或是在逻辑上互相制约时，宜采用多镜头并行展示的方式进行创作，即在同一时间节点采用小窗口或分屏的方式展示多个镜头信息，增强观者对产品各部分运动间逻辑关系的感知。以钻机天车的装配为例，镜头脚本设计如表1所示。

表1 钻机天车装配动画镜头脚本

2.3 收集现有的三维资产

三维资源是指动画设计师已经拥有的三维模型、三维场景布置、灯光设置、材质贴图、材质参数等。工业三维动画制作时所需要的三维模型大都是机械设备模型，这类模型在企业中往往已由工程部门创建过NURBS模型。合理运用这部分已有的NURBS模型三维资源可以大大缩短工作流程，将动画设计师的精力集中至创作本身。当然也可以应用从互联网中收集到的各类其他三维资源，将他人的艺术表现成果融入创作中，不过这个过程最好经过原作者的同意。

通过外部软件导入Blender进行处理时，推荐采用.OBJ的格式。这是一种针对产品渲染的通用格式，可以将物体按照材质分组或零件分组进行输出。

应用三维资产时，因为各个的三维资源往往通过不同的软件创立，因此需要通过软件进行整合，合并至最终选定的软件工作流程中。

应用三维资源时比较容易遇到的问题：如何将NURBS模型与Polygon网格模型合理转化。要注意NURBS模型转化为Polygon网格模型时，若设置不当，则将生成大量冗余的点线面。软件自动转化生成的Polygon网格模型注定不会有优秀的布线结构。在进行接下来的网格编辑操作中，恶劣的布线结构将会导致诸多错误，极有可能使得创作过程寸步难行。因此在转化过程中必须进行优化。

3.1 模型搭建

模型搭建需要针对主要设备、周边环境、操作人员、影视特效进行。

1）主要设备。主要设备的模型可以通过收集到的现有三维资源获得。针对钻机天车装配动画，应收集主滑轮、机架、轴承、辅助滑轮、栏杆等。对动画中需出现但未能收集到的模型，可采用Blender的Modeling选项卡进行直接建模。

2）周边环境。周边环境的模型设计取决于对展示目标是否有所帮助，若没有特殊需要，可不必制造过于复杂的周边环境，但务必创建平面以充当地面。若没有地面则将无法产生物体在地面上的投影，这会使得物体仿佛悬浮在空中，大大影响动画的真实性与产品的体积感。必须要创建周围环境的模型，如花草树木、地形地貌、山丘矿石等。需要注意这类环境模型单独来看虽然面数不多，但要想有理想的效果往往需要进行大量复用，比如若想要创建草地的场景模型，需要创建多个单株小草，再通过软件算法将其随机放置在平面上。这就会产生数万甚至数十万的面，严重占用硬件资源，所以最好使用贴图以代替模型。值得一提的是，随着计算机图形技术应用的发展，程序化纹理生成、场景生成插件正快速迭代，使用置换贴图等方式快速形成建筑物群、建筑墙体的方法已并不少见。相信对于环境场景的生成，很快就能普及更加高效、更加合理的方法。

3）操作人员。生物体的模型创建是极其复杂的工程，需要动画设计师大量的知识经验与时间，成本极其高昂。对工业装备的三维动画没有必要将过多的精力集中于这里。因此可以尽量省略操作人员的模型，转而通过使用语言叙述、文字描写来达到相同的叙事效果即可。若只有使用操作人员模型动画才能达成展示目标，可适当使用互联网中的三维资源，当然需要经过原作者的允许。在选择操作人员模型时，需注意模型形象是否符合场景，尽量不让观者感到突兀。还需注意操作人员三维模型的网格布线结构是否正确，以及是否进行了符合要求的骨骼绑定。以保证操作人员模型能做出合理的、符合人体运动能力的动作，且运动过程中不会破面或穿模。

4）特效模型。针对工业生产的三维动画中可能会用到焊接火花、物体爆炸、水流运动、物体破碎等效果。影视特效类三维软件对这一类动画效果都有专门的模块，实际操作流程均是大同小异。例如在Blender中若想做出焊接火花的效果，可通过粒子模块实现，在想要出现火花的位置设置粒子发射器，并调节粒子材质、重力及生命周期即可。想要获取水流起伏的效果，可先创建物体，赋予物体半透明材质，再将噪波纹理贴图赋予物体材质的置换通道即可。而爆炸及破碎效果均有专门的修改器进行创建。

3.2 动作编辑

基于Blender进行动作编辑的方法，基本分为以下几种类型：

1）通过运动表达式的方式，例如采用正弦函数来控制物体的周期性运动。

2）可以通过关键帧记录的方式，记录物体在不同时间点所处的位置、缩放大小、旋转角度，软件可自行模拟出物体如何在两个时间点的不同状态间转换。

3）采取骨骼绑定的方式，可分为正向运动学（FK）和反向运动学（IK）两种形式。正向运动学即通过骨骼动作实现运动目标。反向动力学即通过动作目标计算骨骼动作。

4）通过设定父对象的方式，对物体进行绑定，再通过关键帧记录的方式进行有运动关联的零件的动作编辑。

5）通过GeometryNode几何节点，以nocode形式进行编程，不仅可以控制物体位置，还可以做出程序化形变效果。

3.3 摄像机动作设置

摄像机的创建应以完整展示产品细节为目的，根据镜头脚本设计的不同，可能出现镜头推进、拉远、跟随、环绕等表达方式。需注意镜头切换时是否突兀，镜头移动时轨迹路线及运动速度是否适当，是否能给观者合理的观看感受。这个过程需要动画设计师反复实验、调整以获得合适的效果。

在Blender中针对摄像机动作，可以通过物体约束属性选项卡中的添加物体约束来实现，如图1所示。其中最常用的约束类型为标准跟随约束、跟随路径约束及复制变换约束。

图1 约束选项卡

1）标准跟随约束。可使摄像机根据自身轴向，始终朝向某个物体，无论物体如何移动。适合进行摄像机目标的锁定，可制作镜头推进、拉远效果。

2）跟随路径约束。可使摄像机在某曲线目标上进行移动。配合标准跟随约束，适合制作环绕镜头效果。

3）复制变换约束。可复制其他摄像机的全部位置信息。当使用了多个摄像机，需要制作一镜到底的效果时，可通过复制变换约束复制前一个摄像机的全部位置信息作为当前摄像机的运动起点。

3.4 灯光设置

Blender中的灯光按照射光线分散方式的不同主要分为点光、面光、聚光、日光及HDRI全局光照。光线的不同照射方式、照射角度、光源颜色、强度及照射范围共同影响了产品展示的明暗、氛围及表面反射效果。灯光选择的好坏不仅影响着渲染结果的优劣，决定了观感的艺术性，更能直接决定产品展示时物体的体积感，这是由于人肉眼对物体体积感的识别就是依靠对物体明暗关系的识别[4]，如图2所示，在两物体均为正立方体的前提下设置灯光，左侧物体的明暗关系明显分为3个梯度，肉眼很容易识别其大体形状，而右侧物体明度梯度不明显，因此难以识别。在设置灯光时，务必使物体表面出现合理的分层级的明度变化。一般来讲，物体顶部45°光配合HDRI全局光照是较为优秀的选择。

图2 打光效果对比

3.5 材质设置

不同渲染器对材质的设置参数不尽相同。在Blender的Shading选项卡中，提供了多种材质节点，能满足对物体材质、各类贴图、世界环境的全面控制。当对任意物体进行材质创建后，将会默认创造一个原理化BSDF（双向散射分布函数）材质节点。若没有特殊贴图需求，此材质节点可以模拟出几乎所有工业三维动画中所需要的材质效果，而且数值简单、修改方便、效果直观。

原理化BSDF节点编辑器是基于迪士尼BSDF的改进版本。采用“金属度/粗糙度”的PBR（基于物理着色）流程，可使用极少参数带来较为真实的效果，如图3所示。

图3 原理化BSDF材质节点

对各项参数介绍如下：微表面反射光照模型算法的选择包括GGX、多重散射GGX；
次表面散射算法的选择包括克里斯坦森-伯利、随机游走（固定直径）、随机游走；
基础色决定材质漫反射颜色或金属色；
次表面对漫反射及次表面散射结果按比例进行混合；
次表面半径决定次表面颜色偏向，默认模仿肤质颜色；
次表面颜色决定次表面固有色；
次表面IOR决定次表面折射程度；
次表面各向异性决定次表面反射方向；
金属度决定材质是否为金属，一般只会采用0或1的数值；
高光决定物体表面的对环境光的反射强度；
高光染色即物体表面对周围环境光的反射会进行染色的程度，金属物体默认会对反射光完全染色，因此当金属度数值为1时高光染色设置无效果；
糙度决定表面粗糙程度，即反射的分散程度，由于使用微表面处理算法，糙度也会使边缘出现一定逆反射现象；
各向异性过滤影响表面反射强度的方向变化，产生类似于金属加工的纹理；
各向异性旋转对各向异性过滤的结果进行旋转；
光泽指通过对边缘产生微小高光生成布料效果；
光泽染色指对边缘微小高光进行染色；
清漆指模仿汽车车体表面清漆的效果；
清漆粗糙度决定清漆表面反射的分散程度；
IOR折射率指物体对后方入射光线的方向影响程度；
透射指物体透明度；
透射粗糙度指光线在进入物体表面后的散射程度；
自发光（发射）指物体自发光的色彩；
自发光强度指物体作为光源的发光强度；
Alpha指物体透明通道，设置为0即物体完全透明。

针对钻机天车装配的材质，一般为表面喷漆的金属材质。可以在金属度为0、高光程度为0.5、粗糙度程度为0的基础上进行设置。以此材质参数配合HDRI光照贴图，能生成美观真实的效果。

3.6 渲染设置

Blender内置了Cycles及Eevee两种渲染器，也可以通过插件加载其它类型的渲染器。其中Cycles属于离线物理渲染，通过模拟光线投射路径计算光线反射的真实效果，特点是光影效果非常真实，设置参数较少，但渲染速度较慢。Eevee属于即时非物理渲染，因其光栅化的渲染特性，只需极小采样率，即可获得无噪点且体积感饱满的效果，光影效果一般但速度极快，可以做到所见即所得，但想达到与Cycles近似的光影效果，所需设置的参数也较为复杂。为加快工作流程，一般采用Eevee渲染进行视窗预览，再由Cycles进行最终成片渲染。若对渲染光影效果要求不高，也可直接使用Eevee进行渲染[5]。

在渲染设置基本相同、采样率同为128的情况下，以帧序列方式进行渲染。以Cycles渲染器进行，开启OpenImageDenoise降噪，用时13.15 s即可实现令人满意的效果，同时物体自身投影、阴影反射效果均十分真实，如图4所示。使用Eevee渲染器进行，所需时间仅为1.45 s，时间缩短为原来的11%，但物体表面缺少自身投影、反射细节，如图5所示。

图4 Cycles渲染示例

图5 Eevee渲染示例

以钻机天车装配动画为例，展示目标在于零件间的实验、检验过程与装配顺序，对光影效果要求不高，只需美观地展示产品体积感与材质、配色即可。因此在此使用Eevee渲染器进行最终渲染以节约渲染成本。最终1552帧图像仅用了24.6 min即渲染完成。

3.7 后期成片阶段

Blender中针对影片合成剪辑的Video Editing模式可对影片进行基本的剪辑、合成及特效添加处理。能高效地完成绝大多数后期合成工作。

通过Blender的Video Editing模式进行后期的合成剪辑的基本流程如下：

1）将帧序列以PNG或TIFF格式导入，生成视频片段并按照时间逻辑组合。

2）在对应的时间节点配以声音与字幕。

3）通过改变透明度选项或添加特效片段的方式增加转场效果。

4）输出合适的文件格式。

合成中，需要注意每个分镜头中，视频片段长短与配音片段长短互不相同。因此字幕出现的时机与配音出现的时机需手工调整，以获得合理的信息传达效果。合成结果片段如图6所示。

图6 结果片段截图

目前计算机图形应用从市场拓展到技术革新都十分迅速，对硬件的要求及经济成本、时间成本都在不断降低，从方方面面渗透入了传统制造业，是制造业的有力辅助手段。

本文基于Blender软件讨论针对工业三维动画的制作方法。详细说明了准备过程中的注意事项和具体操作过程中的主要工具及参数应用。介绍了在工业三维动画的制作中如何合理利用Blender集成化、高效率的优势。在未来的研究中，将进一步深入针对Eevee即时渲染技术的应用，设法通过Blender界面编程，生成更优秀的产品三维展示解决方案。

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