一种虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机图形学和虚拟现实领域，特别涉及流体特效在虚拟舞台中的制 作方法。
【背景技术】
[0002] 随着虚拟现实技术的发展，传统的舞台艺术或单一的电影艺术形式已经愈加的无 法满足观众的需求，虚拟舞台技术应运而生。计算机图形学在电影工业制作中的应用日趋 成熟，如今的影视特效技术能够逼真的将人们的想象力具现化；而在互动性和表现力方面， 传统的舞台艺术有着得天独厚的优势。如何将两种迥然相异的艺术形式，在现有技术格局 的基础上进行有机的结合，成为摆在我们面前的新课题。
[0003] 流体特效作为特效技术中最复杂同时也是最具表现力的部分，一直是研宄的热 点。在现有技术的基础上，如果将流体特效应用于虚拟舞台中，会产生一个严重的问题：与 周围环境的不契合。若将三维特效软件中制作的流体特效直接导入游戏引擎的话，那么在 实际舞台演出时，其会无法避免的与现场的布景、灯光效果发生交互；而我们预先制作的流 体却无法表现出这种光影反应，将直接造成沉浸感的缺失。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，以解决在虚拟舞台 的应用中，流体特效与舞台环境的融合问题。在不破坏实时性的前提下，使流体特效与舞台 环境实现契合，提高沉浸感。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的解决方案是： 一种虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，包括如下步骤： 1) 在虚拟舞台的流体特效生成处，进行多角度、多亮度的舞台环境的图像采集； 2) 利用采集所得图像，合成流体所在位置的全景的HDRI(HighDynamicRange Image)； 3) 使用合成的HDRI作为虚拟环境光源的环境光源贴图，渲染生成流体特效，输出序列 帧； 4) 使用游戏引擎中的粒子发射器生成精灵粒子，将生成的序列帧作为其贴图，得到适 用于虚拟舞台的流体特效效果。
[0006] 作为优选，步骤1)中所述的流体特效生成处是指所要生成流体的边界几何体的中 心点；多角度的舞台环境图像采集是指，以所述中心点为坐标系原点、舞台朝向为Z轴正方 向、垂直向上方向为Y轴正方向构建三维笛卡尔坐标系，分别朝X轴、Y轴、Z轴的正、负方 向，共计6个方向拍摄图像；多亮度的舞台环境图像采集是指，在6个方向上，都要采集10 组不同亮度的环境图像。
[0007] 作为优选，步骤2)中所述的利用采集的图像合成HDRI的具体过程为：分别将步骤 1)得到的每个方向上的10组不同亮度的8位（0-28)低动态范围的RGB图像合成为一张32 位（0-232)的高动态范围的HDRI;在边界变形忽略不计的情况下，将合成后的6张HDRI最 终合成一张全景的HDRI。
[0008] 作为优选，所述步骤3)具体为：首先在三维特效软件中对相应的流体效果进行建 模仿真，根据仿真数据，得到表示流体的Mesh化网格数据；使用全局环境光源照明；将合成 的HDRI作为环境光源的贴图，计算入射光在流体网格表面的反射部分和折射部分，以序列 帧的形式渲染输出结果。
[0009] 作为优选，步骤4)中所述游戏引擎中的精灵粒子是指模拟流体运动的粒子群，可 被透明面片所替代；而渲染所得序列帧作为面片的贴图，生成适用于虚拟舞台的流体特效 效果。
[0010] 本发明所述的虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，采用舞台环境的全景HDRI作为流体特效渲染时的环境光源贴图，其所生成的序列帧在导入游戏引擎后，能够与 实际舞台环境有效契合，在不破坏实时性的情况下，增强了沉浸感。
【附图说明】
[0011] 图1为本实施例虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法流程图； 图2为本实施例方位映射示意图； 图3本实施例所得到的流体特效图。
【具体实施方式】
[0012] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施，并参照附 图，对本发明作进一步的详细说明。
[0013] 图1示出了虚拟舞台环境下流体特效制作方法的流程图。如图1所示，本实施例 的虚拟舞台环境下流体特效制作方法包括如下步骤： 步骤1):在虚拟舞台的流体特效生成处，进行多角度、多亮度的舞台环境的图像采集。
[0014] 选择与演出时间相同的时间段进行彩排，令舞台灯光布景等效果与正式演出时无 异。所述的流体特效生成处是指所要生成流体的边界几何体的中心点，在待生成的流体特 效的中心点架设三脚架，水平摆放相机，将图像模式设置为RAW，即所生成图片为8位RGB 图。以舞台正前方为前向基准，分别在前、后、左、右、上、下这六个方向拍摄十张不同亮度的 图片。图2不出了方位映射的不意图。
[0015] 为了得到仅亮度不同图片，应在方位不变的前提下，快速的调整相机的感光度 (ISO值)和光圈级数（Fstop值)，即尽量控制其他变量，仅改变图片的曝光值，从而得到不同 亮度值的图像。可设置多组亮度值进行采集，从中选取出10组亮度差异较为明显的图片。 原则上，高亮度图片应含有明亮场景的细节，如阳光；低亮度图片应含有阴暗场景的细节， 如阴影。表1为不同亮度所对应的感光度和光圈级数的参考数值组合。
[0016] 表1:不同亮度所对应的感光度和光圈级数的参考数值组合
步骤2):利用步骤1)中所得到的图像，合成流体所在位置的全景的HDRI。
[0017] 从步骤1)采集的图像中，选取出6X10幅图像作为合成全景HDRI的原始素材。原 始素材为8位的低动态范围图像，每个方位的10张图像通过降噪、对齐、消除重影等步骤被 合成为一张32位的光谱图，该光谱图以浮点数的形式记录了原始素材中的所有信息；对光 谱图进行色调映射处理（ToneMapping)，生成包含丰富细节和生动色彩的HDRI。具体实施 时，使用软件HDRShop即可生成6张不同方位的高动态范围图像。
[0018] 将这6张HDRI再次导入到HDRShop中，调用Panoramic变换；因为舞台环境比较 宽阔，可以忽略边界的细微变形，所以可将6方位经炜图转换为全景图，从而得到一张全景 的高动态范围贴图。
[0019] 步骤3):将步骤2)得到的全景HDRI作为虚拟环境光源的环境光源贴图，渲染生 成流体特效，输出序列帧。
[0020] 以一个沙滩涨潮的特效场景为例，在三维特效制作软件Houdini中生成一个类似 海面的面片，赋给这个面片一个SparseConvolution噪声，令其模拟海水的运动；以此面 片作为粒子发射器，发射海水粒子；使用FLIP(FluidImplicitParticle)算法结算海水 粒子，生成Mesh化的网格，即为海水的主体。
[0021] 为这个场景添加一个环境光源，将步骤2)所得到的全景HDRI作为这个环境光源 的贴图，进行渲染，输出海水涨潮的特效镜头的序列帧，格式选择TIFF(TaggedImageFile Format)格式。图3示出了在Houdini中，以沙滩全景图为环境光源贴图的流体特效制作效 果。
[0022] 步骤4):使用游戏引擎中的粒子发射器生成精灵粒子，将步骤3)所得到的特效序 列帧作为其贴图，得到适用于虚拟舞台的流体特效效果。
[0023] 在游戏引擎CryEngine中，生成一个海水粒子发射器，调整其精灵粒子的大小，使 其动态与步骤3)中的海水涨潮效果相适应，用步骤3)所生成的特效序列帧作精灵粒子的 贴图，最终实现了一个与舞台环境契合的海水涨潮特效。
[0024] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1)在虚拟舞台的流体特效生成处，进行多角度、多亮度的舞台环境的图像采集； 步骤2)利用采集所得图像，合成流体所在位置的全景的HDRI; 步骤3)使用合成的HDRI作为虚拟环境光源的环境光源贴图，渲染生成流体特效，输出 序列帧； 步骤4)使用游戏引擎中的粒子发射器生成精灵粒子，将生成的序列帧作为其贴图，得 到适用于虚拟舞台的流体特效效果。2. 根据权利要求1所述的虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，其特征在于，所 述步骤1)中： 流体特效生成处是指所要生成流体的边界几何体的中心点； 多角度的舞台环境图像采集是指，以中心点为坐标系原点、舞台朝向为Z轴正方向、垂 直向上方向为Y轴正方向构建三维笛卡尔坐标系，分别朝X轴、Y轴、Z轴的正、负方向，共计 6个方向拍摄图像； 多亮度的舞台环境图像采集是指，在6个方向上，都要采集10组不同亮度的环境图像。3. 根据权利要求1所述的虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，其特征在于，所 述步骤2)中： 利用采集的图像合成HDRI的过程为，分别将步骤1)得到的每个方向上的10幅不同亮 度的8位低动态范围的RGB图像合成为32位的高动态范围的HDRI;在边界变形忽略不计 的情况下，将合成后的6张HDRI最终合成一张全景的HDRI。4. 根据权利要求1所述的虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，其特征在于，所 述步骤3 )中： 首先在三维特效软件中对相应的流体效果进行建模仿真，根据仿真数据，得到表示流 体的Mesh化网格数据；使用全局环境光源照明；将合成的HDRI作为环境光源的贴图，渲染 生成流体特效，以序列帧的形式渲染输出结果。5. 根据权利要求1所述的虚拟舞台环境下的逼真流体特效制作方法，其特征在于，所 述步骤4)中： 游戏引擎中的精灵粒子是指模拟流体运动的粒子群，渲染所得序列帧作为其贴图，生 成适用于虚拟舞台的流体特效效果。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于虚拟舞台环境的逼真流体特效制作方法，包括：1）对舞台环境进行多角度、多亮度的图像采集；2）利用采集图像，合成流体所在位置的全景HDRI(High Dynamic Range Image) ；3）将所得HDRI作为虚拟环境光源的环境光源贴图(Environment Map)，渲染生成流体特效，并将特效镜头以序列帧的形式输出；4）使用粒子发射器生成精灵（Sprite）粒子，将序列帧作为其贴图，得到适用于虚拟舞台的流体特效效果。本发明所述的方法适用于在虚拟的舞台上生成逼真的流体效果，能有效的解决传统流体特效与实际舞台环境不契合的问题，在保证了实时性的前提下，增强沉浸感。
【IPC分类】G06T13/00
【公开号】CN104899913
【申请号】CN201510241281
【发明人】郎孚博, 王政, 王雨萌, 徐波
【申请人】中国科学院自动化研究所, 中国科学院浙江数字内容研究院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月13日