智誠科技 施志昂

基于SOLIDWORKS Visualize的車輛渲染

智誠科技 施志昂

一、引言

產(chǎn)品的上市推廣，需要用到產(chǎn)品的宣傳圖片或視頻，根據(jù)傳統(tǒng)的流程：概念草圖——3D模型——物理樣機(jī)——生產(chǎn)——拍照——后期制作——市場銷售，相對周期較長。通過直接對三維模型進(jìn)行渲染可以達(dá)到更快、更好的推廣效果，而且渲染的圖片效果很逼真。優(yōu)化后的流程：概念草圖&3D模型——SOLIDWORKS Visualize——市場營銷與物理樣機(jī)生產(chǎn)同步進(jìn)行。本文以汽車造型的渲染為例，對其進(jìn)行圖片渲染、動(dòng)畫渲染及vr&全景模式渲染。同時(shí)詳細(xì)介紹了整個(gè)過程中涉及的若干技巧，希望對讀者有所幫助。

二、渲染流程

我們可以在車展上看到一些很酷的超級(jí)跑車，對于建模愛好者或者渲染愛好者來說，能將其繪制出來并且自己去渲染會(huì)是一件非常有趣的事情，一方面滿足興趣愛好，一方面提升自己的建模、渲染技能。

我們可以在SOLIDWORKS中把三維模型繪制出來，如圖1所示，或是產(chǎn)品成品或是概念構(gòu)想都可以直接導(dǎo)入到Visualize中渲染。

圖1 SOLIDWORKS曲面造型

將模型導(dǎo)入到Visulize中，三維模型——材質(zhì)設(shè)置（添加配制，調(diào)整材質(zhì)，方便對比）——環(huán)境設(shè)置（hdr環(huán)境360°、背板設(shè)置）——相機(jī)設(shè)置（捕捉視角，多相機(jī)視角共存，便于視角切換）——渲染輸出（可發(fā)送到隊(duì)列排定渲染）。經(jīng)過上述流程，圖1模型渲染出的圖片效果如圖2所示。

圖2 模型導(dǎo)入Visualize

Visualize除了支持SOLIDWORKS之外，也支持ACIS、3ds Max和Alias等目前主要三維模型格式。

三、圖片渲染技巧詳解

Visualize集成CPU與GPU渲染（只有某些類型的顯卡才支持GPU渲染，主要包括：NVIDIA圖形卡：至少帶有 NVIDIA Fermi芯片的 NVIDIA Quadro/NVIDIA GeForce/Tesla；至少帶有 NVIDIA Maxwell卡的雙GPU設(shè)置，推薦NVIDIA驅(qū)動(dòng)程序版本362.13），可實(shí)現(xiàn)更快速的渲染，經(jīng)過官方測試，相同環(huán)境下不同顯卡渲染速度對比如圖3所示。

圖3 渲染速度

最快的一種方式是采用計(jì)算機(jī)渲染集群，把一個(gè)渲染項(xiàng)目分配給多臺(tái)電腦同時(shí)渲染，如圖4所示，充分發(fā)揮了“人多力量大”的優(yōu)勢。

圖4 計(jì)算機(jī)渲染集群

1.材質(zhì)添加

了解了電腦配置后，圖片渲染便可以進(jìn)行，這里我們可以將3D數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到Visualize中，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)自身材質(zhì)會(huì)有所保留（以SolidWorks為例，項(xiàng)目中的外觀、HDR圖像、背板和相機(jī)均可保存在Visualize中），這里我們推薦用戶出最終渲染圖的時(shí)候不要用3D數(shù)據(jù)自身的材質(zhì)來渲染，而是將Visualize外觀庫中的材質(zhì)重新附加到模型上，這樣我們可以得到更加逼真的材質(zhì)效果，如圖5所示。

Visualize材質(zhì)庫包含兩部分，本地材質(zhì)和云材質(zhì)，二者可以相互切換，我們也可以自己創(chuàng)建外觀（如我們創(chuàng)建了一個(gè)金屬涂料類型的外觀，在設(shè)置外觀顏色時(shí)候可以調(diào)整拾色器中的顏色，并且直接吸取外部顏色生成到我們新建的材質(zhì)上。例如，我們可以把圖片中車的顏色吸取過來，直接生成在我們創(chuàng)建的金屬涂料外觀中，如圖6所示）。

圖6 左圖為創(chuàng)建新外觀界面，右圖為汽車圖片（新建外觀時(shí)我們需要吸取右邊圖片的顏色）

材質(zhì)中我們還要解決另一個(gè)問題，有時(shí)候需要把一個(gè)整面分為幾部分，應(yīng)注意Visualize導(dǎo)入的模型可以按照外觀顏色來分，可以按結(jié)構(gòu)層級(jí)來分，但是如果我們想單獨(dú)分割一個(gè)完整面或者把相同材質(zhì)默認(rèn)為同一零件的面分割開來的時(shí)候，可以選擇對應(yīng)的零件→右鍵→提取面→執(zhí)行分割，這樣一個(gè)完整的面就被分成了多個(gè)部分，方便提取，如圖7所示。

2.外觀貼圖

圖7 將一個(gè)面分割為多個(gè)

當(dāng)需要對外觀添加一些logo或者圖片的時(shí)候，選擇對應(yīng)的外觀材質(zhì)，在其基礎(chǔ)上新建貼圖（支持tif、jpg、png等長用圖片格式），貼圖需要注意圖片深度的添加，貼圖深度是一個(gè)數(shù)值，如果深度較深，則圖片映射得較深，貼圖較淺（以汽車為例，我們在左邊車門上貼圖，如果深度較深，則圖片會(huì)映射到右邊，如果貼圖深度較淺，則僅僅只存在于左邊車門），相應(yīng)的圖片映射也較淺。另外需要注意，如果在多個(gè)拼接面上貼圖需要選擇多零件貼圖，否則貼圖只會(huì)呈現(xiàn)在單一默認(rèn)零件上，如圖8所示。

圖8 左（單零件貼圖）右（多零件貼圖）

關(guān)于汽車剎車盤紋理呈現(xiàn)，如果在模型中繪制這些紋理，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且紋理質(zhì)量呈現(xiàn)不一定會(huì)很好。所以，對于紋理細(xì)節(jié)部分，同樣可以用紋理貼圖來實(shí)現(xiàn)，這樣既可快速生成相應(yīng)紋理，又可減小內(nèi)存消耗。這里以此模型的剎車盤為例，點(diǎn)擊對應(yīng)外觀材質(zhì)，在其紋理中添加紋理凸凹貼圖，那么剎車盤的紋理就呈現(xiàn)出來，既簡單又方便，貼圖既可以映射在實(shí)體上也可以映射在單獨(dú)面上，如圖9所示。

圖9 剎車盤紋理添加

3.布景添加

布景可以分為環(huán)境和背板兩種，環(huán)境均為hdr格式，可以360°旋轉(zhuǎn)調(diào)整，當(dāng)添加過環(huán)境后，我們可以調(diào)節(jié)其明暗度等相關(guān)參數(shù)（通常我們在精確渲染器下模型會(huì)較暗，這里推薦環(huán)境明暗度的值最好大于2）如圖10所示。

圖10 添加過環(huán)境的汽車渲染

也可以在當(dāng)前的環(huán)境基礎(chǔ)上添加光源，光源分為日光環(huán)境和光源，光源分為點(diǎn)光源（類似于我們室內(nèi)的一個(gè)燈泡，發(fā)出的光效果四散開來）、定向光源（一束平行光影照射到我們的模型中），聚光源（就像現(xiàn)實(shí)中的聚光燈效果一樣）。這里以定向光源為例，添加過定向光源后我們可以結(jié)合對象操作工具中的移動(dòng)一起使用，將三重坐標(biāo)軸附加到定向光源上，方便我們通過拖動(dòng)三重坐標(biāo)軸，從而可以方便地調(diào)整光源的位置，如圖11所示。

圖11 通過拖動(dòng)三重坐標(biāo)軸進(jìn)而調(diào)整光源位置

日光環(huán)境需列入到環(huán)境范圍，當(dāng)添加過日光環(huán)境后，通常我們會(huì)隨動(dòng)畫一起使用，如設(shè)置某一天的早上9點(diǎn)，在此時(shí)刻添加一個(gè)關(guān)鍵幀，再更改這一天晚些時(shí)候的3點(diǎn)，在此時(shí)刻添加一個(gè)關(guān)鍵幀，當(dāng)關(guān)鍵幀連起來之后，就可以得到產(chǎn)品一天不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)顯示效果，如圖12所示。

4.背板添加

當(dāng)我們添加背板的時(shí)候，如何讓模型融入到背板當(dāng)中，這里有一個(gè)技巧就是顯示地面網(wǎng)格（在預(yù)覽渲染器中），這樣我們參照網(wǎng)格調(diào)整與地面的重合度就可以使模型更好地融合到背板中，如圖13所示。

圖12 日光環(huán)境動(dòng)畫的起始效果與終止效果

圖13 參照網(wǎng)格與地面重合

5.相機(jī)添加

在相機(jī)選項(xiàng)中，我們可以為模型添加不同的相機(jī)視角并保存起來，方便我們?nèi)デ袚Q不同的模型位置，相機(jī)中我們可以調(diào)整模型的透視圖顯示，透視圖的設(shè)置可以分為廣角、中距和長焦，三種鏡頭下的模型顯示如圖14所示。

圖14 從左到右依次為：廣角、中距、遠(yuǎn)焦鏡頭

為模型添加景深效果，通過啟用景深，把焦點(diǎn)直接附加到模型上即可（焦點(diǎn)可以隨時(shí)切換），添加過焦點(diǎn)后必須切換渲染器（預(yù)覽效果中的渲染器無法顯示景深效果）才能將景深效果顯示出來，通過渲染器的切換，便可以得到更加立體的顯示效果，如圖15所示。

圖15 景深效果

在景深效果中，當(dāng)光圈越大，焦點(diǎn)越集中，模型周圍模糊的區(qū)域也越大，反之，當(dāng)光圈越小，焦點(diǎn)范圍越大，模型周圍模糊區(qū)域較少，如圖16所示。

圖16 大光圈原理

例如，當(dāng)我們用f/1.4和f/1.6的光圈拍攝時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同光圈呈現(xiàn)出來的效果不同，如圖17所示。

圖17 不同光圈成像效果

6.配置設(shè)置

有些時(shí)候我們想要看一系列產(chǎn)品的對比效果，如果在軟件中每一個(gè)產(chǎn)品都渲染出成品再相互對比效果可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，這時(shí)我們可以用到Visualize的配置功能，每一個(gè)配置中都可以添加不同的材質(zhì)及環(huán)境，通過配置與多視窗的功能，對比效果可以更加直觀地呈現(xiàn)出來。如在汽車渲染這個(gè)實(shí)例中，想看看銀白色車身外觀與紅色車身外觀的對比效果，則創(chuàng)建一個(gè)名為“Configuration1”的紅色車身外觀配置，再創(chuàng)建一個(gè)名為“Configuration2”的銀白色車身外觀配置，將紅色材質(zhì)復(fù)制出來一份調(diào)整成銀白色，再添加到“Configuration2”的外觀中，兩個(gè)配置創(chuàng)建完成之后，選擇視圖→多視窗→雙水平視窗（將一個(gè)視窗切換為“Configuration1”配置，另一個(gè)視窗切換為“Configuration2”配置），這樣就可以很直觀地看出兩者的對比效果，以供參考，如圖18所示。

圖18 不同配置對比

四、動(dòng)畫渲染技巧詳解

1.旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)動(dòng)畫

我們可以通過動(dòng)畫對產(chǎn)品做更直觀地展示，Visualize自身的動(dòng)畫效果可以分為移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種，均配合時(shí)間軸使用。動(dòng)畫生成方式多種多樣，如動(dòng)畫配合外觀屬性（透明度、顏色）使用、動(dòng)畫配合相機(jī)特效（景深焦點(diǎn)、相機(jī)視角、透視圖）使用、動(dòng)畫配合環(huán)境（環(huán)境明暗度，環(huán)境旋轉(zhuǎn)角度）使用、動(dòng)畫配合光源（光源明暗度、光源位置）使用以及動(dòng)畫配合剖面使用等。在此實(shí)例中我們先來嘗試旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫生成的制作方式及技巧，選擇當(dāng)前輪組→右鍵添加旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫，樞軸中心選擇組而不是環(huán)境。這時(shí)，輪胎繞自身軸心的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫便生成出來，雙擊時(shí)間軸可以設(shè)置在當(dāng)前時(shí)間內(nèi)輪胎轉(zhuǎn)的角度及方向，設(shè)置好之后，輪胎旋轉(zhuǎn)的過程就已完成，如圖19所示。

2.動(dòng)態(tài)模糊圖片

圖19 車輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫的生成

上面我們介紹了汽車輪胎旋轉(zhuǎn)的動(dòng)畫制作方法，延伸一下，將動(dòng)畫的某一幀單獨(dú)提取出來做圖片渲染，那么我們是不是能得到運(yùn)動(dòng)模糊的圖片呢？ 下面來對運(yùn)動(dòng)模糊的圖片進(jìn)行制作，設(shè)置時(shí)間軸中間某一幀的位置，在相機(jī)選項(xiàng)中選擇啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)模糊，并設(shè)置快門時(shí)間（快門時(shí)間設(shè)置的越長，則說明運(yùn)動(dòng)模糊效果越明顯），其值取25ms，同景深顯示類似，運(yùn)動(dòng)模糊效果要在特定的渲染器下才能顯示出來（除了預(yù)覽渲染器，其他均可顯示運(yùn)動(dòng)模糊效果），如圖20所示。

圖20 運(yùn)動(dòng)模糊效果

3.相機(jī)動(dòng)畫生成與調(diào)整

相機(jī)動(dòng)畫是很常用的一種方式，動(dòng)畫生成的好壞質(zhì)量與相機(jī)鏡頭的運(yùn)用關(guān)系很大，這里我們介紹幾種常用的相機(jī)拍攝方式。

懸臂相機(jī)：對于模型從下到上（或從上到下）的拍攝，如圖21所示。

圖21 懸臂相機(jī)

圖22 平移相機(jī)

平移相機(jī)：對于模型從左到右的拍攝，如圖22所示。變焦距拍攝：在拍攝動(dòng)畫的過程中景深焦距可以從一個(gè)位置變到另一個(gè)位置。以此車為例，在初始幀時(shí)候我們把焦距定位在汽車前端，在終止幀位置我們把焦距定位在汽車尾端，這樣當(dāng)我們在展示動(dòng)畫的時(shí)候，就可以看到景深效果由前到后的變換過程。往往這些相機(jī)動(dòng)畫技巧的應(yīng)用會(huì)使我們的廣告片更加生動(dòng)形象，如圖23所示。

圖23 變焦距拍攝

環(huán)繞拍攝：在對模型進(jìn)行拍攝時(shí)，有時(shí)相機(jī)鏡頭需要環(huán)繞模型展開拍攝，相機(jī)的路徑呈現(xiàn)可以與對象操作工具中的移動(dòng)配合使用，于是我們可以很方便地調(diào)整相機(jī)走過的路徑。在此實(shí)例中，我們先新建一個(gè)動(dòng)畫相機(jī)視圖，在時(shí)間軸上設(shè)置好相機(jī)的起始位和終止位等關(guān)鍵位置，通過對象操作工具中的移動(dòng)可以在相機(jī)上添加三重坐標(biāo)軸，方便我們對相機(jī)路徑進(jìn)行調(diào)整。路徑中有紅、黃、綠三種顏色，其中綠色位置相機(jī)速度最快，黃色次之，紅色最慢。當(dāng)我開啟雙水平視窗時(shí)，一個(gè)視窗是以相機(jī)第一人稱視角，另一個(gè)視窗以相機(jī)第三人稱視角，無論路相機(jī)路徑還是相機(jī)畫面都很清晰直觀地呈現(xiàn)出來，這對于我們調(diào)整路徑會(huì)方便許多，如圖24所示。

4.SOLIDWORKS動(dòng)畫導(dǎo)入到Visualize中

圖24 環(huán)繞拍攝

SOLIDWORKS動(dòng)畫（運(yùn)動(dòng)算例&motion）可以直接導(dǎo)入到Visualize中進(jìn)行渲染，有了這樣集成的功能，那么如果是SOLIDWORKS用戶在使用Visualize做一些復(fù)雜的動(dòng)畫也會(huì)變得得心應(yīng)手，可以把爆炸動(dòng)畫或者運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)畫在運(yùn)動(dòng)算例中做好直接導(dǎo)入到Visualize中渲染，這樣大大提高了動(dòng)畫制作的效率和復(fù)雜程度。但是motion仿真導(dǎo)入到visualize中個(gè)別會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)亂情況，所以不建議用戶把motion算例直接導(dǎo)入。

例如，一個(gè)設(shè)備我們在SOLIDWORKS中做好其運(yùn)動(dòng)算例，開啟Visualize插件，選擇高級(jí)導(dǎo)出__選擇當(dāng)前算例名稱，此算例就可以直接導(dǎo)入到Visualize中（其相機(jī)視角，動(dòng)作步驟均可導(dǎo)出）如圖25所示。

圖25 SOLIDWORKS運(yùn)動(dòng)算例直接導(dǎo)入Visualize中

此外，集成還有另一個(gè)好處，Visualize對源文件有監(jiān)控作用，當(dāng)源文件發(fā)生變更時(shí)，Visualize也會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)更新。在圖25的例子中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)算例發(fā)生變化的方式，那么Visualize中的動(dòng)畫會(huì)隨之實(shí)時(shí)更新。圖片也同樣采用，我們用PowerSurfacing for SOLIDOWRKS這款自由型插件制作了小鹿，那么導(dǎo)入到Visualize中，當(dāng)這個(gè)小鹿的源文件發(fā)生變更的時(shí)候，Visualize中已經(jīng)添加過一些外觀材質(zhì)的小鹿同樣發(fā)生實(shí)時(shí)變更，這樣省去了我們重新導(dǎo)入，重新添加外觀，設(shè)置參數(shù)的時(shí)間。如圖26、27所示。

五、VR&全景模式

圖26

圖27

當(dāng)我們做渲染輸出時(shí)，除了圖片及動(dòng)畫模式，還有VR&全景模式可以選擇。VR模式相當(dāng)于多張圖片（各個(gè)角度的圖片）拼接而成的效果，全景模式就相當(dāng)于把我們渲染出的全景圖片包裹在一個(gè)球體上，我們在球體之中查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。VR&全景模式可以更好地與客戶進(jìn)行互動(dòng)，可以把公司的產(chǎn)品渲染VR&全景模式轉(zhuǎn)成二維碼，客戶“掃一掃”就可在指尖接觸到產(chǎn)品，并進(jìn)行全方位查看，對公司產(chǎn)品起到良好營銷效果的同時(shí)，為客戶提供一次好玩的產(chǎn)品體驗(yàn)（掃描圖28中二維碼，查看咖啡機(jī)實(shí)例）。

圖28 咖啡機(jī)實(shí)例（VR二維碼）

六、結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，形形色色的產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在我們生活當(dāng)中，產(chǎn)品實(shí)用、耐用固然是必要屬性，但是單純的實(shí)用、耐用無法激發(fā)消費(fèi)者的購買欲望。在關(guān)注產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，也需要注重產(chǎn)品的外觀裝飾和創(chuàng)意。作為工程師和設(shè)計(jì)者，如何最快速地把自己腦海中的方案，靈光一現(xiàn)的點(diǎn)子呈現(xiàn)出來與人分享非常重要，渲染在此處便派上了很大的用場。

各行各業(yè)中，都需要廣告宣傳和方案展示，這些都可以指派給渲染軟件來完成。舉個(gè)熟悉的例子，蘋果手機(jī)，我們最先會(huì)想到的關(guān)鍵詞就是時(shí)尚、質(zhì)量過硬、系統(tǒng)優(yōu)化完善以及外形美觀。因?yàn)橐豢町a(chǎn)品給人最直接的感受就是其外觀樣子，在蘋果發(fā)布會(huì)上我們會(huì)看到新產(chǎn)品的渲染圖、宣傳動(dòng)畫，這些都是與渲染軟件密不可分，而消費(fèi)者往往會(huì)有“哇，新一代真的好時(shí)尚，我要買”的想法。從另一個(gè)方面來說，手機(jī)對于我們已經(jīng)不僅僅在于打電話了，更像是拿在手中的藝術(shù)品。同樣，汽車外觀也是如此，咖啡機(jī)、手表、玩具、公仔、機(jī)械設(shè)備、生活用品以及家具服飾等，外觀都是消費(fèi)者非常在意的一環(huán)。今天的很多行業(yè)正在慢慢拋棄拍照出方案的模式，取而代之的是渲染軟件的普遍使用。