圖像三維建模流程管理在影視制作中的應(yīng)用研究

摘? 要：影視產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展推動了影視數(shù)字特效的技術(shù)提升。影視片需要制作大量的三維數(shù)字資產(chǎn)，如數(shù)字角色替身、三維場景復(fù)原、數(shù)字道具等。圖片三維建模技術(shù)為此提供了一個便捷高效的技術(shù)途徑，這種技術(shù)手段可以獲得高質(zhì)量的三維模型和紋理貼圖。探索圖像三維建模在影視制作當(dāng)中相關(guān)的流程規(guī)范與技術(shù)指標，具有實際應(yīng)用意義和推廣價值。

關(guān)鍵詞：圖像三維建模;三維重構(gòu);圖像采樣;三維數(shù)字資產(chǎn)

一、引言

基于圖片三維建模是一種通過照片序列生成三維模型的便捷高效率建模方法。相對于激光三維掃描建模，它具有可操作性強、成本低廉、對采樣拍攝環(huán)境要求低等優(yōu)點，同時，還可以獲取高還原度的紋理貼圖。使用該技術(shù)手段生成的三維數(shù)字資產(chǎn)可以在影視特效制作、游戲動漫、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域應(yīng)用。該技術(shù)的項目實踐證明，圖像三維建模生成的模型精度高，紋理貼圖還原準確，具有良好的市場應(yīng)用價值。對于高預(yù)算的院線級影片可以使用lightstage生成高還原度的角色三維模型和貼圖，但此技術(shù)方案成本高，設(shè)備占地面積大，不適合移動，難以在影片拍攝現(xiàn)場掃描相關(guān)的道具、角色以及場景。因此，針對影視行業(yè)的需求，探索出一套適合影視制作需求的圖像三維建模流程和技術(shù)參考具有實際應(yīng)用價值。

二、技術(shù)流程與規(guī)范

圖1是圖像建模的工作流程，其中，圖像采集手段包括無人機高空拍攝、深度相機拍攝、相機矩陣拍攝、相機360度環(huán)繞拍攝、手持采集設(shè)備拍攝方式。圖像采集的原理是多角度圍繞被掃描拍攝采樣圖片序列，相鄰兩張圖片之間的重疊率在60%左右[1]。采集好的圖片序列幀統(tǒng)一導(dǎo)入后期軟件如light room、Nuke、達芬奇等軟件進行圖片格式轉(zhuǎn)換、色彩空間匹配、調(diào)色、輸出等工作。然后，再把處理好的圖片導(dǎo)入對應(yīng)的圖片建模軟件如Agisoft Photoscan、Reality Capture等，計算生成三維模型。通過標定相機、重組圖片、點云匹配、建立網(wǎng)格、紋理映射等技術(shù)流程，電腦計算生成三維模型和紋理貼圖。最后，對生成的三維模型進行網(wǎng)格優(yōu)化、重新拓撲、簡化網(wǎng)格、比例縮放等調(diào)整，甚至還要根據(jù)影視片制作需求從新切割掃描所獲取的三維模型中，分離出不同的零部件模型，并為之制作對應(yīng)的數(shù)字動畫特效。通過圖像建模軟件生成的紋理映射也需要在相關(guān)紋理貼圖處理軟件調(diào)整貼圖的材質(zhì)屬性、局部紋理細節(jié)、陰影亮度和噪點等，才可以作為最終的紋理貼圖應(yīng)用在數(shù)字特效鏡頭當(dāng)中。

以上就是圖片三維建模在影視制作中前期采樣、圖像處理、模型生成、模型和材質(zhì)貼圖處理、后期特效制作的相關(guān)流程概述。

影視制作對圖片三維建模有特殊要求和標準，相對于工業(yè)三維掃描建模和文物數(shù)字化三維保存的要求，影視三維模型的絕對誤差率要求相對低一點，前者都需要最低偏差的還原被掃描對象的外形尺寸、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、以及紋理和表面質(zhì)感，而影視用三維模型一切都是為了影片的鏡頭服務(wù)。如果使用的模型在畫面的背景或者焦點以外，為了提高計算速度，會把掃描獲取的高精度模型轉(zhuǎn)化成低模，利用低模和高模計算出法線貼圖。把發(fā)線貼圖和其它紋理貼圖賦予低模，同樣可以獲得符合影視制作需求的三維模型。對于需要制作肢體動作和表情的角色或生物的圖片三維掃描，要在獲得高精度三維模型的基礎(chǔ)上，重新拓撲布線結(jié)構(gòu)才能達到影視動畫制作要求。另外，影視三維模型使用的紋理貼圖要求分辨率高、還原度準確，這樣才可以滿足特寫鏡頭的細節(jié)還原要求。如果條件允許最好能分離出被掃描物體的漫反射、高光反射、凹凸甚至是法線等紋理通道信息，并把對應(yīng)的信息通道賦予相關(guān)材質(zhì)節(jié)點。

三、校正與采樣

（一）攝影器材矯正

無論使用單臺相機或者多臺相機組成陣列拍攝，都必須要統(tǒng)一矯正相機的存儲格式、文件尺寸色彩管理模式、色溫等重要參數(shù)。為了匹配專業(yè)電影數(shù)字攝影機的高感光動態(tài)范圍和高色彩深度，使用相機拍攝的圖片也要有足夠的亮度動態(tài)范圍，這樣可以保證三維模型的紋理貼圖有更多的層次細節(jié)。因此，首先相機必須使用RAW格式和最高分辨率記錄圖像，該文件格式可以最大限度地儲存曝光動態(tài)范圍信息。同時還能自由調(diào)節(jié)色溫和暗部亮度層次，以及可以優(yōu)化暗部噪點。其次，相機要使用log色彩模式記錄圖片，這種灰度色彩模式可以記錄更大的光線亮度動態(tài)范圍，但需要統(tǒng)一在后期轉(zhuǎn)換色彩模式。

（二）圖片采樣拍攝

無論使用50毫米標準鏡頭或者35毫米鏡頭拍攝，圖片都會存在鏡頭畸變的問題。因此，需要拍攝幾何失真畸變測試卡，然后在后期矯正鏡頭畸變。采樣拍攝前需要拍攝標準色卡，以便在后期軟件矯正相機的色差，提高色彩還原精確度，避免造成紋理貼圖色彩誤差。圖片建模的相片要求畫面的前后都必須要清晰才可以更容易地計算出對應(yīng)圖片的空間拍攝位置，有利于空間重構(gòu)運算。但一般不建議使用長焦鏡頭和使用大光圈拍攝，長焦鏡頭和大光圈都會造成淺景深，產(chǎn)生虛化背景的效果。根據(jù)測試對比，應(yīng)該盡量使用F5.6以上的光圈值進行曝光，因為以上的特殊曝光組合需求，我們可以適當(dāng)增加相機感光度以提高曝光效果。另外，目前市場上主流的微單或者單反相機曝光動態(tài)范圍大，經(jīng)過測試主流相機在ISO1200依然有足夠的細節(jié)還原和良好的噪點控制。

圖片的采樣點分布和采樣重疊率會影響三維模型還原準確度，一般需要以被采樣對象為中心，沿固定半徑360度全面覆蓋進行采樣。采樣點可以沿著經(jīng)緯線走向有規(guī)則地在固定角度間距拍攝采樣。無人機高空環(huán)繞飛行拍攝、道具環(huán)繞拍攝采樣都可以參照這種軌跡進行拍攝。一般環(huán)繞被采樣對象一圈拍攝8-9張圖片，環(huán)形拍攝的重疊率甚至要達到70%左右才達到最理想的采樣質(zhì)量[2]。根據(jù)不同的拍攝對象，可以環(huán)繞拍攝4-6圈。對于高空飛行采樣或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的采樣點，可以多拍攝1-2組不同角度和距離的照片，提高采樣還原度。

（三）空間重構(gòu)參考點布置與校正

無論是使用深度照相機或者普通相機進行手持360度環(huán)繞拍攝，或是把掃描對象放在旋轉(zhuǎn)臺上拍攝，均會出現(xiàn)不同程度的三維空間計算錯誤，其主要原因是三維空間重構(gòu)參考點不足或者參考點被干擾，而導(dǎo)致相機定位和三維空間出現(xiàn)還原錯誤，因此，圖片三維掃描建模必須要有足夠的空間參照點。對于空間參考點的處理有兩種手段。1.被掃描物體所處環(huán)境的特征足夠明顯，并能形成固定參考點，而且沒有玻璃、高亮金屬反光的干擾。根據(jù)需要粘貼空間特征參考點，增強空間還原信息，直接帶著這些空間背景和被掃描物體一起拍攝采樣。通過計算還原出被掃描物體和背景參考物的點云，最后排除背景的點云，使用被掃描物的點云生成網(wǎng)格模型。2.搭建黑色或白色純背景，使用旋轉(zhuǎn)拍攝臺放置被掃描對象。在旋轉(zhuǎn)臺上放置標準色卡或者圖案特征明顯的圖片作為空間還原參考物體。這種做法可以生成干凈的點云，沒有雜亂的背景點云干擾，但不適合掃描垂直軸對稱物體。

采樣時，被掃描物體和背景若有移動的物體和光線變化都會造成空間參照點被干擾，產(chǎn)生空間復(fù)原計算偏差。另外，建議在采樣背景放置標準色卡，它既可以增強空間特征，提高三維重構(gòu)的精確度，還能用作色彩還原參照。

（四）材質(zhì)屬性提取和紋理采樣

傳統(tǒng)圖像三維建模一般會使用偏振鏡過濾被拍攝表面的高光反射和鏡面反射光線，目的是避免三維模型在軟件渲染的時候出現(xiàn)偽高光點和反射光，同時也有助于獲取干凈的漫反射紋理貼圖。在三維軟件使用帶有偽高光點和反射光貼圖渲染模型，會出現(xiàn)不受燈光照射角度改變而變化的假反射光和高光點。這種情況會降低渲染的真實度。

對于影視三維模型掃描，需要采集不同質(zhì)感和造型的道具、場景、角色。掃描對象的反光、鏡面反射強度、表面粗糙度、凹凸紋理等信息沒有過濾和分離會造成模型和貼圖還原的誤差，但是，這些材質(zhì)信息都應(yīng)該使用技術(shù)手段分離成不同的分通道儲存下來。對于大型矩陣相機掃描平臺可以通過調(diào)整燈光參數(shù)獲取豐富的表面材質(zhì)信息用于生成不同的紋理貼圖通道，對于便攜式圖像掃描裝置，此功能難以實現(xiàn)。通過試驗，設(shè)計出一套分光式雙機位同步圖像采集裝置或者電控旋轉(zhuǎn)偏振鏡片支架都可以解決以上部分問題。這些改裝的裝置可以精確地實現(xiàn)同步同角度采集兩張圖片，其中一張利用偏振鏡過濾高光和反射光信息，另外一張圖片使用相機直接拍攝圖片。把這兩張圖片導(dǎo)入后期軟件，使用Nuke等軟件的差值圖層運算可以計算出紋理的高光通道。該通道信息用在材質(zhì)的反射區(qū)域和鏡面反射等節(jié)點，使用偏振鏡過濾高光和反射光的圖片可以計算出漫反射紋理。這兩種紋理通道信息可以提高紋理表現(xiàn)和材質(zhì)屬性的還原度。

對于三維掃描最理想的光照是使用照度均勻的漫反射光作為燈光照明。一般情況下不建議使用自然光直接照射被掃描物體進行拍攝。自然光受到太陽照射角度變化，云層流動等信息干擾，光照的亮度和角度都會隨時發(fā)生變化。另外，太陽光或者天空的漫反射光都會產(chǎn)生生硬的暗部投影或者反差過大的陰影區(qū)域，最理想的光照條件是使用影視燈具進行多角度柔化照明。影視燈具可以通過大型柔光板間接照明，或者使用反光板反射照明，避免在被掃描物體上出現(xiàn)高光點或者過暗的陰影。這種燈光照明方式可以計算出層次豐富、反差適合、暗部細節(jié)足夠、噪點低的紋理貼圖。

四、后期圖像處理與模型重構(gòu)

圖像采集完畢以后，要把圖像導(dǎo)入后期圖像處理軟件進行批處理轉(zhuǎn)換文件格式。因為常規(guī)圖像建模軟件不可以讀取RAW格式文件。轉(zhuǎn)換格式的同時可以調(diào)整圖片暗部曲線和加載lut、調(diào)整圖片暗部，最終可以輸出 TIF序列幀或者高質(zhì)量的JPG序列幀。

批處理校正相機色彩。每一次進行圖像采集之前都要為每一臺相機拍攝標準色卡，利用所拍攝到帶有標準色卡的圖片導(dǎo)入達芬奇等后期調(diào)色軟件統(tǒng)一矯正拍攝圖片的色差。不同品牌的相機、不同的光照條件以及色溫差異都會導(dǎo)致所拍攝圖片的顏色與真實物體的色彩有色差，拍攝標準色卡能夠快速有效地矯正以上問題所帶來的色彩差異，提高色彩還原的準確度。

調(diào)整好的圖片可以輸入到三維圖片建模軟件進行空間重構(gòu)，圖片三維建模軟件要完成照片重組、匹配點云（密集/稀疏）、網(wǎng)格建立、紋理映射、輸出模型與貼圖流程。

五、影視三維模型掃描類型

影視制作使用的三維模型基本可以分為三大類：場景類、道具類、角色類。每一類的三維掃描和用途都有對應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和技術(shù)參考。

（一）場景類

場景類三維掃描的對象包含自然地貌、鄉(xiāng)村和城市、建筑物。這些場景一般會用在綠幕拍攝鏡頭的背景或者合成到實拍鏡上。例如在綠幕前拍攝演員坐在火車廂里面，透過車窗觀看窗外山川河流大景色。這些窗外的山河景觀適合使用無人機航拍進行掃描拍攝，但拍攝空域一定要是允許飛行的范圍。無人機分別以橫向和縱向方式分區(qū)拍攝掃描，對于單體建筑物可以使用興趣點環(huán)繞飛行模式，調(diào)整不同的高度進行拍攝采樣。

因為無人機航拍容易受到云層遮擋，還會遇到逆光角度和順光的角度而導(dǎo)致標準曝光點偏差大，所以建議使用無人機自帶的log色彩模式記錄圖片，以提高圖片的曝光寬容度。同時，還要使用手動曝光模式，以保證相片序列的曝光不會產(chǎn)生突發(fā)的變化而導(dǎo)致相片序列明暗不一致。

采集完成的圖片序列，先進入達芬奇或者Nuke軟件統(tǒng)一轉(zhuǎn)換色彩空間，并整體調(diào)色確保不會出現(xiàn)亮度過曝和暗部細節(jié)層次丟失的情況。針對場景的圖片，三維建模場景建議生成高密度網(wǎng)格模型，這種精度的模型可以最大限度保留物體表面幾何細節(jié)。然后，可以根據(jù)影視片制作需求和三維模型應(yīng)用在鏡頭的主體位置還是背景等情況，有針對性地簡化三維網(wǎng)格的密度，制作出符合需求的簡模。最后，利用三維軟件或者紋理貼圖繪制軟件計算出高低精度兩個模型的法線貼圖。簡化了網(wǎng)格面的三維模型增加了法線貼圖、漫反射貼圖等紋理通道，可以渲染出足夠的表面幾何細節(jié)和材質(zhì)屬性。另外，如模型中有河流湖泊需要對這一區(qū)域的紋理貼圖繪制蒙版時，可以單獨調(diào)節(jié)這一區(qū)域的鏡面反射、反光強度、表面粗糙度等材質(zhì)屬性，以便制作出水面的反光特性。

調(diào)整好的三維場景模型，可以導(dǎo)入三維軟件或者數(shù)字合成軟件Nuke等，重新匹配實拍鏡頭、調(diào)整比例和空間位置關(guān)系，最后再打燈光渲染與實拍畫面合成在一起。

（二）道具類

影視制作的道具類型多樣，道具尺寸大小各異，小到古裝片的一把飛刀、一枚暗器，大到年代影片的舊卡車、螺旋槳飛機、老沙發(fā)。影視片中只要和演員產(chǎn)生互動的物體都算是道具。不少道具實物會被制作成三維數(shù)字資產(chǎn)，使用這些三維數(shù)字資產(chǎn)制作數(shù)字特效鏡頭，如古裝片中的刀槍和暗器。民國年代的戰(zhàn)爭戲經(jīng)常出現(xiàn)各種舊式飛機，但是這些飛機道具大部分是用木頭和鋼架搭建而成，基本不可以移動，更不能飛。為了增強影片的真實性，需要對道具進行三維掃描，再使用三維數(shù)字特效技術(shù)手段把這些道具數(shù)字化再現(xiàn)。如圖2中的C47型螺旋槳飛機就是為了影視片拍攝而搭建的大型道具。大型道具的圖片三維建模會產(chǎn)生一定的變形或者局部結(jié)構(gòu)偏差，因此，需要在被掃描對象的前后左右還有俯視等多方向拍攝該飛機的圖片。另外，最好使用無人機拍攝飛機的前側(cè)頂三視圖用作三維模型的外型修正和局部結(jié)構(gòu)修改。掃描生成的三維模型有個別部件需要制作旋轉(zhuǎn)或者移動的動畫，需要從掃描模型上切割分離對應(yīng)的部件，修改模型輪廓和結(jié)構(gòu)，以便制作動畫。圖2中飛機的艙門、升降舵、方向舵就是使用該辦法從掃描模型上切割修整出來的。

不同的道具會有不同的材質(zhì)和紋理，圖片掃描拍攝的時候除了采集紋理和物體各個角度外形，也要盡量采集物體表面的材質(zhì)反光和鏡面反射屬性。一般情況下，我們使用偏振鏡片過濾物體表面反射光，從而獲得理想的漫反射圖片用于圖片三維建模，而且被過濾的反射光是可以被再次利用的。我們可以使用改裝的偏振鏡電控旋轉(zhuǎn)支架或者雙攝影機分光支架這兩類設(shè)備分別拍攝同角度的兩張圖片，一張是被偏振鏡過濾掉高光反射光的漫反射圖片，另外一張是帶有反射光的正常拍攝圖片，使用Nuke等后期合成軟件可以計算出反射光通道，這個通道的圖片信息可以用于還原材質(zhì)反光屬性使用。

（三）角色類

角色類的掃描對象一般分為手模掃描和真人掃描，通常動物沒法受人控制，難以在掃描環(huán)境保持一個固定姿勢不動，所以會被做成手模，再進行三維掃描。深度相機圖片建模設(shè)備比較便攜適合在影視片拍攝現(xiàn)場同步操作。深度相機一般會使用紅外線投射至對被掃描物體，獲取帶有深度信息的圖像，再使用帶有深度信息的圖像生成三維模型和貼圖。這種技術(shù)手段操作簡單，效率和精度較高，但是容易受到物體表面的反射光和鏡面反射干擾。

相機陣列掃描圖片建模是把多臺相機組成一個圓形或者球形的矩陣，相機在矩陣的固定的位置同步拍相片。因為相機在矩陣的位置信息可以反饋到圖片三維建模軟件中，因此不需要通過計算反求相機的位置信息。而且匹配好矩陣位置的相機可以更準確的還原出點云，從而獲取到高還原度的三維模型和貼圖。這種高質(zhì)量的建模手段的缺點是硬件搭建成本高，難以拆裝，無法到拍攝現(xiàn)場進行掃描操作。

對于拍攝手模，可以使用360度環(huán)繞拍攝臺上下固定多臺相機進行拍攝，并記錄相機360度環(huán)繞一圈的每次拍照的位置和角度，以此組成矩陣數(shù)據(jù)。這種簡便的技術(shù)輔助手段也可以獲得接近球形/矩陣圖片掃描建模方式的質(zhì)量。這種圖像建模技術(shù)手段由于有相機矩陣輔助三維相機的空間定位，因此，也可以獲得比較準確的模型和高分辨率的紋理貼圖。

無論使用哪一種技術(shù)手段獲取的角色三維模型，都需要在三維軟件或者Wrap等自動拓撲軟件上對掃描的模型重新拓撲，拓撲后的模型才符合動畫制作的布線要求。另外，還需要拓撲模型的UV信息，因為掃描獲取的模型網(wǎng)格面數(shù)量巨大，一方面造成計算緩慢，另一方面掃描獲取的角色不適合制作動畫，容易產(chǎn)生網(wǎng)格塌陷拉扯變形等問題。如果使用常用的三維軟件的減面工具就會出現(xiàn)減面以后變形、UV信息丟失的情況，而重新拓撲好的三維角色模型則可以進行綁定、動畫制作、渲染合成等制作流程。

六、結(jié)語

影視數(shù)字特效的飛速發(fā)展，必然帶動三維數(shù)字資產(chǎn)的需求。因此，圖片掃描軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展的同時，必須結(jié)合影視制作的實際情況和行業(yè)特點，把對應(yīng)的掃描制作流程和技術(shù)參考進行優(yōu)化，這樣就可以更高效地獲取到各種適合影視片制作的三維模型。

參考文獻：

[1]黃婧，劉建宇，曲亮，雷勇.圖像建模拍攝方法在文物數(shù)字化保護中的應(yīng)用研究[J].文博，2020（5）： 92-99.

[2]韓冬辰，張弘，崔巍文.基于信息物理交互的曲面形態(tài)建筑方案逆向設(shè)計方法研究[J].新建筑，2020（3）：60-64.

作者簡介：崔偉全，碩士，中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。