基于數(shù)字三維的影視級角色制作研究

摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使數(shù)字三維技術(shù)在影視制作中發(fā)揮著越來越重要的作用，其中角色制作已成為一個(gè)重要的部分。三維影視級角色的制作有一套相對獨(dú)立的流程，所涉及的軟件工具也較為繁雜。雖然目前最新的基本步驟劃分還是基于傳統(tǒng)流程，但在具體的步驟上可選擇的軟件工具更多、軟件的組合更豐富。三維影視級角色對逼真度的要求很高，使用的工具也較多，而這也往往成為制作障礙。正確認(rèn)識工具，進(jìn)而合理地使用和組合是制作好三維影視級角色的關(guān)鍵。在制作流程上，次世代游戲角色制作流程有時(shí)會(huì)與影視級角色制作流程相混淆，二者確實(shí)有較多的相似點(diǎn)，但無論是最終用途還是視覺標(biāo)準(zhǔn)都有很明顯的差異。基于此，文章研究基于數(shù)字三維的影視級角色制作，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字三維；影視級角色；角色制作

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）07-0-03

0 引言

數(shù)字三維技術(shù)自出現(xiàn)以來一直廣受關(guān)注，20世紀(jì)90年代初就已經(jīng)出現(xiàn)引入數(shù)字三維元素的影視作品。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的影視作品開始加入由數(shù)字三維技術(shù)制作的角色。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，早期的三維角色制作所使用的工具較為單一、簡單，角色的逼真程度尚不足以達(dá)到今天影視級的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字雕刻技術(shù)和PBR流程的出現(xiàn)為制作出更符合影視制作需求的逼真三維角色提供了更高效的解決方案。但相較于單一的傳統(tǒng)制作流程，如今出現(xiàn)的各類軟件已經(jīng)專業(yè)化，分工更明確，從而形成了一個(gè)制作體系。本文從影視制作中使用數(shù)字三維技術(shù)的優(yōu)勢、三維影視級角色的制作流程、三維影視級角色與次世代游戲角色的異同三個(gè)方面分析三維影視級角色制作方法和思路。

1 影視制作中使用數(shù)字三維技術(shù)的優(yōu)勢

三維模型是一種利用計(jì)算機(jī)生成的圖像，真實(shí)世界中的絕大部分物體都可以被三維技術(shù)模擬生成，因此三維元素被廣泛應(yīng)用到影視制作中［1］。能夠達(dá)到足夠的逼真效果并能在后期合成后與影視實(shí)拍環(huán)境相融合且適合進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)置的角色模型基本上達(dá)到了“影視級”的標(biāo)準(zhǔn)。

在影視制作中使用三維技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以節(jié)約拍攝成本。使用三維技術(shù)后，攝制組無須搭建或破壞真實(shí)的場景、物體就能獲得拍攝所需要的視覺效果，這在很大程度上節(jié)約了攝制成本。在角色制作方面，三維技術(shù)可以創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)中沒有的角色，這在當(dāng)今大量的科幻影視作品中已十分常見。三維模擬出的角色往往特效更精湛，比實(shí)際的演員更具觀賞性。使用三維角色能大大提升影視畫面的真實(shí)度，目前已成為影視制作中不可缺少的一部分。

2 三維影視級角色的制作流程

三維影視級角色在視覺效果上通常要求較高，較早期的三維角色制作通常只依靠一種三維軟件外加平面圖形軟件完成，但這種傳統(tǒng)而單一的制作方式已經(jīng)徹底無法滿足當(dāng)今影視作品的視覺要求。在對畫面視覺效果要求日益提升的今天，4K乃至8K分辨率的屏幕已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，超清晰的畫面能給觀眾帶來更佳的視覺體驗(yàn)。但在這樣的分辨率下，傳統(tǒng)方式制作出的三維模型由于精度較低，其缺點(diǎn)也會(huì)被進(jìn)一步放大。較低的精度指的是模型細(xì)節(jié)不足，材質(zhì)的物理屬性還原不夠以及貼圖繪制不夠自然，導(dǎo)致制作出的三維角色即便在造型方面沒有明顯缺失也很難自然融入實(shí)拍畫面中，進(jìn)而無法滿足影視合成的需求。

三維精度較低并不能簡單認(rèn)為是三維渲染造成的，因?yàn)闊o論哪一種渲染器，都只是三維制作最后環(huán)節(jié)的輸出平臺(tái)。目前，不同的渲染器除了在光線的計(jì)算效果上有著較小的視覺效果差距之外，主要還需要制作人員提供更高精度的模型、更準(zhǔn)確的材質(zhì)和細(xì)節(jié)豐富的貼圖以及合理的燈光設(shè)置。影視制作通常在追求視覺效果的同時(shí)追求制作效率，這就對制作團(tuán)隊(duì)所使用的軟件工具以及制作流程提出了較高的要求。如果要?jiǎng)澐终麄€(gè)制作流程，大致可以分為模型的建立、材質(zhì)貼圖的生成和渲染輸出三個(gè)主要部分。

2.1 模型的建立

作為整個(gè)制作流程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，三維模型是所有效果的載體，模型的優(yōu)劣直接影響最終畫面的觀賞度。數(shù)字雕刻是目前解決高細(xì)節(jié)模型所必需的主要手段之一［2］。傳統(tǒng)的多邊形建模在塑造角色大致形態(tài)方面雖然能基本滿足需求，但無法制作出更精細(xì)的細(xì)節(jié)效果，影視級角色在鏡頭畫面中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)特寫視角，此時(shí)為了保證畫面的真實(shí)性，即使是最細(xì)小的細(xì)節(jié)也不能被忽略，使用Pixologic公司開發(fā)的Zbrush這類數(shù)字雕刻工具能高效完成這類工作，比如角色的皮膚紋理、身體曲線上的微妙轉(zhuǎn)折等。通常制作者會(huì)利用Alpha灰度圖或者XYZ置換貼圖來鋪設(shè)諸如皮膚紋理一類的細(xì)節(jié)，利用軟件提供的各類筆刷快速完成角色的身體構(gòu)造。織物模型在角色建模制作中也是十分重要的一個(gè)部分，Marvelous Designer是目前制作人員首選的工具，盡管這個(gè)工具原本更偏向提供給服裝設(shè)計(jì)人員使用，但由于其織物解算的真實(shí)性，三維角色制作人員很快就將其應(yīng)用到自身的制作流程中，以求達(dá)到更逼真的布料形態(tài)以便用于影視等各類三維CG領(lǐng)域，這類工具要求制作人員對服裝的版樣知識有一定了解［3］。

除此以外，在角色的建模過程中，毛發(fā)的制作不同于普通的建模工具，由于毛發(fā)主要用于動(dòng)物或人物角色，其逼真性直接影響作品整體效果。傳統(tǒng)的“插片式”做法不僅效率低下，而且效果也達(dá)不到現(xiàn)今影視級角色的視覺效果要求。角色的毛發(fā)往往數(shù)量較多，使用專用的毛發(fā)制作工具是制作人員必然的選擇。通常使用的毛發(fā)工具有XGen和Ornatrix，這類工具雖然在操作上有一定區(qū)別，但其基本原理較為一致，都是先繪制出合理、準(zhǔn)確的毛發(fā)引導(dǎo)線，然后對毛發(fā)進(jìn)行批量生成形成毛發(fā)主體，之后再利用毛發(fā)工具補(bǔ)充毛發(fā)主體上不足的部分或增加一些細(xì)節(jié)以提高毛發(fā)的混亂度，以達(dá)到逼真、自然的毛發(fā)形態(tài)。此外，這類毛發(fā)工具所提供的豐富的毛發(fā)梳理工具也能夠幫助制作人員高效、順利地實(shí)現(xiàn)毛發(fā)形態(tài)的制作。各類主流渲染器也為XGen和Ornatrix等主流毛發(fā)插件提供了專用的毛發(fā)材質(zhì)。

2.2 材質(zhì)貼圖的生成

單純利用三維軟件的默認(rèn)著色方式外加Adobe Photoshop繪制貼圖紋理的方法已經(jīng)成為過去時(shí)，影視級的角色要求在材質(zhì)的質(zhì)感上能夠準(zhǔn)確還原其真實(shí)世界的物理屬性，在貼圖的表象上要求內(nèi)容更加豐富、自然。對于影視級的角色制作，材質(zhì)和貼圖的應(yīng)用主要反映在角色的皮膚、毛發(fā)、織物和裝備等方面。

為了追求皮膚的真實(shí)性，次表面散射材質(zhì)已經(jīng)成為皮膚材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)配置，這種材質(zhì)存在于各類主流渲染器中，比如Arnold渲染器的AiSkinSSS和V-Ray渲染器的AlSurface材質(zhì)等，這類次表面散射材質(zhì)能夠充分體現(xiàn)皮膚透光或不透明的特性，以滿足影視制作的需求，并且可以根據(jù)創(chuàng)作的需要靈活調(diào)整參數(shù)，以改變透光的效果［4］。當(dāng)然，次表面散射材質(zhì)仍要搭配優(yōu)秀的皮膚貼圖才能更好地制作出真實(shí)的角色，使用高分辨率的皮膚貼圖是不可或缺的，基于實(shí)拍的EXR格式的高分辨率反照皮膚貼圖自然就成為首選。利用Foundry Mari、Adobe Substance 3D Painter等軟件能夠很好地完成皮膚貼圖的對位和繪制，并且能夠制作出無縫的貼圖。

在角色的織物和裝備材質(zhì)貼圖的生成上，需要體現(xiàn)出自然的反射、劃痕、磨損以及灰塵等細(xì)節(jié)，這些都是為了讓三維角色能夠給觀眾帶來更逼真的感官體驗(yàn)。Adobe Substance 3D Painter是目前較為流行的制作工具，使用該軟件可以生成針對目前主流離線渲染器和Unity 3D、Unreal等實(shí)時(shí)渲染工具所對應(yīng)的材質(zhì)貼圖。作為PBR流程中最流行的制作工具，Adobe Substance 3D Painter所生成的材質(zhì)貼圖可以在不同的渲染平臺(tái)上還原正確的材質(zhì)物理屬性，且在跨平臺(tái)渲染時(shí)依然能得到基本一致的效果。

2.3 渲染輸出

目前主流離線渲染器的渲染效果基本能滿足影視角色的制作需求，比如Autodesk公司開發(fā)的3ds Max和Maya內(nèi)置的Arnold渲染器，或Chaos Group公司開發(fā)的V-Ray渲染器等。然而無論是哪種渲染工具，渲染效果優(yōu)劣的根本在于建模、材質(zhì)貼圖和布光三個(gè)環(huán)節(jié)的制作質(zhì)量。從建模的角度來看，模型對畫面的影響是較為直觀的，畫面上出現(xiàn)最多的是三維模型，精致、準(zhǔn)確且細(xì)節(jié)豐富的模型組合起來往往能使渲染出的作品更加震撼，同時(shí)也提高了畫面的耐看程度。

覆蓋于模型表面的材質(zhì)和貼圖也是觀看畫面時(shí)的重點(diǎn)，質(zhì)感和紋理的真實(shí)程度決定了三維角色是否看起來更加生動(dòng)、自然。從總體來看，這是直接決定渲染出的畫面是否足夠逼真的重要一環(huán)。而布光是經(jīng)常被人忽視的一個(gè)步驟，當(dāng)三維角色合成到實(shí)拍場景里看起來不夠真實(shí)時(shí)，單純調(diào)整材質(zhì)貼圖常常不能徹底解決問題，其實(shí)此時(shí)問題往往出在燈光的設(shè)置上，只有將三維的燈光設(shè)置接近自然環(huán)境時(shí)，畫面才能融合得更好。渲染器作為最終畫面的生成平臺(tái)，參數(shù)調(diào)節(jié)這一制作環(huán)節(jié)主要是在模型與材質(zhì)貼圖達(dá)到影視級標(biāo)準(zhǔn)以及布光正確的前提下，起到錦上添花的作用，其主要用于計(jì)算光線的準(zhǔn)確度和畫面的細(xì)膩程度。所以，當(dāng)畫面渲染不夠逼真時(shí)，如果沒有出現(xiàn)模型的共面、穿插以及結(jié)構(gòu)問題等明顯錯(cuò)誤，首先應(yīng)調(diào)整質(zhì)感和紋理，并檢查燈光的設(shè)置是否合理。

3 影視級三維角色與次世代游戲角色的異同

隨著虛幻等引擎的出現(xiàn)，游戲與影視動(dòng)畫的界限已逐步變得模糊，引擎的強(qiáng)大功能以及對硬件光線追蹤的支持，使其逐漸成為影視動(dòng)畫制作的主要工具之一。目前主流的游戲角色制作方式主要是基于次世代PBR流程，這與三維影視級角色的流程有很多的共同之處，但由于最終的用途各異，實(shí)際上二者的低模并不能通用，所以在流程上也存在一定的不同，主要體現(xiàn)在低模的布線、貼圖的使用以及渲染器的使用三個(gè)方面。

3.1 低模的布線

通常為了得到更好的模型細(xì)節(jié)，制作角色時(shí)，無論是影視級角色還是游戲角色，都會(huì)先基于一個(gè)布線合理的基礎(chǔ)角色模型制作高模。在這個(gè)階段，通常會(huì)使用數(shù)字雕刻的手段完成皮膚紋理的鋪設(shè)、織物和裝備細(xì)節(jié)的雕刻等。數(shù)字雕刻會(huì)后產(chǎn)生大量細(xì)節(jié)，此時(shí)的高模面數(shù)往往高達(dá)數(shù)億，甚至更多。這種模型不能滿足影視制作或游戲制作的要求，需要在盡量保持細(xì)節(jié)的前提下降低模型的面數(shù)，此時(shí)烘焙是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)［5］。影視級角色往往會(huì)直接在Zbrush中使用第細(xì)分級別的模型作為低模進(jìn)行烘焙工作，這種低模的布線是合理的，在之后的影視制作中的動(dòng)畫綁定中發(fā)揮著重要的作用，而且由于影視級效果往往追求逼真，所以在模型的面數(shù)上沒有嚴(yán)格限制。為了達(dá)到更細(xì)膩的效果，制作者并不會(huì)選擇最低級細(xì)分的模型作為烘焙對象，而會(huì)選擇3級左右的細(xì)分級別，以此烘焙出的法線或置換貼圖，在低模上能更好地還原高模的細(xì)節(jié)。然而，在次世代游戲中，由于要考慮游戲在不同檔次平臺(tái)上運(yùn)行的流暢性，對模型的面數(shù)有著嚴(yán)格控制，因此游戲中的低模往往需要重新對高模進(jìn)行拓?fù)洳僮?，且并不考慮布線的問題，游戲角色模型基本都是以三角面構(gòu)成而非影視級角色模型的四邊面。

3.2 貼圖的使用

在貼圖的使用方面，首先游戲制作中考慮到解碼運(yùn)行效率，TGA格式較為常見，而在影視CG中較為常用的圖片格式有Tiff、PNG等。在實(shí)際項(xiàng)目中，有時(shí)為了追求超寫實(shí)效果也會(huì)考慮使用體積更大的EXR格式。同時(shí)，游戲角色使用的貼圖分辨率較低，以此能達(dá)到減少硬件資源消耗的目的，影視級角色更注重的是貼圖的清晰度，不會(huì)重點(diǎn)考慮計(jì)算機(jī)資源消耗的問題，通常會(huì)使用分辨率較高的貼圖。

在低模還原高模細(xì)節(jié)這個(gè)方面，在制作游戲角色和影視級角色時(shí)，從高模烘焙至低模這一環(huán)節(jié)都是必經(jīng)的。在游戲制作里，法線貼圖是較為通用的，雖然法線貼圖在凹凸的表現(xiàn)上優(yōu)于傳統(tǒng)凹凸貼圖，但當(dāng)視線與模型面的夾角過小時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)光線投影不正確的現(xiàn)象，這不能完全滿足對于時(shí)常需要出現(xiàn)在特寫角度下的影視級角色制作需要。影視級角色模型在烘焙時(shí)更多地會(huì)生成置換貼圖，這類貼圖會(huì)在模型表面形成真實(shí)的形變，渲染器在進(jìn)行光線計(jì)算后得到的效果也更好［6］。除此以外，UV作為銜接模型與貼圖的重要環(huán)節(jié)，次世代游戲?qū)V空間的使用率更高，而影視級角色為了在渲染中追求更高的貼圖清晰度通常會(huì)使用UV多象限。

3.3 渲染器的使用

由于游戲和影視運(yùn)行的載體不同，在渲染器的選擇上二者也有明顯差異。游戲角色最終需要被引入引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，比如虛幻或Unity 3D。實(shí)時(shí)渲染器工作效率更高，但是其渲染畫面的精細(xì)度目前仍無法和離線渲染相比。實(shí)時(shí)渲染在一些特殊效果的體現(xiàn)上也相對較弱，比如次表面散射材質(zhì)、焦散等。影視級角色由于對畫面效果的要求較高，通常仍采用離線渲染的模式，盡管這種渲染方式耗時(shí)較長，但能滿足影視制作的視覺需求。當(dāng)然，離線渲染也有一些弱點(diǎn)，比如很多渲染器無法直接展現(xiàn)眩光效果，需要在渲染完成后再對畫面指定通道才能得到對應(yīng)效果，且調(diào)整起來不太方便。

4 結(jié)語

自2016年以來，全球影視行業(yè)人才一直處于增長的狀態(tài)，需求量巨大。特別是近幾年，3D電影、VR影視等新模式的出現(xiàn)很大程度上推動(dòng)了影視業(yè)的發(fā)展。在這樣的大環(huán)境下，行業(yè)對影視制作人員的需求不斷增加。在迎來機(jī)遇的同時(shí)挑戰(zhàn)也同樣存在，行業(yè)對影視制作人員的要求也在不斷提高，制作人員不僅要充分了解影視制作的全部流程，還要能在專業(yè)領(lǐng)域熟練掌握更多的軟件使用技巧。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，更新更強(qiáng)的圖形軟件不斷涌現(xiàn)，三維影視級角色的制作流程也朝著更新、更好、更高效的方向進(jìn)化，觀眾將在銀屏上觀賞到更美妙、震撼的影視畫面。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 渠浩，唐怡如.計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫技術(shù)在影視廣告設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2022（4）：165-168.

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作者簡介：姚超（1982—），男，江蘇南京人，碩士，講師，研究方向：數(shù)字三維制作、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論。