图像三维建模流程管理在影视制作中的应用研究.docx

    图像三维建模流程管理在影视制作中的应用研究    摘  要：影视产业的迅猛发展推动了影视数字特效的技术提升影视片需要制作大量的三维数字资产，如数字角色替身、三维场景复原、数字道具等图片三维建模技术为此提供了一个便捷高效的技术途径，这种技术手段可以获得高质量的三维模型和纹理贴图探索图像三维建模在影视制作当中相关的流程规范与技术指标，具有实际应用意义和推广价值Key：图像三维建模;三维重构;图像采样;三维数字资产一、引言基于图片三维建模是一种通过照片序列生成三维模型的便捷高效率建模方法相对于激光三维扫描建模，它具有可操作性强、成本低廉、对采样拍摄环境要求低等优点，同时，还可以获取高还原度的纹理贴图使用该技术手段生成的三维数字资产可以在影视特效制作、游戏动漫、虚拟现实等领域应用该技术的项目实践证明，图像三维建模生成的模型精度高，纹理贴图还原准确，具有良好的市场应用价值对于高预算的院线级影片可以使用lightstage生成高还原度的角色三维模型和贴图，但此技术方案成本高，设备占地面积大，不适合移动，难以在影片拍摄现场扫描相关的道具、角色以及场景因此，针对影视行业的需求，探索出一套适合影视制作需求的图像三维建模流程和技术参考具有实际应用价值。

二、技术流程与规范图1是图像建模的工作流程，其中，图像采集手段包括无人机高空拍摄、深度相机拍摄、相机矩阵拍摄、相机360度环绕拍摄、手持采集设备拍摄方式图像采集的原理是多角度围绕被扫描拍摄采样图片序列，相邻两张图片之间的重叠率在60%左右[1]采集好的图片序列帧统一导入后期软件如light room、Nuke、达芬奇等软件进行图片格式转换、色彩空间匹配、调色、输出等工作然后，再把处理好的图片导入对应的图片建模软件如Agisoft Photoscan、Reality Capture等，计算生成三维模型通过标定相机、重组图片、点云匹配、建立网格、纹理映射等技术流程，电脑计算生成三维模型和纹理贴图最后，对生成的三维模型进行网格优化、重新拓扑、简化网格、比例缩放等调整，甚至还要根据影视片制作需求从新切割扫描所获取的三维模型中，分离出不同的零部件模型，并为之制作对应的数字动画特效通过图像建模软件生成的纹理映射也需要在相关纹理贴图处理软件调整贴图的材质属性、局部纹理细节、阴影亮度和噪点等，才可以作为最终的纹理贴图应用在数字特效镜头当中以上就是图片三维建模在影视制作中前期采样、图像处理、模型生成、模型和材质贴图处理、后期特效制作的相关流程概述。

影视制作对图片三维建模有特殊要求和标准，相对于工业三维扫描建模和文物数字化三维保存的要求，影视三维模型的绝对误差率要求相对低一点，前者都需要最低偏差的还原被扫描对象的外形尺寸、结构、表面粗糙度、以及纹理和表面质感，而影视用三维模型一切都是为了影片的镜头服务如果使用的模型在画面的背景或者焦点以外，为了提高计算速度，会把扫描获取的高精度模型转化成低模，利用低模和高模计算出法线贴图把发线贴图和其它纹理贴图赋予低模，同样可以获得符合影视制作需求的三维模型对于需要制作肢体动作和表情的角色或生物的图片三维扫描，要在获得高精度三维模型的基础上，重新拓扑布线结构才能达到影视动画制作要求另外，影视三维模型使用的纹理贴图要求分辨率高、还原度准确，这样才可以满足特写镜头的细节还原要求如果条件允许最好能分离出被扫描物体的漫反射、高光反射、凹凸甚至是法线等纹理通道信息，并把对应的信息通道赋予相关材质节点三、校正与采样（一）摄影器材矫正无论使用单台相机或者多台相机组成阵列拍摄，都必须要统一矫正相机的存储格式、文件尺寸色彩管理模式、色温等重要参数为了匹配专业电影数字摄影机的高感光动态范围和高色彩深度，使用相机拍摄的图片也要有足够的亮度动态范围，这样可以保证三维模型的纹理贴图有更多的层次细节。

因此，首先相机必须使用RAW格式和最高分辨率记录图像，该文件格式可以最大限度地储存曝光动态范围信息同时还能自由调节色温和暗部亮度层次，以及可以优化暗部噪点其次，相机要使用log色彩模式记录图片，这种灰度色彩模式可以记录更大的光线亮度动态范围，但需要统一在后期转换色彩模式二）图片采样拍摄无论使用50毫米标准镜头或者35毫米镜头拍摄，图片都会存在镜头畸变的问题因此，需要拍摄几何失真畸变测试卡，然后在后期矫正镜头畸变采样拍摄前需要拍摄标准色卡，以便在后期软件矫正相机的色差，提高色彩还原精确度，避免造成纹理贴图色彩误差图片建模的相片要求画面的前后都必须要清晰才可以更容易地计算出对应图片的空间拍摄位置，有利于空间重构运算但一般不建议使用长焦镜头和使用大光圈拍摄，长焦镜头和大光圈都会造成浅景深，产生虚化背景的效果根据测试对比，应该尽量使用F5.6以上的光圈值进行曝光，因为以上的特殊曝光组合需求，我们可以适当增加相机感光度以提高曝光效果另外，目前市场上主流的微单或者单反相机曝光动态范围大，经过测试主流相机在ISO1200依然有足够的细节还原和良好的噪点控制图片的采样点分布和采样重叠率会影响三维模型还原准确度，一般需要以被采样对象为中心，沿固定半径360度全面覆盖进行采样。

采样点可以沿着经纬线走向有规则地在固定角度间距拍摄采样无人机高空环绕飞行拍摄、道具环绕拍摄采样都可以参照这种轨迹进行拍摄一般环绕被采样对象一圈拍摄8-9张图片，环形拍摄的重叠率甚至要达到70%左右才达到最理想的采样质量[2]根据不同的拍摄对象，可以环绕拍摄4-6圈对于高空飞行采样或者结构复杂物体的采样点，可以多拍摄1-2组不同角度和距离的照片，提高采样还原度三）空间重构参考点布置与校正无论是使用深度照相机或者普通相机进行手持360度环绕拍摄，或是把扫描对象放在旋转台上拍摄，均会出现不同程度的三维空间计算错误，其主要原因是三维空间重构参考点不足或者参考点被干扰，而导致相机定位和三维空间出现还原错误，因此，图片三维扫描建模必须要有足够的空间参照点对于空间参考点的处理有两种手段1.被扫描物体所处环境的特征足够明显，并能形成固定参考点，而且没有玻璃、高亮金属反光的干擾根据需要粘贴空间特征参考点，增强空间还原信息，直接带着这些空间背景和被扫描物体一起拍摄采样通过计算还原出被扫描物体和背景参考物的点云，最后排除背景的点云，使用被扫描物的点云生成网格模型2.搭建黑色或白色纯背景，使用旋转拍摄台放置被扫描对象。

在旋转台上放置标准色卡或者图案特征明显的图片作为空间还原参考物体这种做法可以生成干净的点云，没有杂乱的背景点云干扰，但不适合扫描垂直轴对称物体采样时，被扫描物体和背景若有移动的物体和光线变化都会造成空间参照点被干扰，产生空间复原计算偏差另外，建议在采样背景放置标准色卡，它既可以增强空间特征，提高三维重构的精确度，还能用作色彩还原参照四）材质属性提取和纹理采样传统图像三维建模一般会使用偏振镜过滤被拍摄表面的高光反射和镜面反射光线，目的是避免三维模型在软件渲染的时候出现伪高光点和反射光，同时也有助于获取干净的漫反射纹理贴图在三维软件使用带有伪高光点和反射光贴图渲染模型，会出现不受灯光照射角度改变而变化的假反射光和高光点这种情况会降低渲染的真实度对于影视三维模型扫描，需要采集不同质感和造型的道具、场景、角色扫描对象的反光、镜面反射强度、表面粗糙度、凹凸纹理等信息没有过滤和分离会造成模型和贴图还原的误差，但是，这些材质信息都应该使用技术手段分离成不同的分通道储存下来对于大型矩阵相机扫描平台可以通过调整灯光参数获取丰富的表面材质信息用于生成不同的纹理贴图通道，对于便携式图像扫描装置，此功能难以实现。

通过试验，设计出一套分光式双机位同步图像采集装置或者电控旋转偏振镜片支架都可以解决以上部分问题这些改装的装置可以精确地实现同步同角度采集两张图片，其中一张利用偏振镜过滤高光和反射光信息，另外一张图片使用相机直接拍摄图片把这两张图片导入后期软件，使用Nuke等软件的差值图层运算可以计算出纹理的高光通道该通道信息用在材质的反射区域和镜面反射等节点，使用偏振镜过滤高光和反射光的图片可以计算出漫反射纹理这两种纹理通道信息可以提高纹理表现和材质属性的还原度对于三维扫描最理想的光照是使用照度均匀的漫反射光作为灯光照明一般情况下不建议使用自然光直接照射被扫描物体进行拍摄自然光受到太阳照射角度变化，云层流动等信息干扰，光照的亮度和角度都会随时发生变化另外，太阳光或者天空的漫反射光都会产生生硬的暗部投影或者反差过大的阴影区域，最理想的光照条件是使用影视灯具进行多角度柔化照明影视灯具可以通过大型柔光板间接照明，或者使用反光板反射照明，避免在被扫描物体上出现高光点或者过暗的阴影这种灯光照明方式可以计算出层次丰富、反差适合、暗部细节足够、噪点低的纹理贴图四、后期图像处理与模型重构图像采集完毕以后，要把图像导入后期图像处理软件进行批处理转换文件格式。

因为常规图像建模软件不可以读取RAW格式文件转换格式的同时可以调整图片暗部曲线和加载lut、调整图片暗部，最终可以输出 TIF序列帧或者高质量的JPG序列帧批处理校正相机色彩每一次进行图像采集之前都要为每一台相机拍摄标准色卡，利用所拍摄到带有标准色卡的图片导入达芬奇等后期调色软件统一矫正拍摄图片的色差不同品牌的相机、不同的光照条件以及色温差异都会导致所拍摄图片的颜色与真实物体的色彩有色差，拍摄标准色卡能够快速有效地矫正以上问题所带来的色彩差异，提高色彩还原的准确度调整好的图片可以输入到三维图片建模软件进行空间重构，图片三维建模软件要完成照片重组、匹配点云（密集/稀疏）、网格建立、纹理映射、输出模型与贴图流程五、影视三维模型扫描类型影视制作使用的三维模型基本可以分为三大类：场景类、道具类、角色类每一类的三维扫描和用途都有对应的行业规范和技术参考一）场景类场景类三维扫描的对象包含自然地貌、乡村和城市、建筑物这些场景一般会用在绿幕拍摄镜头的背景或者合成到实拍镜上例如在绿幕前拍摄演员坐在火车厢里面，透過车窗观看窗外山川河流大景色这些窗外的山河景观适合使用无人机航拍进行扫描拍摄，但拍摄空域一定要是允许飞行的范围。

无人机分别以横向和纵向方式分区拍摄扫描，对于单体建筑物可以使用兴趣点环绕飞行模式，调整不同的高度进行拍摄采样因为无人机航拍容易受到云层遮挡，还会遇到逆光角度和顺光的角度而导致标准曝光点偏差大，所以建议使用无人机自带的log色彩模式记录图片，以提高图片的曝光宽容度同时，还要使用手动曝光模式，以保证相片序列的曝光不会产生突发的变化而导致相片序列明暗不一致采集完成的图片序列，先进入达芬奇或者Nuke软件统一转换色彩空间，并整体调色确保不会出现亮度过曝和暗部细节层次丢失的情况针对场景的图片，三维建模场景建议生成高密度网格模型，这种精度的模型可以最大限度保留物体表面几何细节然后，可以根据影视片制作需求和三维模型应用在镜头的主体位置还是背景等情况，有针对性地简化三维网格的密度，制作出符合需求的简模最后，利用三维软件或者纹理贴图绘制软件计算出高低精度两个模型的法线贴图简化了网格面的三维模型增加了法线贴图、漫反射贴图等纹理通道，可以渲染出足够的表面几何细节和材质属性另外，如模型中有河流湖泊需要对这一区域的纹理贴图绘制蒙版时，可以单独调节这一区域的镜面反射、反光强度、表面粗糙度等材质属性，以便制作出水面的反光特性。

调整好的三维场景模型，可以导入三维软件或者数字合成软件Nuke等，重新匹配实拍镜头、调整比例和空间位置关系，最后再打灯光渲染与实拍画面合成在一起二）道具类影视制作的道具类型多样，道具尺寸大小各异，小到古装片的一把飞刀、一枚暗器，大到年代影片的旧卡车、螺旋桨飞机、老沙发影视片中只要和演员产生互动的物体都算是道具不少道具。