汪莉莎

（河南廣播電視臺(tái)制作部，河南 鄭州 450008）

1 傳統(tǒng)建模與照片建模的區(qū)別

1.1 傳統(tǒng)人工建模

傳統(tǒng)人工建模是模型師以平面圖為參考，基于三維坐標(biāo)系定位物體，利用三維模型制作軟件將基本的幾何元素通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及邏輯運(yùn)算等處理來(lái)搭建復(fù)雜的場(chǎng)景。此種建模方式對(duì)模型制作人員的技術(shù)水平要求較高，系統(tǒng)制作成本高且工期較長(zhǎng)，一般應(yīng)用于游戲CG、動(dòng)漫設(shè)計(jì)、影視制作以及建筑設(shè)計(jì)等方面。

1.2 照片建模

照片建模是根據(jù)所拍攝的照片自動(dòng)構(gòu)建三維數(shù)字模型。用戶(hù)用普通相機(jī)或者手機(jī)從不同視角拍攝照片，照片本身包含有豐富的場(chǎng)景信息，軟件能根據(jù)照片自動(dòng)生成逼真的3D 模型。照片建模繪制速度快、真實(shí)感強(qiáng)、自動(dòng)化程度高，為非專(zhuān)業(yè)建模人員提供了構(gòu)建3D 模型的手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 Reality Capture 照片建模技術(shù)原理

Reality Capture 是一種根據(jù)照片自動(dòng)生成真實(shí)度極高的三維模型的軟件，通過(guò)對(duì)一個(gè)三維實(shí)體從不同角度拍攝有較高重復(fù)率的目標(biāo)照片，以保證最后得到的模型沒(méi)有空洞和欠缺采樣部分。通過(guò)計(jì)算機(jī)提取每張照片的三維信息，優(yōu)化照片重疊部分的信息，構(gòu)建出物體的真實(shí)樣貌[1]。為了精確重構(gòu)，建議照片之間應(yīng)有90%以上的重疊。

3 照片建模流程及實(shí)際應(yīng)用案例

以2022 年河南衛(wèi)視春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)中的節(jié)目《黃河泥娃》為例，其節(jié)目場(chǎng)景制作是照片建模技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的成功案例，節(jié)目受到了廣大觀(guān)眾的喜愛(ài)。

3.1 技術(shù)運(yùn)用

少兒舞蹈《黃河泥娃》節(jié)目制作采用實(shí)景與虛擬場(chǎng)景交融的技術(shù)，在人物摳像拍攝后結(jié)合泥塑元素構(gòu)成三維場(chǎng)景，向觀(guān)眾展現(xiàn)黃河之畔孩童游玩的場(chǎng)景。場(chǎng)景選用的泥塑作品大多是復(fù)雜的個(gè)體模型，物件小、細(xì)節(jié)多，如果采用傳統(tǒng)的建模方法，很難在短時(shí)間內(nèi)完成節(jié)目制作任務(wù)。此次采用Reality Capture 軟件照片建模，在三維軟件中優(yōu)化模型與紋理，最終將其與摳像素材后期合成，呈現(xiàn)出最終的視覺(jué)效果[2]。

3.2 綠幕摳像

目前，利用藍(lán)幕、綠幕進(jìn)行摳像合成是影視后期合成中的常用手段。本節(jié)目制作使用綠幕拍攝孩子們完整的舞蹈動(dòng)作，直接對(duì)綠幕素材舞蹈鏡頭進(jìn)行剪輯，剪輯完成后進(jìn)行摳像處理。摳像拍攝示例如圖1 所示，剪輯摳像素材示例如圖2 所示。

圖1 摳像拍攝

圖2 剪輯摳像素材

3.3 照片建模

Reality Capture 照片建模包括照片采集、對(duì)齊照片并生成密集點(diǎn)云、創(chuàng)建三維模型、生成紋理以及導(dǎo)出模型5 部分。

3.3.1 照片采集

此次泥塑作品拍攝選擇的相機(jī)是Sony A1，采用85 mm 定焦頭。為了保證拍攝物體的清晰度，光圈使用f20，快門(mén)速度1/16，感光度320。針對(duì)體積較小的模型拍攝時(shí)，固定鏡頭機(jī)位，將模型放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，分別以正向姿態(tài)、倒向姿態(tài)、側(cè)向姿態(tài)各進(jìn)行360°環(huán)繞拍攝。

拍攝場(chǎng)景選在室內(nèi)，光照均勻。由于本節(jié)目制作中的模型較大，因此采用模型位置固定，移動(dòng)相機(jī)機(jī)位環(huán)繞拍攝。每一個(gè)機(jī)位拍攝多張圖片，每次只拍攝場(chǎng)景的局部畫(huà)面，以保證拍攝物體的輪廓清晰。此外，要保證每幅照片的曝光值一致，像素清晰，拍攝路徑需要盡可能覆蓋拍攝對(duì)象的所有部分[3]。根據(jù)場(chǎng)景的需要，為了避免模型表面形成空洞，針對(duì)場(chǎng)景中有遮擋關(guān)系的部分補(bǔ)拍了照片，共計(jì)拍攝了446 張照片。

3.3.2 對(duì)齊照片與生成密集點(diǎn)云

在 菜單欄“Workflow”選項(xiàng)中選擇“Input”，將前期拍攝的所有合格的照片導(dǎo)入。在菜單欄“Workflow”選項(xiàng)中選擇“Align Images”，即選擇對(duì)齊圖片，在“Settings”選項(xiàng)中對(duì)精度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于目標(biāo)對(duì)象的復(fù)雜程度不同，因此生成點(diǎn)云的過(guò)程耗時(shí)也有所不同。此次場(chǎng)景比較復(fù)雜，拍攝照片數(shù)量多，共耗時(shí)10 min，得到的點(diǎn)云模型共生成了4 938 657 個(gè)空間像素點(diǎn)，已經(jīng)很清楚地還原了模型的大致形態(tài)。在圖像對(duì)齊過(guò)程中，Reality Capture軟件會(huì)計(jì)算相機(jī)拍攝參數(shù)和圖像的空間位置，在3D視圖中顯示為白色的小圓錐體，如圖3 所示。此外，軟件還可以自動(dòng)過(guò)濾掉照片中虛化的背景。

圖3 密集點(diǎn)云

3.3.3 創(chuàng)建模型

執(zhí)行“Reconstruction”菜單下的“Normal Detail”命令，因?yàn)榇舜喂?jié)目制作的數(shù)據(jù)量較大，所以此命令執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，共耗時(shí)52 min，最后生成的三維白模包含了8 500 000 個(gè)三角面。

3.3.4 生成紋理

執(zhí)行“Reconstruction”菜單下的“Texture”命令，使用默認(rèn)選擇即可。此步驟耗時(shí)約42 min，模型還原效果較好。在照片建模過(guò)程中，物體表面紋理豐富的材質(zhì)更容易重建，而且紋理細(xì)節(jié)還原度也相應(yīng)更高。原物體表面沒(méi)有紋理的材質(zhì)重建效果欠佳，例如白色瓷器、不銹鋼、玻璃等。此外，遮擋嚴(yán)重或者鏤空的物體重建效果也較差。紋理生成示例如圖4 所示。

圖4 紋理生成

3.3.5 導(dǎo)出模型

在菜單“Export”下選擇“Mesh”命令，可以生成obj 或fbx 格式的文件，這是建模軟件生成的最終成果。如果對(duì)輸出結(jié)果不太滿(mǎn)意，可以使用3DMax或者M(jìn)aya 軟件對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化。

3.4 模型處理與優(yōu)化

將照片建模導(dǎo)出的模型導(dǎo)入到三維建模軟件中，對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化。常用的軟件有Maya、3DMax以及C4D等，以Maya軟件為例說(shuō)明使用方法。在Maya 軟件中，在含有完整貼圖文件的數(shù)字模型上通過(guò)打燈光、調(diào)節(jié)渲染設(shè)置等操作即可得到滿(mǎn)足節(jié)目需要的虛擬環(huán)境。分區(qū)域掃描模型并導(dǎo)入三維建模軟件后，結(jié)合軟件中法線(xiàn)貼圖的凹凸方式能最大程度地保留被掃描物體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。將地面、房屋、路燈以及樹(shù)木等物品依次掃描，按規(guī)劃好的步驟導(dǎo)入三維建模軟件中，就得到了完整的場(chǎng)景模型。具體的渲染過(guò)程如圖5 所示。

圖5 渲染過(guò)程

由于掃描模型的部分結(jié)構(gòu)特殊，因此導(dǎo)入軟件后會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域顯示錯(cuò)誤、模型表面穿插等問(wèn)題。原始掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量由很多不確定性因素共同決定，例如儀器本身的誤差、目標(biāo)物體表面粗糙程度、是否存在遮擋關(guān)系等[4]。對(duì)于表面非常光滑的目標(biāo)物來(lái)說(shuō)，很容易產(chǎn)生鏡面反射。這些不可避免的誤差會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)中存在部分失真數(shù)據(jù)，從而影響曲面精度和模型質(zhì)量[5]。掃描模型的過(guò)程中，數(shù)據(jù)失真的模型點(diǎn)往往會(huì)造成圖像出現(xiàn)很稀疏或位置錯(cuò)亂的情況，導(dǎo)致模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不均勻，需要用到Zbrush 等軟件輔助優(yōu)化模型和修正模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除此之外，受照片掃描分辨率不夠和照片拍攝角度不佳等因素的影響，掃描模型后生成的貼圖文件也會(huì)產(chǎn)生與實(shí)際物體不相符的誤差。這種情況下，一般不能直接將貼圖文件用于三維渲染。首先使用Photoshop 等圖片處理軟件對(duì)貼圖文件進(jìn)行角度矯正，將其轉(zhuǎn)化為正視圖投影角度，同時(shí)處理掉因掃描分辨率較低而產(chǎn)生的雜色，擦除圖片中陰影區(qū)域；其次將處理過(guò)的貼圖文件在三維軟件中重新調(diào)整UV 坐標(biāo)，使其形成完整的匹配模型；最后通過(guò)三維軟件里的燈光調(diào)節(jié)，得到符合預(yù)期設(shè)定的色調(diào)和明暗關(guān)系。

紋理貼圖是在掃描過(guò)程中基于照片投射在模型點(diǎn)上的頂點(diǎn)著色生成的，模型點(diǎn)密度越高，貼圖細(xì)節(jié)越多。3D 掃描的模型數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)紊亂，不能直接用Maya 軟件進(jìn)行渲染輸出，需要采用多邊形建模技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，重新修改拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后再進(jìn)行UV 貼圖和烘焙。模型越細(xì)膩、豐富、逼真，越容易獲得令人滿(mǎn)意的最終結(jié)果[6]。

3.5 后期合成

通過(guò)前期的摳像拍攝、鏡頭剪輯、摳像處理、人物影子合成、環(huán)境燈光合成、后期場(chǎng)景合成以及添加三維人物角色等處理，最終調(diào)色后完成節(jié)目的視頻畫(huà)面制作。

4 結(jié)語(yǔ)

利用照片建模軟件進(jìn)行三維對(duì)象重建，其建模精度基本可以滿(mǎn)足電視節(jié)目制作播出的要求，完全可以運(yùn)用到影視的后期制作中。相較于傳統(tǒng)的建模方式，使用照片建模技術(shù)可以有效提高節(jié)目制作效率，同時(shí)節(jié)約成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和照片建模軟件的不斷更新完善，利用照片建模軟件進(jìn)行三維對(duì)象重建具有一定的實(shí)用性，值得推廣。