照片建模技術在影視作品中的應用
——以河南電視臺節目《黃河泥娃》為例

汪莉莎

（河南廣播電視臺制作部，河南 鄭州 450008）

1 傳統建模與照片建模的區別

1.1 傳統人工建模

傳統人工建模是模型師以平面圖為參考，基于三維坐標系定位物體，利用三維模型制作軟件將基本的幾何元素通過平移、旋轉、拉伸以及邏輯運算等處理來搭建復雜的場景。此種建模方式對模型制作人員的技術水平要求較高，系統制作成本高且工期較長，一般應用于游戲CG、動漫設計、影視制作以及建筑設計等方面。

1.2 照片建模

照片建模是根據所拍攝的照片自動構建三維數字模型。用戶用普通相機或者手機從不同視角拍攝照片，照片本身包含有豐富的場景信息，軟件能根據照片自動生成逼真的3D 模型。照片建模繪制速度快、真實感強、自動化程度高，為非專業建模人員提供了構建3D 模型的手段，具有廣泛的應用前景。

2 Reality Capture 照片建模技術原理

Reality Capture 是一種根據照片自動生成真實度極高的三維模型的軟件，通過對一個三維實體從不同角度拍攝有較高重復率的目標照片，以保證最后得到的模型沒有空洞和欠缺采樣部分。通過計算機提取每張照片的三維信息，優化照片重疊部分的信息，構建出物體的真實樣貌[1]。為了精確重構，建議照片之間應有90%以上的重疊。

3 照片建模流程及實際應用案例

以2022 年河南衛視春節聯歡晚會中的節目《黃河泥娃》為例，其節目場景制作是照片建模技術實際應用的成功案例，節目受到了廣大觀眾的喜愛。

3.1 技術運用

少兒舞蹈《黃河泥娃》節目制作采用實景與虛擬場景交融的技術，在人物摳像拍攝后結合泥塑元素構成三維場景，向觀眾展現黃河之畔孩童游玩的場景。場景選用的泥塑作品大多是復雜的個體模型，物件小、細節多，如果采用傳統的建模方法，很難在短時間內完成節目制作任務。此次采用Reality Capture 軟件照片建模，在三維軟件中優化模型與紋理，最終將其與摳像素材后期合成，呈現出最終的視覺效果[2]。

3.2 綠幕摳像

目前，利用藍幕、綠幕進行摳像合成是影視后期合成中的常用手段。本節目制作使用綠幕拍攝孩子們完整的舞蹈動作，直接對綠幕素材舞蹈鏡頭進行剪輯，剪輯完成后進行摳像處理。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、對齊照片并生成密集點云、創建三維模型、生成紋理以及導出模型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，快門速度1/16，感光度320。針對體積較小的模型拍攝時，固定鏡頭機位，將模型放置在轉臺上，分別以正向姿態、倒向姿態、側向姿態各進行360°環繞拍攝。

拍攝場景選在室內，光照均勻。由于本節目制作中的模型較大，因此采用模型位置固定，移動相機機位環繞拍攝。每一個機位拍攝多張圖片，每次只拍攝場景的局部畫面，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象的所有部分[3]。根據場景的需要，為了避免模型表面形成空洞，針對場景中有遮擋關系的部分補拍了照片，共計拍攝了446 張照片。

3.3.2 對齊照片與生成密集點云

在 菜單欄“Workflow”選項中選擇“Input”，將前期拍攝的所有合格的照片導入。在菜單欄“Workflow”選項中選擇“Align Images”，即選擇對齊圖片，在“Settings”選項中對精度等參數進行設置。由于目標對象的復雜程度不同，因此生成點云的過程耗時也有所不同。此次場景比較復雜，拍攝照片數量多，共耗時10 min，得到的點云模型共生成了4 938 657 個空間像素點，已經很清楚地還原了模型的大致形態。在圖像對齊過程中，Reality Capture軟件會計算相機拍攝參數和圖像的空間位置，在3D視圖中顯示為白色的小圓錐體，如圖3 所示。此外，軟件還可以自動過濾掉照片中虛化的背景。

圖3 密集點云

3.3.3 創建模型

執行“Reconstruction”菜單下的“Normal Detail”命令，因為此次節目制作的數據量較大，所以此命令執行時間較長，共耗時52 min，最后生成的三維白模包含了8 500 000 個三角面。

3.3.4 生成紋理

執行“Reconstruction”菜單下的“Texture”命令，使用默認選擇即可。此步驟耗時約42 min，模型還原效果較好。在照片建模過程中，物體表面紋理豐富的材質更容易重建，而且紋理細節還原度也相應更高。原物體表面沒有紋理的材質重建效果欠佳，例如白色瓷器、不銹鋼、玻璃等。此外，遮擋嚴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。如果對輸出結果不太滿意，可以使用3DMax或者Maya 軟件對模型進行修改和優化。

3.4 模型處理與優化

將照片建模導出的模型導入到三維建模軟件中，對模型進行修改和優化。常用的軟件有Maya、3DMax以及C4D等，以Maya軟件為例說明使用方法。在Maya 軟件中，在含有完整貼圖文件的數字模型上通過打燈光、調節渲染設置等操作即可得到滿足節目需要的虛擬環境。分區域掃描模型并導入三維建模軟件后，結合軟件中法線貼圖的凹凸方式能最大程度地保留被掃描物體的結構細節。將地面、房屋、路燈以及樹木等物品依次掃描，按規劃好的步驟導入三維建模軟件中，就得到了完整的場景模型。具體的渲染過程如圖5 所示。

圖5 渲染過程

由于掃描模型的部分結構特殊，因此導入軟件后會出現部分區域顯示錯誤、模型表面穿插等問題。原始掃描數據的質量由很多不確定性因素共同決定，例如儀器本身的誤差、目標物體表面粗糙程度、是否存在遮擋關系等[4]。對于表面非常光滑的目標物來說，很容易產生鏡面反射。這些不可避免的誤差會使測量數據中存在部分失真數據，從而影響曲面精度和模型質量[5]。掃描模型的過程中，數據失真的模型點往往會造成圖像出現很稀疏或位置錯亂的情況，導致模型的拓撲結構不均勻，需要用到Zbrush 等軟件輔助優化模型和修正模型拓撲結構。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產生與實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 等圖片處理軟件對貼圖文件進行角度矯正，將其轉化為正視圖投影角度，同時處理掉因掃描分辨率較低而產生的雜色，擦除圖片中陰影區域；其次將處理過的貼圖文件在三維軟件中重新調整UV 坐標，使其形成完整的匹配模型；最后通過三維軟件里的燈光調節，得到符合預期設定的色調和明暗關系。

紋理貼圖是在掃描過程中基于照片投射在模型點上的頂點著色生成的，模型點密度越高，貼圖細節越多。3D 掃描的模型數據拓撲結構紊亂，不能直接用Maya 軟件進行渲染輸出，需要采用多邊形建模技術進行優化，重新修改拓撲結構后再進行UV 貼圖和烘焙。模型越細膩、豐富、逼真，越容易獲得令人滿意的最終結果[6]。

3.5 后期合成

通過前期的摳像拍攝、鏡頭剪輯、摳像處理、人物影子合成、環境燈光合成、后期場景合成以及添加三維人物角色等處理，最終調色后完成節目的視頻畫面制作。

4 結語

利用照片建模軟件進行三維對象重建，其建模精度基本可以滿足電視節目制作播出的要求，完全可以運用到影視的后期制作中。相較于傳統的建模方式，使用照片建模技術可以有效提高節目制作效率，同時節約成本。隨著計算機技術的不斷發展和照片建模軟件的不斷更新完善，利用照片建模軟件進行三維對象重建具有一定的實用性，值得推廣。