基于數字三維的影視級角色制作研究

摘要：計算機技術的進步使數字三維技術在影視制作中發揮著越來越重要的作用，其中角色制作已成為一個重要的部分。三維影視級角色的制作有一套相對獨立的流程，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。正確認識工具，進而合理地使用和組合是制作好三維影視級角色的關鍵。在制作流程上，次世代游戲角色制作流程有時會與影視級角色制作流程相混淆，二者確實有較多的相似點，但無論是最終用途還是視覺標準都有很明顯的差異。基于此，文章研究基于數字三維的影視級角色制作，以供參考。

關鍵詞：數字三維；影視級角色；角色制作

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

0 引言

數字三維技術自出現以來一直廣受關注，20世紀90年代初就已經出現引入數字三維元素的影視作品。隨著技術的發展，越來越多的影視作品開始加入由數字三維技術制作的角色。限于當時的技術條件，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到今天影視級的標準。數字雕刻技術和PBR流程的出現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制作流程，如今出現的各類軟件已經專業化，分工更明確，從而形成了一個制作體系。本文從影視制作中使用數字三維技術的優勢、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 影視制作中使用數字三維技術的優勢

三維模型是一種利用計算機生成的圖像，真實世界中的絕大部分物體都可以被三維技術模擬生成，因此三維元素被廣泛應用到影視制作中［1］。能夠達到足夠的逼真效果并能在后期合成后與影視實拍環境相融合且適合進行動畫設置的角色模型基本上達到了“影視級”的標準。

在影視制作中使用三維技術最大的優點在于可以節約拍攝成本。使用三維技術后，攝制組無須搭建或破壞真實的場景、物體就能獲得拍攝所需要的視覺效果，這在很大程度上節約了攝制成本。在角色制作方面，三維技術可以創造現實中沒有的角色，這在當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，但這種傳統而單一的制作方式已經徹底無法滿足當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分辨率的屏幕已經走進千家萬戶，超清晰的畫面能給觀眾帶來更佳的視覺體驗。但在這樣的分辨率下，傳統方式制作出的三維模型由于精度較低，其缺點也會被進一步放大。較低的精度指的是模型細節不足，材質的物理屬性還原不夠以及貼圖繪制不夠自然，導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拍畫面中，進而無法滿足影視合成的需求。

三維精度較低并不能簡單認為是三維渲染造成的，因為無論哪一種渲染器，都只是三維制作最后環節的輸出平臺。目前，不同的渲染器除了在光線的計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、更準確的材質和細節豐富的貼圖以及合理的燈光設置。影視制作通常在追求視覺效果的同時追求制作效率，這就對制作團隊所使用的軟件工具以及制作流程提出了較高的要求。如果要劃分整個制作流程，大致可以分為模型的建立、材質貼圖的生成和渲染輸出三個主要部分。

2.1 模型的建立

作為整個制作流程中最重要的一個環節，三維模型是所有效果的載體，模型的優劣直接影響最終畫面的觀賞度。數字雕刻是目前解決高細節模型所必需的主要手段之一［2］。傳統的多邊形建模在塑造角色大致形態方面雖然能基本滿足需求，但無法制作出更精細的細節效果，影視級角色在鏡頭畫面中時常會出現特寫視角，此時為了保證畫面的真實性，即使是最細小的細節也不能被忽略，使用Pixologic公司開發的Zbrush這類數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折等。通常制作者會利用Alpha灰度圖或者XYZ置換貼圖來鋪設諸如皮膚紋理一類的細節，利用軟件提供的各類筆刷快速完成角色的身體構造。織物模型在角色建模制作中也是十分重要的一個部分，Marvelous Designer是目前制作人員首選的工具，盡管這個工具原本更偏向提供給服裝設計人員使用，但由于其織物解算的真實性，三維角色制作人員很快就將其應用到自身的制作流程中，以求達到更逼真的布料形態以便用于影視等各類三維CG領域，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，毛發的制作不同于普通的建模工具，由于毛發主要用于動物或人物角色，其逼真性直接影響作品整體效果。傳統的“插片式”做法不僅效率低下，而且效果也達不到現今影視級角色的視覺效果要求。角色的毛發往往數量較多，使用專用的毛發制作工具是制作人員必然的選擇。通常使用的毛發工具有XGen和Ornatrix，這類工具雖然在操作上有一定區別，但其基本原理較為一致，都是先繪制出合理、準確的毛發引導線，然后對毛發進行批量生成形成毛發主體，之后再利用毛發工具補充毛發主體上不足的部分或增加一些細節以提高毛發的混亂度，以達到逼真、自然的毛發形態。此外，這類毛發工具所提供的豐富的毛發梳理工具也能夠幫助制作人員高效、順利地實現毛發形態的制作。各類主流渲染器也為XGen和Ornatrix等主流毛發插件提供了專用的毛發材質。

2.2 材質貼圖的生成

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

為了追求皮膚的真實性，次表面散射材質已經成為皮膚材質的標準配置，這種材質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材質等，這類次表面散射材質能夠充分體現皮膚透光或不透明的特性，以滿足影視制作的需求，并且可以根據創作的需要靈活調整參數，以改變透光的效果［4］。當然，次表面散射材質仍要搭配優秀的皮膚貼圖才能更好地制作出真實的角色，使用高分辨率的皮膚貼圖是不可或缺的，基于實拍的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貼圖的生成上，需要體現出自然的反射、劃痕、磨損以及灰塵等細節，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。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等實時渲染工具所對應的材質貼圖。作為PBR流程中最流行的制作工具，Adobe Substance 3D Painter所生成的材質貼圖可以在不同的渲染平臺上還原正確的材質物理屬性，且在跨平臺渲染時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公司開發的3ds Max和Maya內置的Arnold渲染器，或Chaos Group公司開發的V-Ray渲染器等。然而無論是哪種渲染工具，渲染效果優劣的根本在于建模、材質貼圖和布光三個環節的制作質量。從建模的角度來看，模型對畫面的影響是較為直觀的，畫面上出現最多的是三維模型，精致、準確且細節豐富的模型組合起來往往能使渲染出的作品更加震撼，同時也提高了畫面的耐看程度。

覆蓋于模型表面的材質和貼圖也是觀看畫面時的重點，質感和紋理的真實程度決定了三維角色是否看起來更加生動、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。而布光是經常被人忽視的一個步驟，當三維角色合成到實拍場景里看起來不夠真實時，單純調整材質貼圖常常不能徹底解決問題，其實此時問題往往出在燈光的設置上，只有將三維的燈光設置接近自然環境時，畫面才能融合得更好。渲染器作為最終畫面的生成平臺，參數調節這一制作環節主要是在模型與材質貼圖達到影視級標準以及布光正確的前提下，起到錦上添花的作用，其主要用于計算光線的準確度和畫面的細膩程度。所以，當畫面渲染不夠逼真時，如果沒有出現模型的共面、穿插以及結構問題等明顯錯誤，首先應調整質感和紋理，并檢查燈光的設置是否合理。

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，游戲與影視動畫的界限已逐步變得模糊，引擎的強大功能以及對硬件光線追蹤的支持，使其逐漸成為影視動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，主要體現在低模的布線、貼圖的使用以及渲染器的使用三個方面。

3.1 低模的布線

通常為了得到更好的模型細節，制作角色時，無論是影視級角色還是游戲角色，都會先基于一個布線合理的基礎角色模型制作高模。在這個階段，通常會使用數字雕刻的手段完成皮膚紋理的鋪設、織物和裝備細節的雕刻等。數字雕刻會后產生大量細節，此時的高模面數往往高達數億，甚至更多。這種模型不能滿足影視制作或游戲制作的要求，需要在盡量保持細節的前提下降低模型的面數，此時烘焙是一個必要的環節［5］。影視級角色往往會直接在Zbrush中使用第細分級別的模型作為低模進行烘焙工作，這種低模的布線是合理的，在之后的影視制作中的動畫綁定中發揮著重要的作用，而且由于影視級效果往往追求逼真，所以在模型的面數上沒有嚴格限制。為了達到更細膩的效果，制作者并不會選擇最低級細分的模型作為烘焙對象，而會選擇3級左右的細分級別，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節。然而，在次世代游戲中，由于要考慮游戲在不同檔次平臺上運行的流暢性，對模型的面數有著嚴格控制，因此游戲中的低模往往需要重新對高模進行拓撲操作，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。在實際項目中，有時為了追求超寫實效果也會考慮使用體積更大的EXR格式。同時，游戲角色使用的貼圖分辨率較低，以此能達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，不會重點考慮計算機資源消耗的問題，通常會使用分辨率較高的貼圖。

在低模還原高模細節這個方面，在制作游戲角色和影視級角色時，從高模烘焙至低模這一環節都是必經的。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上優于傳統凹凸貼圖，但當視線與模型面的夾角過小時，依然會出現光線投影不正確的現象，這不能完全滿足對于時常需要出現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更多地會生成置換貼圖，這類貼圖會在模型表面形成真實的形變，渲染器在進行光線計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節，次世代游戲對UV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使用UV多象限。

3.3 渲染器的使用

由于游戲和影視運行的載體不同，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行實時渲染，比如虛幻或Unity 3D。實時渲染器工作效率更高，但是其渲染畫面的精細度目前仍無法和離線渲染相比。實時渲染在一些特殊效果的體現上也相對較弱，比如次表面散射材質、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較長，但能滿足影視制作的視覺需求。當然，離線渲染也有一些弱點，比如很多渲染器無法直接展現眩光效果，需要在渲染完成后再對畫面指定通道才能得到對應效果，且調整起來不太方便。

4 結語

自2016年以來，全球影視行業人才一直處于增長的狀態，需求量巨大。特別是近幾年，3D電影、VR影視等新模式的出現很大程度上推動了影視業的發展。在這樣的大環境下，行業對影視制作人員的需求不斷增加。在迎來機遇的同時挑戰也同樣存在，行業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，還要能在專業領域熟練掌握更多的軟件使用技巧。隨著計算機圖形學和計算機硬件的快速發展，更新更強的圖形軟件不斷涌現，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：

［1］ 渠浩，唐怡如.計算機三維動畫技術在影視廣告設計中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2022（4）：165-168.

［2］ 施雨晗，余日季. 3D數字雕刻技術在三維角色設計與模型制作中的應用研究［J］.傳播力研究，2019，3（33）：282-283.

［3］ 陳湄雙，占鈺琪，吳凡.基于Marvelous Designer技術的三維服裝建模［J］.福建電腦，2018，34（7）：8-9.

［4］ 李峰，李娜.用專業級VRay渲染器制作3S效果［J］.天中學刊，2006（5）：60-61.

［5］ 南琳施，曉芳.三維角色建模及動畫制作［J］.長春工業大學學報，2021，42（5）：474-480.

［6］ 姚超.淺談切線空間法線貼圖在三維建模中的應用［J］.大眾文藝，2016（23）：76-77.

作者簡介：姚超（1982—），男，江蘇南京人，碩士，講師，研究方向：數字三維制作、計算機圖形學理論。