三维扫描技术在影视动画中的应用

□文/王建磊，苏州市旅游与财经等职业技术学校艺术系教师

电影《本杰明·巴顿奇事》海报

自20世纪70年代以来，由于计算机技术的不断发展，数字技术在影视动画中的应用逐渐广泛，并已成为影视动画制作中不可缺少的一部分。美国导演詹姆斯·卡梅隆说道:“视觉娱乐影像制作的艺术和技术正在发生着一场革命，这场革命给我们制作电影和其它视觉媒体节目的方式带来了深刻变化，以至于我们只能用出现了一场数字化文艺复兴运动来描述它。”随着电影数字化程度的发展，在测量和逆向工程领域应用广泛的三维扫描技术逐渐应用到影视动画的制作中，并对影视动画的制作具有较为深远的影响。

一、何为三维扫描技术

三维扫描仪是用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据(如颜色、纹理等性质)的科学仪器。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云，用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，即所谓的材质印射。

三维扫描仪大体分为接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪。其中非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪(也称拍照式三维描仪)和激光扫描仪。而光栅三维扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。三维扫描在工业设计、地貌测量、数字文物典藏、影视动画、游戏创作素材等领域应用广泛。在影视动画的制作中，非接触式的拍照式三维扫描仪和激光扫描仪在虚拟物体的创建中发挥着重要作用，也是目前应用最广泛的三维扫描技术。

二、三维扫描技术在影视动画中的应用

随着计算机图形图像技术的发展，数字技术越来越广泛地应用于影视、动画、游戏、广告等众多领域，实现了过去无法想象的特技效果，给人们带来了全新的视觉感受，成为高质量数字媒体制作中不可缺少的手段。随着影视动画数字化趋势的发展，高质而逼真的三维虚拟物体是高清画面必不可少的元素。三维模型创建的方法主要有两个，即完全在计算机中虚拟构造和设法获得实物的三维彩色模型。但对于真实的、复杂的物体，例如人物，再好的模型师也无法将真实的人等比完整复制，正所谓“画鬼容易画人难”。于是三维扫描技术在数字影视的仿真模型制作中，显得非常重要，如对真实角色的面部或者身体再现、三维场景的仿真、道具和装饰物等模型的创建等方面。

(一)角色的创建

角色是影视动画作品创作的核心，也是作品的灵魂。在影视动画的角色创建过程中，三维扫描技术主要表现在数字替身和精细模型创建两方面。

对于影视中的替身主要是指代替影片中原演员表演某些特殊和高难度的动作和技能，或原演员所不能胜任的惊险动作的特殊演员。一般选聘具有影片所需要的特殊技能的人员担任，代替某一演员完成规定的动作。随着数字技术的发展，数字替身在影视制作中被广泛应用，并取得了良好的效果。所谓的数字替身就是指用虚拟的方式创建演员的三维模型，并通过虚拟角色的表演来完成真人演员不可能完成的危险或高难度动作，以此获得较好的视觉效果。数字替身的原型一般为真人演员，所以其三维模型的创建是以真人为模板。为了使虚拟角色与真人演员具有高度的相似性，三维扫描技术往往成为导演所青睐的数字技术。无论是何种三维扫描仪都是以真人为扫描对象，以此来获得演员的三维模型和细节特征，之后再通过逆向过程软件进行后期的数据修补和局部细化，进而获得具有高逼真度的三维模型。

三维扫描技术在影视动画中完全虚拟角色的设计和创建过程中，也是身影不断且屡创奇效。在三维角色设计和制作过程中，往往要反复修改来确定角色的外观和细节。在细节设计和制作的过程中，为了获得更好、更逼真的效果，通过特效化妆师和雕塑师合作制作相应的实体模型，对于角色细节的观察和修改更加直观。

格伦·斯坦德林执导的《Truth About Demons》在对角色模型制作的过程中，为了获得逼真而细致的角色模型，特效师奈杰尔和他的团队先用三维扫描仪对小尺寸的恶魔模型进行数字化处理，然后制作出等尺寸的头部和肩部模型。对恶魔头部的扫描数据主要用于细节处理，对缩小模型的扫描则用于全身造型的制作。将角色模型的扫描数据导出为Obj，并导入到Maya软件中进行处理，另外通过扫描获得的精细材质纹理，使逼真虚拟角色的获得成为可能。卡梅隆执导的《阿凡达》在设计和制作纳美人的过程中就制作了等比例的纳美人模型，然后再扫描实体模型生成三维数据，并利用这些数据建立通用的高分辨率的纳美人角色。《纳尼亚传奇3:黎明踏浪号》中羊人等角色，使用方便、高效的手持式三维扫描仪针对模型扫描获得逼真的三维模型。特别是《本杰明·巴顿奇事》中本杰明的模型制作最具代表性。特效化妆师瑞克·巴克和雕刻家卡瑟制作了本杰明不同年龄段的逼真半身头像。这些头像完全是根据真人演员的脸型特征进行制作，甚至连眼睛、牙齿等都非常细致而真实。然后，通过三维扫描技术获得本杰明头部的百万级的细致模型，从而为本杰明随着年龄变化而实现的头部替换而成为可能。另外，由于三维扫描数据简洁、准确，无需过于繁琐的后期数据处理，而大大提高了制作效率。

当然三维扫描技术在影视动画的应用实例举不胜数，我们所熟悉的影片，如《侏罗纪公园》、《玩具总动员》、《泰坦尼克号》、《蝙蝠侠Ⅱ》等，那些令人震撼、叹为观止的特技效果，都有三维扫描技术的参与。无论是《侏罗纪公园》中的恐龙，还是《玩具总动员》中的玩偶形象、《Jungle Book》中的蛇、《Dragon Heart》中的飞龙、《终结者Ⅱ》中的Linda Hamilton等，无不是三维扫描技术神奇效果的展现。

(二)场景的创建

三维虚拟场景的创建在虚拟现实、仿真、考古、古建筑修复等众多领域的应用广泛。但随着三维扫描技术的成熟和数字技术在影视领域的逐渐深入，三维扫描技术已成为影视动画中虚拟场景创建的一种重要手段。众多影视动画作品中的场景，并非完全真实拍摄而成，而是通过虚拟三维场景进行后期合成。对于三维场景的实现，一方面是对真实建筑场景的复制，另一方面是完全的虚构创建。

电影《侏罗纪公园》海报

为了达到逼真的效果、获得真实的场景，通过三维扫描技术实现真实场景的复制和仿真无疑是一个比较好的选择。通过三维扫描仪对于地形、地貌、建筑等场景的复制和创建，为影视动画场景的拍摄和搭建节省了资金、提高了效率。无论是对地形的复制扫描，还是对建筑结构的扫描借用，三维扫描技术在电影场景的构建过程中发挥着至关重要的作用。无论是美国的科罗拉多，还是埃及的金字塔，具有标志性的地形、古建筑在电影中不仅是故事发生的地点，更承载了历史、文化等多种艺术元素和内涵，对于影视本身具有非比寻常的作用。通过三维扫描技术所实现的仿真场景不仅仅是对场景本身的复制，更是复制了场景所蕴含的历史、文化等底蕴，更有利于场景在影视动画中作用的发挥。

而对于完全虚拟场景的创建，除了直接使用三维软件创建之外，场景的设计和制作过程往往要制作场景模型，以方便对场景的光照、细节、比例等众多因素进行修改。场景模型确定后再通过三维扫描将实体模型转为三维虚拟场景。

(三)道具的创建

道具在影视动画中对于烘托历史氛围、塑造人物形象具有画龙点睛的作用。电影中的道具常把它分为两大类:一类是陈设道具也叫大道具，一类是戏用道具也叫小道具。陈设道具大至城堡宫殿，小至茶碗、字画等。戏用道具常指演员随身佩带和使用的物品，它与演员表演发生直接关系，对塑造人物性格、点明人物身份、推动情节发展起画龙点睛作用。影视动画中的道具既有对于历史形态的真实还原也有完全的虚构形态。

对于真实历史形态的道具创作，三维扫描技术结合三维打印等技术，可以实现对于真实的道具原型，如兵器、装饰品、室内摆件等进行扫描和还原制作，从而获得与原型一般无二的逼真道具。而对于虚构形态的道具也并非完全虚构，而是借用了现有物体的造型、纹理等特征进行制作而成。无论是对道具形态的制作，还是材质、纹理、图案的复制与参考，三维扫描技术在道具的设计和制作中具有非常重要的作用，它不仅可以为其提供丰富的素材，同样也是其造型手段之一。

结语

通过对于三维扫描技术原理以及目前三维扫描仪的分类和应用情况的分析，了解到三维扫描仪广泛应用于地形、建筑测量和文物保护等领域。随着计算机技术的发展，电影动画的数字化程度日益提高，三维扫描技术也广泛应用于影视动画领域。三维扫描技术在影视动画制作中对角色、场景、道具等三维虚拟物体的设计和创建过程发挥着非常重要的作用，并提高了影视动画虚拟物体的制作效率和质量。随着计算机和三维扫描技术的不断成熟和发展，相信三维扫描技术必然成为影视动画制作中重要的三维造型手段，向人们展现其神奇的造型艺术效果。