照片建模技术在影视作品中的应用——以河南电视台节目《黄河泥娃》为例

汪莉莎

（河南广播电视台制作部，河南 郑州 450008）

1 传统建模与照片建模的区别

1.1 传统人工建模

传统人工建模是模型师以平面图为参考，基于三维坐标系定位物体，利用三维模型制作软件将基本的几何元素通过平移、旋转、拉伸以及逻辑运算等处理来搭建复杂的场景。此种建模方式对模型制作人员的技术水平要求较高，系统制作成本高且工期较长，一般应用于游戏CG、动漫设计、影视制作以及建筑设计等方面。

1.2 照片建模

照片建模是根据所拍摄的照片自动构建三维数字模型。用户用普通相机或者手机从不同视角拍摄照片，照片本身包含有丰富的场景信息，软件能根据照片自动生成逼真的3D 模型。照片建模绘制速度快、真实感强、自动化程度高，为非专业建模人员提供了构建3D 模型的手段，具有广泛的应用前景。

2 Reality Capture 照片建模技术原理

Reality Capture 是一种根据照片自动生成真实度极高的三维模型的软件，通过对一个三维实体从不同角度拍摄有较高重复率的目标照片，以保证最后得到的模型没有空洞和欠缺采样部分。通过计算机提取每张照片的三维信息，优化照片重叠部分的信息，构建出物体的真实样貌[1]。为了精确重构，建议照片之间应有90%以上的重叠。

3 照片建模流程及实际应用案例

以2022 年河南卫视春节联欢晚会中的节目《黄河泥娃》为例，其节目场景制作是照片建模技术实际应用的成功案例，节目受到了广大观众的喜爱。

3.1 技术运用

少儿舞蹈《黄河泥娃》节目制作采用实景与虚拟场景交融的技术，在人物抠像拍摄后结合泥塑元素构成三维场景，向观众展现黄河之畔孩童游玩的场景。场景选用的泥塑作品大多是复杂的个体模型，物件小、细节多，如果采用传统的建模方法，很难在短时间内完成节目制作任务。此次采用Reality Capture 软件照片建模，在三维软件中优化模型与纹理，最终将其与抠像素材后期合成，呈现出最终的视觉效果[2]。

3.2 绿幕抠像

目前，利用蓝幕、绿幕进行抠像合成是影视后期合成中的常用手段。本节目制作使用绿幕拍摄孩子们完整的舞蹈动作，直接对绿幕素材舞蹈镜头进行剪辑，剪辑完成后进行抠像处理。抠像拍摄示例如图1 所示，剪辑抠像素材示例如图2 所示。

图1 抠像拍摄

图2 剪辑抠像素材

3.3 照片建模

Reality Capture 照片建模包括照片采集、对齐照片并生成密集点云、创建三维模型、生成纹理以及导出模型5 部分。

3.3.1 照片采集

此次泥塑作品拍摄选择的相机是Sony A1，采用85 mm 定焦头。为了保证拍摄物体的清晰度，光圈使用f20，快门速度1/16，感光度320。针对体积较小的模型拍摄时，固定镜头机位，将模型放置在转台上，分别以正向姿态、倒向姿态、侧向姿态各进行360°环绕拍摄。

拍摄场景选在室内，光照均匀。由于本节目制作中的模型较大，因此采用模型位置固定，移动相机机位环绕拍摄。每一个机位拍摄多张图片，每次只拍摄场景的局部画面，以保证拍摄物体的轮廓清晰。此外，要保证每幅照片的曝光值一致，像素清晰，拍摄路径需要尽可能覆盖拍摄对象的所有部分[3]。根据场景的需要，为了避免模型表面形成空洞，针对场景中有遮挡关系的部分补拍了照片，共计拍摄了446 张照片。

3.3.2 对齐照片与生成密集点云

在 菜单栏“Workflow”选项中选择“Input”，将前期拍摄的所有合格的照片导入。在菜单栏“Workflow”选项中选择“Align Images”，即选择对齐图片，在“Settings”选项中对精度等参数进行设置。由于目标对象的复杂程度不同，因此生成点云的过程耗时也有所不同。此次场景比较复杂，拍摄照片数量多，共耗时10 min，得到的点云模型共生成了4 938 657 个空间像素点，已经很清楚地还原了模型的大致形态。在图像对齐过程中，Reality Capture软件会计算相机拍摄参数和图像的空间位置，在3D视图中显示为白色的小圆锥体，如图3 所示。此外，软件还可以自动过滤掉照片中虚化的背景。

图3 密集点云

3.3.3 创建模型

执行“Reconstruction”菜单下的“Normal Detail”命令，因为此次节目制作的数据量较大，所以此命令执行时间较长，共耗时52 min，最后生成的三维白模包含了8 500 000 个三角面。

3.3.4 生成纹理

执行“Reconstruction”菜单下的“Texture”命令，使用默认选择即可。此步骤耗时约42 min，模型还原效果较好。在照片建模过程中，物体表面纹理丰富的材质更容易重建，而且纹理细节还原度也相应更高。原物体表面没有纹理的材质重建效果欠佳，例如白色瓷器、不锈钢、玻璃等。此外，遮挡严重或者镂空的物体重建效果也较差。纹理生成示例如图4 所示。

图4 纹理生成

3.3.5 导出模型

在菜单“Export”下选择“Mesh”命令，可以生成obj 或fbx 格式的文件，这是建模软件生成的最终成果。如果对输出结果不太满意，可以使用3DMax或者Maya 软件对模型进行修改和优化。

3.4 模型处理与优化

将照片建模导出的模型导入到三维建模软件中，对模型进行修改和优化。常用的软件有Maya、3DMax以及C4D等，以Maya软件为例说明使用方法。在Maya 软件中，在含有完整贴图文件的数字模型上通过打灯光、调节渲染设置等操作即可得到满足节目需要的虚拟环境。分区域扫描模型并导入三维建模软件后，结合软件中法线贴图的凹凸方式能最大程度地保留被扫描物体的结构细节。将地面、房屋、路灯以及树木等物品依次扫描，按规划好的步骤导入三维建模软件中，就得到了完整的场景模型。具体的渲染过程如图5 所示。

图5 渲染过程

由于扫描模型的部分结构特殊，因此导入软件后会出现部分区域显示错误、模型表面穿插等问题。原始扫描数据的质量由很多不确定性因素共同决定，例如仪器本身的误差、目标物体表面粗糙程度、是否存在遮挡关系等[4]。对于表面非常光滑的目标物来说，很容易产生镜面反射。这些不可避免的误差会使测量数据中存在部分失真数据，从而影响曲面精度和模型质量[5]。扫描模型的过程中，数据失真的模型点往往会造成图像出现很稀疏或位置错乱的情况，导致模型的拓扑结构不均匀，需要用到Zbrush 等软件辅助优化模型和修正模型拓扑结构。除此之外，受照片扫描分辨率不够和照片拍摄角度不佳等因素的影响，扫描模型后生成的贴图文件也会产生与实际物体不相符的误差。这种情况下，一般不能直接将贴图文件用于三维渲染。首先使用Photoshop 等图片处理软件对贴图文件进行角度矫正，将其转化为正视图投影角度，同时处理掉因扫描分辨率较低而产生的杂色，擦除图片中阴影区域；其次将处理过的贴图文件在三维软件中重新调整UV 坐标，使其形成完整的匹配模型；最后通过三维软件里的灯光调节，得到符合预期设定的色调和明暗关系。

纹理贴图是在扫描过程中基于照片投射在模型点上的顶点着色生成的，模型点密度越高，贴图细节越多。3D 扫描的模型数据拓扑结构紊乱，不能直接用Maya 软件进行渲染输出，需要采用多边形建模技术进行优化，重新修改拓扑结构后再进行UV 贴图和烘焙。模型越细腻、丰富、逼真，越容易获得令人满意的最终结果[6]。

3.5 后期合成

通过前期的抠像拍摄、镜头剪辑、抠像处理、人物影子合成、环境灯光合成、后期场景合成以及添加三维人物角色等处理，最终调色后完成节目的视频画面制作。

4 结语

利用照片建模软件进行三维对象重建，其建模精度基本可以满足电视节目制作播出的要求，完全可以运用到影视的后期制作中。相较于传统的建模方式，使用照片建模技术可以有效提高节目制作效率，同时节约成本。随着计算机技术的不断发展和照片建模软件的不断更新完善，利用照片建模软件进行三维对象重建具有一定的实用性，值得推广。