基于数字三维的影视级角色制作研究

摘要：计算机技术的进步使数字三维技术在影视制作中发挥着越来越重要的作用，其中角色制作已成为一个重要的部分。三维影视级角色的制作有一套相对独立的流程，所涉及的软件工具也较为繁杂。虽然目前最新的基本步骤划分还是基于传统流程，但在具体的步骤上可选择的软件工具更多、软件的组合更丰富。三维影视级角色对逼真度的要求很高，使用的工具也较多，而这也往往成为制作障碍。正确认识工具，进而合理地使用和组合是制作好三维影视级角色的关键。在制作流程上，次世代游戏角色制作流程有时会与影视级角色制作流程相混淆，二者确实有较多的相似點，但无论是最终用途还是视觉标准都有很明显的差异。基于此，文章研究基于数字三维的影视级角色制作，以供参考。

关键词：数字三维；影视级角色；角色制作

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）07-0-03

0 引言

数字三维技术自出现以来一直广受关注，20世纪90年代初就已经出现引入数字三维元素的影视作品。随着技术的发展，越来越多的影视作品开始加入由数字三维技术制作的角色。限于当时的技术条件，早期的三维角色制作所使用的工具较为单一、简单，角色的逼真程度尚不足以达到今天影视级的标准。数字雕刻技术和PBR流程的出现为制作出更符合影视制作需求的逼真三维角色提供了更高效的解决方案。但相较于单一的传统制作流程，如今出现的各类软件已经专业化，分工更明确，从而形成了一个制作体系。本文从影视制作中使用数字三维技术的优势、三维影视级角色的制作流程、三维影视级角色与次世代游戏角色的异同三个方面分析三维影视级角色制作方法和思路。

1 影视制作中使用数字三维技术的优势

三维模型是一种利用计算机生成的图像，真实世界中的绝大部分物体都可以被三维技术模拟生成，因此三维元素被广泛应用到影视制作中［1］。能够达到足够的逼真效果并能在后期合成后与影视实拍环境相融合且适合进行动画设置的角色模型基本上达到了“影视级”的标准。

在影视制作中使用三维技术最大的优点在于可以节约拍摄成本。使用三维技术后，摄制组无须搭建或破坏真实的场景、物体就能获得拍摄所需要的视觉效果，这在很大程度上节约了摄制成本。在角色制作方面，三维技术可以创造现实中没有的角色，这在当今大量的科幻影视作品中已十分常见。三维模拟出的角色往往特效更精湛，比实际的演员更具观赏性。使用三维角色能大大提升影视画面的真实度，目前已成为影视制作中不可缺少的一部分。

2 三维影视级角色的制作流程

三维影视级角色在视觉效果上通常要求较高，较早期的三维角色制作通常只依靠一种三维软件外加平面图形软件完成，但这种传统而单一的制作方式已经彻底无法满足当今影视作品的视觉要求。在对画面视觉效果要求日益提升的今天，4K乃至8K分辨率的屏幕已经走进千家万户，超清晰的画面能给观众带来更佳的视觉体验。但在这样的分辨率下，传统方式制作出的三维模型由于精度较低，其缺点也会被进一步放大。较低的精度指的是模型细节不足，材质的物理属性还原不够以及贴图绘制不够自然，导致制作出的三维角色即便在造型方面没有明显缺失也很难自然融入实拍画面中，进而无法满足影视合成的需求。

三维精度较低并不能简单认为是三维渲染造成的，因为无论哪一种渲染器，都只是三维制作最后环节的输出平台。目前，不同的渲染器除了在光线的计算效果上有着较小的视觉效果差距之外，主要还需要制作人员提供更高精度的模型、更准确的材质和细节丰富的贴图以及合理的灯光设置。影视制作通常在追求视觉效果的同时追求制作效率，这就对制作团队所使用的软件工具以及制作流程提出了较高的要求。如果要划分整个制作流程，大致可以分为模型的建立、材质贴图的生成和渲染输出三个主要部分。

2.1 模型的建立

作为整个制作流程中最重要的一个环节，三维模型是所有效果的载体，模型的优劣直接影响最终画面的观赏度。数字雕刻是目前解决高细节模型所必需的主要手段之一［2］。传统的多边形建模在塑造角色大致形态方面虽然能基本满足需求，但无法制作出更精细的细节效果，影视级角色在镜头画面中时常会出现特写视角，此时为了保证画面的真实性，即使是最细小的细节也不能被忽略，使用Pixologic公司开发的Zbrush这类数字雕刻工具能高效完成这类工作，比如角色的皮肤纹理、身体曲线上的微妙转折等。通常制作者会利用Alpha灰度图或者XYZ置换贴图来铺设诸如皮肤纹理一类的细节，利用软件提供的各类笔刷快速完成角色的身体构造。织物模型在角色建模制作中也是十分重要的一个部分，Marvelous Designer是目前制作人员首选的工具，尽管这个工具原本更偏向提供给服装设计人员使用，但由于其织物解算的真实性，三维角色制作人员很快就将其应用到自身的制作流程中，以求达到更逼真的布料形态以便用于影视等各类三维CG领域，这类工具要求制作人员对服装的版样知识有一定了解［3］。

除此以外，在角色的建模过程中，毛发的制作不同于普通的建模工具，由于毛发主要用于动物或人物角色，其逼真性直接影响作品整体效果。传统的“插片式”做法不仅效率低下，而且效果也达不到现今影视级角色的视觉效果要求。角色的毛发往往数量较多，使用专用的毛发制作工具是制作人员必然的选择。通常使用的毛发工具有XGen和Ornatrix，这类工具虽然在操作上有一定区别，但其基本原理较为一致，都是先绘制出合理、准确的毛发引导线，然后对毛发进行批量生成形成毛发主体，之后再利用毛发工具补充毛发主体上不足的部分或增加一些细节以提高毛发的混乱度，以达到逼真、自然的毛发形态。此外，这类毛发工具所提供的丰富的毛发梳理工具也能够帮助制作人员高效、顺利地实现毛发形态的制作。各类主流渲染器也为XGen和Ornatrix等主流毛发插件提供了专用的毛发材质。

2.2 材质贴图的生成

单纯利用三维软件的默认着色方式外加Adobe Photoshop绘制贴图纹理的方法已经成为过去时，影视级的角色要求在材质的质感上能够准确还原其真实世界的物理属性，在贴图的表象上要求内容更加丰富、自然。对于影视级的角色制作，材质和贴图的应用主要反映在角色的皮肤、毛发、织物和装备等方面。

为了追求皮肤的真实性，次表面散射材质已经成为皮肤材质的标准配置，这种材质存在于各类主流渲染器中，比如Arnold渲染器的AiSkinSSS和V-Ray渲染器的AlSurface材质等，这类次表面散射材质能够充分体现皮肤透光或不透明的特性，以满足影视制作的需求，并且可以根据创作的需要灵活调整参数，以改变透光的效果［4］。当然，次表面散射材质仍要搭配优秀的皮肤贴图才能更好地制作出真实的角色，使用高分辨率的皮肤贴图是不可或缺的，基于实拍的EXR格式的高分辨率反照皮肤贴图自然就成为首选。利用Foundry Mari、Adobe Substance 3D Painter等软件能够很好地完成皮肤贴图的对位和绘制，并且能够制作出无缝的贴图。

在角色的织物和装备材质贴图的生成上，需要体现出自然的反射、划痕、磨损以及灰尘等细节，这些都是为了让三维角色能够给观众带来更逼真的感官体验。Adobe Substance 3D Painter是目前较为流行的制作工具，使用该软件可以生成针对目前主流离线渲染器和Unity 3D、Unreal等实时渲染工具所对应的材质贴图。作为PBR流程中最流行的制作工具，Adobe Substance 3D Painter所生成的材质贴图可以在不同的渲染平台上还原正确的材质物理属性，且在跨平台渲染时依然能得到基本一致的效果。

2.3 渲染输出

目前主流离线渲染器的渲染效果基本能满足影视角色的制作需求，比如Autodesk公司开发的3ds Max和Maya内置的Arnold渲染器，或Chaos Group公司开发的V-Ray渲染器等。然而无论是哪种渲染工具，渲染效果优劣的根本在于建模、材质贴图和布光三个环节的制作质量。从建模的角度来看，模型对画面的影响是较为直观的，画面上出现最多的是三维模型，精致、准确且细节丰富的模型组合起来往往能使渲染出的作品更加震撼，同时也提高了画面的耐看程度。

覆盖于模型表面的材质和贴图也是观看画面时的重点，质感和纹理的真实程度决定了三维角色是否看起来更加生动、自然。从总体来看，这是直接决定渲染出的画面是否足够逼真的重要一环。而布光是经常被人忽视的一个步骤，当三维角色合成到实拍场景里看起来不够真实时，单纯调整材质贴图常常不能彻底解决问题，其实此时问题往往出在灯光的设置上，只有将三维的灯光设置接近自然环境时，画面才能融合得更好。渲染器作为最終画面的生成平台，参数调节这一制作环节主要是在模型与材质贴图达到影视级标准以及布光正确的前提下，起到锦上添花的作用，其主要用于计算光线的准确度和画面的细腻程度。所以，当画面渲染不够逼真时，如果没有出现模型的共面、穿插以及结构问题等明显错误，首先应调整质感和纹理，并检查灯光的设置是否合理。

3 影视级三维角色与次世代游戏角色的异同

随着虚幻等引擎的出现，游戏与影视动画的界限已逐步变得模糊，引擎的强大功能以及对硬件光线追踪的支持，使其逐渐成为影视动画制作的主要工具之一。目前主流的游戏角色制作方式主要是基于次世代PBR流程，这与三维影视级角色的流程有很多的共同之处，但由于最终的用途各异，实际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，主要体现在低模的布线、贴图的使用以及渲染器的使用三个方面。

3.1 低模的布线

通常为了得到更好的模型细节，制作角色时，无论是影视级角色还是游戏角色，都会先基于一个布线合理的基础角色模型制作高模。在这个阶段，通常会使用数字雕刻的手段完成皮肤纹理的铺设、织物和装备细节的雕刻等。数字雕刻会后产生大量细节，此时的高模面数往往高达数亿，甚至更多。这种模型不能满足影视制作或游戏制作的要求，需要在尽量保持细节的前提下降低模型的面数，此时烘焙是一个必要的环节［5］。影视级角色往往会直接在Zbrush中使用第细分级别的模型作为低模进行烘焙工作，这种低模的布线是合理的，在之后的影视制作中的动画绑定中发挥着重要的作用，而且由于影视级效果往往追求逼真，所以在模型的面数上没有严格限制。为了达到更细腻的效果，制作者并不会选择最低级细分的模型作为烘焙对象，而会选择3级左右的细分级别，以此烘焙出的法线或置换贴图，在低模上能更好地还原高模的细节。然而，在次世代游戏中，由于要考虑游戏在不同档次平台上运行的流畅性，对模型的面数有着严格控制，因此游戏中的低模往往需要重新对高模进行拓扑操作，且并不考虑布线的问题，游戏角色模型基本都是以三角面构成而非影视级角色模型的四边面。

3.2 贴图的使用

在贴图的使用方面，首先游戏制作中考虑到解码运行效率，TGA格式较为常见，而在影视CG中较为常用的图片格式有Tiff、PNG等。在实际项目中，有时为了追求超写实效果也会考虑使用体积更大的EXR格式。同时，游戏角色使用的贴图分辨率较低，以此能达到减少硬件资源消耗的目的，影视级角色更注重的是贴图的清晰度，不会重点考虑计算机资源消耗的问题，通常会使用分辨率较高的贴图。

在低模还原高模细节这个方面，在制作游戏角色和影视级角色时，从高模烘焙至低模这一环节都是必经的。在游戏制作里，法线贴图是较为通用的，虽然法线贴图在凹凸的表现上优于传统凹凸贴图，但当视线与模型面的夹角过小时，依然会出现光线投影不正确的现象，这不能完全满足对于时常需要出现在特写角度下的影视级角色制作需要。影视级角色模型在烘焙时更多地会生成置换贴图，这类贴图会在模型表面形成真实的形变，渲染器在进行光线计算后得到的效果也更好［6］。除此以外，UV作为衔接模型与贴图的重要环节，次世代游戏对UV空间的使用率更高，而影视级角色为了在渲染中追求更高的贴图清晰度通常会使用UV多象限。

3.3 渲染器的使用

由于游戏和影视运行的载体不同，在渲染器的选择上二者也有明显差异。游戏角色最终需要被引入引擎进行实时渲染，比如虚幻或Unity 3D。实时渲染器工作效率更高，但是其渲染画面的精细度目前仍无法和离线渲染相比。实时渲染在一些特殊效果的体现上也相对较弱，比如次表面散射材质、焦散等。影视级角色由于对画面效果的要求较高，通常仍采用离线渲染的模式，尽管这种渲染方式耗时较长，但能满足影视制作的视觉需求。当然，离线渲染也有一些弱点，比如很多渲染器无法直接展现眩光效果，需要在渲染完成后再对画面指定通道才能得到对应效果，且调整起来不太方便。

4 结语

自2016年以来，全球影视行业人才一直处于增长的状态，需求量巨大。特别是近几年，3D电影、VR影视等新模式的出现很大程度上推动了影视业的发展。在这样的大环境下，行业对影视制作人员的需求不断增加。在迎来机遇的同时挑战也同样存在，行业对影视制作人员的要求也在不断提高，制作人员不仅要充分了解影视制作的全部流程，还要能在专业领域熟练掌握更多的软件使用技巧。随着计算機图形学和计算机硬件的快速发展，更新更强的图形软件不断涌现，三维影视级角色的制作流程也朝着更新、更好、更高效的方向进化，观众将在银屏上观赏到更美妙、震撼的影视画面。

参考文献：

［1］ 渠浩，唐怡如.计算机三维动画技术在影视广告设计中的应用［J］.电子技术与软件工程，2022（4）：165-168.

［2］ 施雨晗，余日季. 3D数字雕刻技术在三维角色设计与模型制作中的应用研究［J］.传播力研究，2019，3（33）：282-283.

［3］ 陈湄双，占钰琪，吴凡.基于Marvelous Designer技术的三维服装建模［J］.福建电脑，2018，34（7）：8-9.

［4］ 李峰，李娜.用专业级VRay渲染器制作3S效果［J］.天中学刊，2006（5）：60-61.

［5］ 南琳施，晓芳.三维角色建模及动画制作［J］.长春工业大学学报，2021，42（5）：474-480.

［6］ 姚超.浅谈切线空间法线贴图在三维建模中的应用［J］.大众文艺，2016（23）：76-77.

作者简介：姚超（1982—），男，江苏南京人，硕士，讲师，研究方向：数字三维制作、计算机图形学理论。