三維掃描技術(shù)在影視動(dòng)畫中的應(yīng)用

□文/王建磊，蘇州市旅游與財(cái)經(jīng)等職業(yè)技術(shù)學(xué)校藝術(shù)系教師

電影《本杰明·巴頓奇事》海報(bào)

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在影視動(dòng)畫中的應(yīng)用逐漸廣泛，并已成為影視動(dòng)畫制作中不可缺少的一部分。美國(guó)導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆說(shuō)道:“視覺娛樂影像制作的藝術(shù)和技術(shù)正在發(fā)生著一場(chǎng)革命，這場(chǎng)革命給我們制作電影和其它視覺媒體節(jié)目的方式帶來(lái)了深刻變化，以至于我們只能用出現(xiàn)了一場(chǎng)數(shù)字化文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)來(lái)描述它?！彪S著電影數(shù)字化程度的發(fā)展，在測(cè)量和逆向工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的三維掃描技術(shù)逐漸應(yīng)用到影視動(dòng)畫的制作中，并對(duì)影視動(dòng)畫的制作具有較為深遠(yuǎn)的影響。

一、何為三維掃描技術(shù)

三維掃描儀是用來(lái)偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀與外觀數(shù)據(jù)(如顏色、紋理等性質(zhì))的科學(xué)儀器。搜集到的數(shù)據(jù)常被用來(lái)進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型。三維掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的點(diǎn)云，用來(lái)插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，即所謂的材質(zhì)印射。

三維掃描儀大體分為接觸式三維掃描儀和非接觸式三維掃描儀。其中非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀(也稱拍照式三維描儀)和激光掃描儀。而光柵三維掃描又有白光掃描或藍(lán)光掃描等，激光掃描儀又有點(diǎn)激光、線激光、面激光的區(qū)別。三維掃描在工業(yè)設(shè)計(jì)、地貌測(cè)量、數(shù)字文物典藏、影視動(dòng)畫、游戲創(chuàng)作素材等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在影視動(dòng)畫的制作中，非接觸式的拍照式三維掃描儀和激光掃描儀在虛擬物體的創(chuàng)建中發(fā)揮著重要作用，也是目前應(yīng)用最廣泛的三維掃描技術(shù)。

二、三維掃描技術(shù)在影視動(dòng)畫中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于影視、動(dòng)畫、游戲、廣告等眾多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了過去無(wú)法想象的特技效果，給人們帶來(lái)了全新的視覺感受，成為高質(zhì)量數(shù)字媒體制作中不可缺少的手段。隨著影視動(dòng)畫數(shù)字化趨勢(shì)的發(fā)展，高質(zhì)而逼真的三維虛擬物體是高清畫面必不可少的元素。三維模型創(chuàng)建的方法主要有兩個(gè)，即完全在計(jì)算機(jī)中虛擬構(gòu)造和設(shè)法獲得實(shí)物的三維彩色模型。但對(duì)于真實(shí)的、復(fù)雜的物體，例如人物，再好的模型師也無(wú)法將真實(shí)的人等比完整復(fù)制，正所謂“畫鬼容易畫人難”。于是三維掃描技術(shù)在數(shù)字影視的仿真模型制作中，顯得非常重要，如對(duì)真實(shí)角色的面部或者身體再現(xiàn)、三維場(chǎng)景的仿真、道具和裝飾物等模型的創(chuàng)建等方面。

(一)角色的創(chuàng)建

角色是影視動(dòng)畫作品創(chuàng)作的核心，也是作品的靈魂。在影視動(dòng)畫的角色創(chuàng)建過程中，三維掃描技術(shù)主要表現(xiàn)在數(shù)字替身和精細(xì)模型創(chuàng)建兩方面。

對(duì)于影視中的替身主要是指代替影片中原演員表演某些特殊和高難度的動(dòng)作和技能，或原演員所不能勝任的驚險(xiǎn)動(dòng)作的特殊演員。一般選聘具有影片所需要的特殊技能的人員擔(dān)任，代替某一演員完成規(guī)定的動(dòng)作。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字替身在影視制作中被廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。所謂的數(shù)字替身就是指用虛擬的方式創(chuàng)建演員的三維模型，并通過虛擬角色的表演來(lái)完成真人演員不可能完成的危險(xiǎn)或高難度動(dòng)作，以此獲得較好的視覺效果。數(shù)字替身的原型一般為真人演員，所以其三維模型的創(chuàng)建是以真人為模板。為了使虛擬角色與真人演員具有高度的相似性，三維掃描技術(shù)往往成為導(dǎo)演所青睞的數(shù)字技術(shù)。無(wú)論是何種三維掃描儀都是以真人為掃描對(duì)象，以此來(lái)獲得演員的三維模型和細(xì)節(jié)特征，之后再通過逆向過程軟件進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)修補(bǔ)和局部細(xì)化，進(jìn)而獲得具有高逼真度的三維模型。

三維掃描技術(shù)在影視動(dòng)畫中完全虛擬角色的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建過程中，也是身影不斷且屢創(chuàng)奇效。在三維角色設(shè)計(jì)和制作過程中，往往要反復(fù)修改來(lái)確定角色的外觀和細(xì)節(jié)。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制作的過程中，為了獲得更好、更逼真的效果，通過特效化妝師和雕塑師合作制作相應(yīng)的實(shí)體模型，對(duì)于角色細(xì)節(jié)的觀察和修改更加直觀。

格倫·斯坦德林執(zhí)導(dǎo)的《Truth About Demons》在對(duì)角色模型制作的過程中，為了獲得逼真而細(xì)致的角色模型，特效師奈杰爾和他的團(tuán)隊(duì)先用三維掃描儀對(duì)小尺寸的惡魔模型進(jìn)行數(shù)字化處理，然后制作出等尺寸的頭部和肩部模型。對(duì)惡魔頭部的掃描數(shù)據(jù)主要用于細(xì)節(jié)處理，對(duì)縮小模型的掃描則用于全身造型的制作。將角色模型的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Obj，并導(dǎo)入到Maya軟件中進(jìn)行處理，另外通過掃描獲得的精細(xì)材質(zhì)紋理，使逼真虛擬角色的獲得成為可能?？仿?zhí)導(dǎo)的《阿凡達(dá)》在設(shè)計(jì)和制作納美人的過程中就制作了等比例的納美人模型，然后再掃描實(shí)體模型生成三維數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)建立通用的高分辨率的納美人角色。《納尼亞傳奇3:黎明踏浪號(hào)》中羊人等角色，使用方便、高效的手持式三維掃描儀針對(duì)模型掃描獲得逼真的三維模型。特別是《本杰明·巴頓奇事》中本杰明的模型制作最具代表性。特效化妝師瑞克·巴克和雕刻家卡瑟制作了本杰明不同年齡段的逼真半身頭像。這些頭像完全是根據(jù)真人演員的臉型特征進(jìn)行制作，甚至連眼睛、牙齒等都非常細(xì)致而真實(shí)。然后，通過三維掃描技術(shù)獲得本杰明頭部的百萬(wàn)級(jí)的細(xì)致模型，從而為本杰明隨著年齡變化而實(shí)現(xiàn)的頭部替換而成為可能。另外，由于三維掃描數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確，無(wú)需過于繁瑣的后期數(shù)據(jù)處理，而大大提高了制作效率。

當(dāng)然三維掃描技術(shù)在影視動(dòng)畫的應(yīng)用實(shí)例舉不勝數(shù)，我們所熟悉的影片，如《侏羅紀(jì)公園》、《玩具總動(dòng)員》、《泰坦尼克號(hào)》、《蝙蝠俠Ⅱ》等，那些令人震撼、嘆為觀止的特技效果，都有三維掃描技術(shù)的參與。無(wú)論是《侏羅紀(jì)公園》中的恐龍，還是《玩具總動(dòng)員》中的玩偶形象、《Jungle Book》中的蛇、《Dragon Heart》中的飛龍、《終結(jié)者Ⅱ》中的Linda Hamilton等，無(wú)不是三維掃描技術(shù)神奇效果的展現(xiàn)。

(二)場(chǎng)景的創(chuàng)建

三維虛擬場(chǎng)景的創(chuàng)建在虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真、考古、古建筑修復(fù)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。但隨著三維掃描技術(shù)的成熟和數(shù)字技術(shù)在影視領(lǐng)域的逐漸深入，三維掃描技術(shù)已成為影視動(dòng)畫中虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建的一種重要手段。眾多影視動(dòng)畫作品中的場(chǎng)景，并非完全真實(shí)拍攝而成，而是通過虛擬三維場(chǎng)景進(jìn)行后期合成。對(duì)于三維場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，一方面是對(duì)真實(shí)建筑場(chǎng)景的復(fù)制，另一方面是完全的虛構(gòu)創(chuàng)建。

電影《侏羅紀(jì)公園》海報(bào)

為了達(dá)到逼真的效果、獲得真實(shí)的場(chǎng)景，通過三維掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的復(fù)制和仿真無(wú)疑是一個(gè)比較好的選擇。通過三維掃描儀對(duì)于地形、地貌、建筑等場(chǎng)景的復(fù)制和創(chuàng)建，為影視動(dòng)畫場(chǎng)景的拍攝和搭建節(jié)省了資金、提高了效率。無(wú)論是對(duì)地形的復(fù)制掃描，還是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的掃描借用，三維掃描技術(shù)在電影場(chǎng)景的構(gòu)建過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。無(wú)論是美國(guó)的科羅拉多，還是埃及的金字塔，具有標(biāo)志性的地形、古建筑在電影中不僅是故事發(fā)生的地點(diǎn)，更承載了歷史、文化等多種藝術(shù)元素和內(nèi)涵，對(duì)于影視本身具有非比尋常的作用。通過三維掃描技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的仿真場(chǎng)景不僅僅是對(duì)場(chǎng)景本身的復(fù)制，更是復(fù)制了場(chǎng)景所蘊(yùn)含的歷史、文化等底蘊(yùn)，更有利于場(chǎng)景在影視動(dòng)畫中作用的發(fā)揮。

而對(duì)于完全虛擬場(chǎng)景的創(chuàng)建，除了直接使用三維軟件創(chuàng)建之外，場(chǎng)景的設(shè)計(jì)和制作過程往往要制作場(chǎng)景模型，以方便對(duì)場(chǎng)景的光照、細(xì)節(jié)、比例等眾多因素進(jìn)行修改。場(chǎng)景模型確定后再通過三維掃描將實(shí)體模型轉(zhuǎn)為三維虛擬場(chǎng)景。

(三)道具的創(chuàng)建

道具在影視動(dòng)畫中對(duì)于烘托歷史氛圍、塑造人物形象具有畫龍點(diǎn)睛的作用。電影中的道具常把它分為兩大類:一類是陳設(shè)道具也叫大道具，一類是戲用道具也叫小道具。陳設(shè)道具大至城堡宮殿，小至茶碗、字畫等。戲用道具常指演員隨身佩帶和使用的物品，它與演員表演發(fā)生直接關(guān)系，對(duì)塑造人物性格、點(diǎn)明人物身份、推動(dòng)情節(jié)發(fā)展起畫龍點(diǎn)睛作用。影視動(dòng)畫中的道具既有對(duì)于歷史形態(tài)的真實(shí)還原也有完全的虛構(gòu)形態(tài)。

對(duì)于真實(shí)歷史形態(tài)的道具創(chuàng)作，三維掃描技術(shù)結(jié)合三維打印等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于真實(shí)的道具原型，如兵器、裝飾品、室內(nèi)擺件等進(jìn)行掃描和還原制作，從而獲得與原型一般無(wú)二的逼真道具。而對(duì)于虛構(gòu)形態(tài)的道具也并非完全虛構(gòu)，而是借用了現(xiàn)有物體的造型、紋理等特征進(jìn)行制作而成。無(wú)論是對(duì)道具形態(tài)的制作，還是材質(zhì)、紋理、圖案的復(fù)制與參考，三維掃描技術(shù)在道具的設(shè)計(jì)和制作中具有非常重要的作用，它不僅可以為其提供豐富的素材，同樣也是其造型手段之一。

結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)于三維掃描技術(shù)原理以及目前三維掃描儀的分類和應(yīng)用情況的分析，了解到三維掃描儀廣泛應(yīng)用于地形、建筑測(cè)量和文物保護(hù)等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電影動(dòng)畫的數(shù)字化程度日益提高，三維掃描技術(shù)也廣泛應(yīng)用于影視動(dòng)畫領(lǐng)域。三維掃描技術(shù)在影視動(dòng)畫制作中對(duì)角色、場(chǎng)景、道具等三維虛擬物體的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建過程發(fā)揮著非常重要的作用，并提高了影視動(dòng)畫虛擬物體的制作效率和質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)和三維掃描技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，相信三維掃描技術(shù)必然成為影視動(dòng)畫制作中重要的三維造型手段，向人們展現(xiàn)其神奇的造型藝術(shù)效果。