基于草繪的三維建模在電影預演制作中的應用評估

鐘 穎 韓菲琳

1.北京電影學院中國電影高新技術研究院，北京100088

2.北京電影學院影視技術系，北京100088

1 引言

隨著人工智能生成內容（AIGC）技術的快速發(fā)展，人工智能（AI）技術參與的三維建模方法日益增多。我們可以在Houdini等軟件中通過控制參數來程序化生成大規(guī)模的地形模型或多個同類型物品的三維模型；可以使用Text2Mesh[1]的方法，通過神經網絡分析輸入文字，生成風格化三維模型；也可以使用生成對抗網絡（GAN）等神經網絡模型，對單目圖像進行處理，生成相應的三維模型。人工智能技術加快了三維模型制作速度，降低了制作難度。探究該類技術與數字電影制作中的適用性及應用流程，有助于提升制作效率，優(yōu)化制作流程。在電影制作工業(yè)化流程中，電影預演（Pre-Visualization，PreViz）[2]最先需要使用角色、場景、道具等三維模型，通常由建模師使用三維軟件或三維掃描建模制作。這兩種方法制作出的模型精度高，需要制作者掌握三維軟件知識，制作時間較長，修改難度較大。作為前期環(huán)節(jié)的預演制作，快速建模并制作動畫具有十分重要的應用意義。

隨著三維建模技術發(fā)展，基于草繪的三維建模方法根據提供的手繪草圖程序化生成相應簡易的三維模型。受傳統電影創(chuàng)作流程中繪制故事板的啟發(fā)，本文將故事板繪制與預演模型制作相結合，使創(chuàng)作者快速創(chuàng)建所需模型，服務于預演動畫制作。同時，為滿足電影藝術家的高效實時渲染和交互的需求，利用實時渲染引擎搭建場景，制作和渲染三維動畫，該方案既能節(jié)約人力成本，還可以與傳統電影制作流程相結合，幫助用戶初步實現預演展示。

本文著眼于前期電影預演動畫制作，提出了一種基于草繪建模和圖像引擎的電影預演制作流程，使藝術家更加快速、便捷地創(chuàng)建三維模型并制作簡單的預演動畫。該流程操作簡單，提高了制作效率，降低三維建模成本，使得用戶能夠將故事板創(chuàng)作與簡單的預演動畫制作相結合，以較低的成本實現自身創(chuàng)意可視化。本文設計了幾何體類建模實驗、人物及動物建模實驗、用戶體驗實驗并制作預演動畫，分析了基于草繪的三維建模結果在預演動畫中的效果，評估其在電影虛擬預演制作中的生成能力，探討人工智能生成內容（AIGC）在數字電影制作中的應用潛力。

2 相關工作

隨著三維建模技術的不斷發(fā)展，三維建模方法層出不窮?；趲缀蔚慕Ｊ悄壳半娪爸谱鞯闹髁魅S建模方法之一，藝術家通過Maya、ZBrush 等三維軟件制作所需要的模型。這種方法可以靈活地創(chuàng)建各類復雜模型，其中人體及動物等模型制作所需時間較長?；趫D像建模的方法通過對目標物體照片進行處理，從而生成帶紋理的三維模型。該方法適用于生成現實生活中的物品及室內場景的模型，但生成結果通常存在孔洞，Mesh 網格分布不均且拓撲結構不清晰等問題，模型修改難度大，算法復雜度高?；诩す鈷呙杞５姆椒ㄊ褂眉す鈷呙鑳x掃描物體記錄其外觀數據，獲得物體的三維點云，處理后生成物體的模型。激光掃描的方法需要昂貴的激光掃描儀，只能針對現實中靜止的物體進行三維建模，無法滿足預演制作多樣化的創(chuàng)作需求。

目前電影預演工業(yè)制作中，主要使用基于幾何建模技術、動畫關鍵幀技術及三維動畫引擎技術[1]制作三維預演動畫。第三樓（The Third Floor）制作電影《復仇者聯盟3：無限戰(zhàn)爭》預演動畫時使用三維軟件為大量角色、場景創(chuàng)建了模型和動畫[6]，如圖1（a）所示。由于此類科幻電影需要大量后期特效，通常實際拍攝和后期制作同時進行，前期預演動畫需要與后期特效設計相配合，預演動畫制作時花費大量時間創(chuàng)建高精度的三維模型以便后期繼續(xù)優(yōu)化使用。通常預演動畫制作僅花費幾天創(chuàng)建數字資產。第三樓為《曼達洛人》制作前期預演動畫時，使用動畫關鍵幀技術為角色制作了動畫以獲得更準確的動作效果，也運用了動作捕捉技術高效完成了部分動作拍攝[7]，如圖1（b）。現今大部分預演動畫在三維動畫引擎中渲染，同時也嘗試使用帶有實時渲染和交互操作功能的圖像引擎以滿足更多需求。哈龍娛樂（Halon Entertainment）在虛幻引擎（Unreal Engine）中為《海王》制作海底戰(zhàn)斗一幕的預演動畫，實時渲染得到大量海洋生物在水底運動畫面[8]，如圖1（c）。上述技術各有優(yōu)勢，使電影預演制作更加簡易高效，電影預演制作技術仍需在交互性、易編輯性、協同性等方面有所提升。

圖1 電影預演技術應用

3 動畫預演制作

本文將基于草繪的三維建模技術集成到電影預演制作流程中，實現預演動畫中的三維模型創(chuàng)建，該技術降低了三維模型制作的技術門檻，藝術家只需清晰畫出草圖就能快速得到簡潔的三維模型。目前開源的草繪建模方法主要有三種：Teddy、RigMesh 和Monster Mash。Igarashi 等人[2]提出了一個名為Teddy的基于草圖的三維建模方法。Teddy 中使用了弦軸變換（Chordal Axis Transform，CAT）確定三維模型的骨架，按一定比例計算骨架各點到草圖多邊形的距離，以類“橢球”的方式將骨架和多邊形包裹起來生成三維模型。Borosán 等人[3]提出一個名為RigMesh 的草繪建模算法。該算法基于Teddy 進行優(yōu)化，通過弦軸與圓柱版道格拉斯-普克算法（Cylindrical Douglas-Peucker，CDP）相結合生成模型對應的骨骼。用戶可通過調整骨骼關節(jié)點位置改變模型的姿態(tài)。Dvoro?ňák 等人[4]提出了名為Monster Mash 的基于草繪的三維建模方法，該方法基于Igarashi 提出的盡可能剛性（As-rigid-as-possible，ARAP）理念，設計了三維模型變形功能，允許用戶調整模型得到多個姿態(tài)的三維模型結果。Ma 等人[5]提出一個實時生成三維模型的草繪建模算法。該算法使用輸入折線和道格拉斯-普克算法為模型構建一個實時的骨骼，以此調整模型姿態(tài)。本文選用Teddy和Monster Mash作為工具進行流程驗證。

簡單的預演動畫（如Pitchvis等）目的是展示藝術家的故事創(chuàng)意和畫面構思，讓創(chuàng)作團隊快速了解畫面預期效果。這類預演動畫中所用的三維模型應當：（1）外形清晰易懂，無需額外向觀看者解釋三維模型所代表的道具或角色；（2）易于調整，能配合預演動畫故事內容快速修改；（3）材質貼圖易于區(qū)分，方便快速分辨，不會造成畫面內容誤解。為達到預演制作高效、交互性強、可編輯的要求，本文選擇使用基于草繪的三維建模方法搭配Unreal Engine制作動畫預演，其制作流程如圖2 所示。確定電影預演動畫故事內容后，使用基于草繪的三維建模方法為道具及角色創(chuàng)建三維模型，然后為角色綁定骨骼及制作動畫關鍵幀。整理所需三維模型資產并將其導入Unreal Engine中，開始搭建場景、創(chuàng)建動畫序列。在動畫序列中通過設定位置關鍵幀或編寫藍圖制作模型和攝影機的運動路徑，調整攝影機各項參數，確認動畫序列內容無誤后，渲染導出動畫序列。

圖2 預演動畫制作流程

4 實驗設計

本文挑選了實拍影片《愛樂之城》、動畫電影《海底總動員》和手機游戲《哈利波特：魔法覺醒》中劇情片段作為參照，模仿片段制作預演動畫，以此設計了三個評估實驗，分別是幾何體類模型實驗、人物及動物模型實驗、用戶體驗實驗。依據動畫預演中常出現的模型類型，本文將模型分為了幾何體類模型、人物及動物模型兩個大類。片段中出現的角色與道具按此分類后，將作為兩個實驗建模目標。為了探索用戶對基于草繪的三維建模方法的感受，本文設計了用戶體驗實驗，采用問卷調查的方式對實驗結果進行有效性評估。本實驗共招募了50 位18～30 歲的受訪者（其中女性26 人，男性24 人）參與幾何體類模型實驗和人物及動物模型實驗的結果評估，并邀請5名有動畫預演制作經驗的受試者參與用戶體驗實驗。

4.1 幾何體類建模實驗

動畫預演中常出現的幾何體類模型包括家具、樓房及造型簡單的植物等。這類模型由幾個幾何體組成或主體為幾何體?？焖賱?chuàng)建幾何體類模型是三維軟件的優(yōu)勢。因此本實驗將以Maya 為三維軟件代表，與兩個基于草繪的三維建模方法一同創(chuàng)建目標模型。在未告知各個模型制作方法的情況下，我們將向受訪者展示三種方法得到的結果模型圖片，要求他們對模型結果評分（滿分3 分）。通過建模結果和受訪者評分，分析比較三維軟件與基于草繪的三維建模方法，以及在幾何體類模型方面的建模效果與建模效率。

4.2 人物及動物建模實驗

在動畫預演中，人物及動物模型出現頻率高，而三維軟件創(chuàng)建此類模型需要花費更多時間。這對缺少三維軟件知識但有制作簡單預演動畫需求的用戶來說并不友好。在高效快捷建模的基礎上，本實驗僅使用兩個基于草繪的三維建模方法制作目標模型。實驗在未向受訪者說明模型生成方法的情況下，分組展示兩種建模方法所得的結果，讓他們回答相應問題，問題見表1。實驗同時使用了Maya 對目標模型進行建模并作對照，以期通過比對兩個基于草繪的三維建模系統生成結果和分析調查問卷數據，探究基于草繪的三維建模方法在制作人物及動物模型方面的優(yōu)勢與不足。

表1 人物及動物模型建模實驗問題

4.3 用戶體驗實驗

用戶體驗實驗邀請了5 位有動畫預演制作經驗的受試者（其中3 名無繪畫基礎，2 名有繪畫基礎）使用基于草繪的三維建模方法創(chuàng)建三維模型。實驗建模對象包括2 個幾何體類模型（仙人掌、步槍）和2 個動物模型（小丑魚、海馬）。體驗結束后，由5 位受試者填寫體驗感受調查問卷，問卷內容見表2。此實驗將根據受試者的建模結果和調查問卷各項評分，探究繪畫基礎對使用基于草繪的三維建模方法的影響，及用戶對基于草繪的三維建模方法整體感受。

5 結果評估與預演制作

幾何體類建模實驗和人物及動物建模實驗結果模型將會作為模仿預演動畫短片中使用的模型。實驗制作了簡易預演動畫短片，在邀請3位有預演工作經驗及拍攝經驗從業(yè)人員觀看短片后，獲得他們對預演動畫短片結果的評價。

5.1 幾何體類建模實驗

在本實驗中，使用基于草繪的三維建模系統制作目標模型所需時間為單個模型1～4分鐘，同樣的模型使用Maya 制作時間為3～5 分鐘?；诓堇L的三維建模系統的建模速度略快于三維建模軟件。實驗共回收50 份評分結果，并對結果數據進行處理后得到評分。

從圖3 可以看出Maya 制作的幾何體類模型評分普遍高于基于草繪的三維建模的結果。Monster Mash 在燈柱、圍欄、仙人掌等細長圓柱體模型的生成上，效果普遍優(yōu)于Teddy 結果。相反地，Teddy 方法在照相機、椅子、麥克風等立方體類模型上，生成結果較優(yōu)于Monster Mash。兩個工具的規(guī)則幾何體模型生成結果評分均與Maya 差距較小。從幾何體類模型（仙人掌、樹）生成結果來看，如圖4所示，基于草繪的三維建模方法發(fā)揮了其還原草圖線條的優(yōu)勢，生成結果細節(jié)處比Maya更為柔和自然。

圖3 幾何體類模型評分結果

圖4 仙人掌模型對比

5.2 人物及動物建模實驗

本實驗中，用戶創(chuàng)建目標模型的時間均為3～5分鐘，相比于使用三維建模軟件，更加簡易高效。通過分析回收的50 份評分結果，掌握了不同生成結果的用戶偏好。如圖5所示，人物模型中，用戶選擇“一樣差”的比例相較動物模型更高；動物模型中，用戶認為Teddy 方法和Monster Mash 方法效果相當；類圓柱動物模型（寄居蟹、水母）中，用戶普遍認為生成結果不夠令人滿意。

圖5 人物及動物模型選擇百分比

此外，本實驗讓掌握基礎三維軟件操作的實驗員使用了Maya 軟件制作目標模型（每個模型制作時間約30～60 分鐘），并將結果與基于草繪的三維建模方法結果進行對比，如圖6所示。實驗發(fā)現當用戶僅掌握基礎三維軟件操作時，使用Maya 制作動物和人物模型的時間為草繪建模方法的10～20倍，而模型效果優(yōu)化程度并不大。本實驗在短時間內使用草繪建模方法制作的人物與動物模型比較粗糙，但受訪者對結果大部分滿意，認為結果模型符合他們對參考圖片的期待。

圖6 水母與寄居蟹模型對比

5.3 用戶體驗實驗

參與本實驗的5 名受試者，均沒有草繪建模經驗，創(chuàng)建目標模型耗時2～5分鐘。分析受試者問卷結果發(fā)現，受試者普遍認可Monster Mash 方法，表示該方法高效且使用舒適。受試者們繪制的草圖及其使用Monster Mash 方法制作的小丑魚模型如圖7 所示。值得注意的是，在強調了Monster Mash 的使用方法后，兩名有繪畫基礎的受試者所繪草圖呈現明顯透視關系，而無繪畫基礎的三名受試者僅簡單繪制了草圖。從模型結果來看，兩名有繪畫基礎的受試者的生成結果，魚鰭部分并沒有對稱，而是在同側或不對稱生成，而無繪畫基礎的受試者的結果則無這類情況，如圖7側面圖所示。因此筆者認為，繪畫規(guī)則對基于草繪的三維建模方法生成結果存在一定的影響。

圖7 小丑魚草圖與三維模型結果對比

5.4 動畫預演結果與分析

本實驗使用Unreal Engine 4.27 制作預演動畫短片。根據前述實驗的評估結果，選取每組模型中評分較高的結果用于制作三個模擬動畫預演短片。本文在預演制作過程中使用了不同顏色的材質貼圖以區(qū)分不同模型，為各模型繪制運動路徑，并使用燈光加強畫面效果，最終引擎渲染得到的動畫預演短片截圖如圖8所示。

本實驗邀請了3 位有預演工作經驗的從業(yè)人員觀看了預演動畫模仿短片。被采訪者普遍認為基于草繪的三維建模方法生成的模型“整體比較粗糙”，但是“基本實現了草圖想要的效果”，動畫預演中的模型“只有顏色不同”“缺少金屬性、粗糙程度和別的材質屬性”；畫面“整體還是比較清晰”，“燈光和影調方面還要加強”。同時，Maya 版本的簡單預演動畫三維模型雖然質量更高，但并未提升觀看者對畫面的理解程度，在人物及動物類模型創(chuàng)建上花費了更多時間。本文提出的基于草繪的三維建模方法，操作簡單快速，對草圖還原度高，用戶偏愛操作簡單的Monster Mash。該類草繪建模方法生成的模型不夠精細，仍能完成傳遞畫面信息的任務，能夠幫助電影創(chuàng)作者在初期自主制作簡單預演動畫。

人工智能技術參與的三維建模方法在電影預演制作中起到提高效率、降低成本的作用。根據該類技術特點調整其在電影制作工業(yè)化流程中的使用方法，可以更好發(fā)揮人工智能三維建模方法的生成能力。

6 結論

本文介紹了電影預演相關技術，提出了一套基于草繪建模和圖像引擎的電影預演動畫制作流程，并探討了基于草繪的三維建模方法是否適用于簡單電影動畫預演制作。通過實驗分析，基于草繪的三維建模方法，能高效生成符合簡單預演動畫制作要求的模型，降低時間、人力成本和制作門檻。實驗中所用的兩個草繪建模工具，操作簡單、易學，便于電影創(chuàng)作者快速掌握并使用。繪制草圖與電影創(chuàng)作者以往的故事板創(chuàng)作習慣相符合，因此草圖建模的制作過程既能夠與電影預演動畫制作協同，又能夠幫助創(chuàng)作者直觀高效地可視化展示自身創(chuàng)作意圖，提升電影創(chuàng)作初期團隊溝通效率。

本文所使用的制作方法對幾何體類模型和人物模型效果仍有待提升。隨著草繪建模技術的發(fā)展，該流程將更高效地服務電影預演動畫制作，在滿足三維模型制作多樣化、創(chuàng)意化、高效化需求的基礎上，進一步提升數字資產質量。目前人工智能技術參與生成三維模型在預演動畫制作流程中的使用仍處于實驗階段，這類技術無疑能幫助藝術家快速實現創(chuàng)意，未來在數字電影制作中，AIGC 豐富的應用場景仍等待我們研究與探索。?