基于草绘的三维建模在电影预演制作中的应用评估

钟 颖 韩菲琳

1.北京电影学院中国电影高新技术研究院，北京100088

2.北京电影学院影视技术系，北京100088

1 引言

随着人工智能生成内容（AIGC）技术的快速发展，人工智能（AI）技术参与的三维建模方法日益增多。我们可以在Houdini等软件中通过控制参数来程序化生成大规模的地形模型或多个同类型物品的三维模型；可以使用Text2Mesh[1]的方法，通过神经网络分析输入文字，生成风格化三维模型；也可以使用生成对抗网络（GAN）等神经网络模型，对单目图像进行处理，生成相应的三维模型。人工智能技术加快了三维模型制作速度，降低了制作难度。探究该类技术与数字电影制作中的适用性及应用流程，有助于提升制作效率，优化制作流程。在电影制作工业化流程中，电影预演（Pre-Visualization，PreViz）[2]最先需要使用角色、场景、道具等三维模型，通常由建模师使用三维软件或三维扫描建模制作。这两种方法制作出的模型精度高，需要制作者掌握三维软件知识，制作时间较长，修改难度较大。作为前期环节的预演制作，快速建模并制作动画具有十分重要的应用意义。

随着三维建模技术发展，基于草绘的三维建模方法根据提供的手绘草图程序化生成相应简易的三维模型。受传统电影创作流程中绘制故事板的启发，本文将故事板绘制与预演模型制作相结合，使创作者快速创建所需模型，服务于预演动画制作。同时，为满足电影艺术家的高效实时渲染和交互的需求，利用实时渲染引擎搭建场景，制作和渲染三维动画，该方案既能节约人力成本，还可以与传统电影制作流程相结合，帮助用户初步实现预演展示。

本文着眼于前期电影预演动画制作，提出了一种基于草绘建模和图像引擎的电影预演制作流程，使艺术家更加快速、便捷地创建三维模型并制作简单的预演动画。该流程操作简单，提高了制作效率，降低三维建模成本，使得用户能够将故事板创作与简单的预演动画制作相结合，以较低的成本实现自身创意可视化。本文设计了几何体类建模实验、人物及动物建模实验、用户体验实验并制作预演动画，分析了基于草绘的三维建模结果在预演动画中的效果，评估其在电影虚拟预演制作中的生成能力，探讨人工智能生成内容（AIGC）在数字电影制作中的应用潜力。

2 相关工作

随着三维建模技术的不断发展，三维建模方法层出不穷。基于几何的建模是目前电影制作的主流三维建模方法之一，艺术家通过Maya、ZBrush 等三维软件制作所需要的模型。这种方法可以灵活地创建各类复杂模型，其中人体及动物等模型制作所需时间较长。基于图像建模的方法通过对目标物体照片进行处理，从而生成带纹理的三维模型。该方法适用于生成现实生活中的物品及室内场景的模型，但生成结果通常存在孔洞，Mesh 网格分布不均且拓扑结构不清晰等问题，模型修改难度大，算法复杂度高。基于激光扫描建模的方法使用激光扫描仪扫描物体记录其外观数据，获得物体的三维点云，处理后生成物体的模型。激光扫描的方法需要昂贵的激光扫描仪，只能针对现实中静止的物体进行三维建模，无法满足预演制作多样化的创作需求。

目前电影预演工业制作中，主要使用基于几何建模技术、动画关键帧技术及三维动画引擎技术[1]制作三维预演动画。第三楼（The Third Floor）制作电影《复仇者联盟3：无限战争》预演动画时使用三维软件为大量角色、场景创建了模型和动画[6]，如图1（a）所示。由于此类科幻电影需要大量后期特效，通常实际拍摄和后期制作同时进行，前期预演动画需要与后期特效设计相配合，预演动画制作时花费大量时间创建高精度的三维模型以便后期继续优化使用。通常预演动画制作仅花费几天创建数字资产。第三楼为《曼达洛人》制作前期预演动画时，使用动画关键帧技术为角色制作了动画以获得更准确的动作效果，也运用了动作捕捉技术高效完成了部分动作拍摄[7]，如图1（b）。现今大部分预演动画在三维动画引擎中渲染，同时也尝试使用带有实时渲染和交互操作功能的图像引擎以满足更多需求。哈龙娱乐（Halon Entertainment）在虚幻引擎（Unreal Engine）中为《海王》制作海底战斗一幕的预演动画，实时渲染得到大量海洋生物在水底运动画面[8]，如图1（c）。上述技术各有优势，使电影预演制作更加简易高效，电影预演制作技术仍需在交互性、易编辑性、协同性等方面有所提升。

图1 电影预演技术应用

3 动画预演制作

本文将基于草绘的三维建模技术集成到电影预演制作流程中，实现预演动画中的三维模型创建，该技术降低了三维模型制作的技术门槛，艺术家只需清晰画出草图就能快速得到简洁的三维模型。目前开源的草绘建模方法主要有三种：Teddy、RigMesh 和Monster Mash。Igarashi 等人[2]提出了一个名为Teddy的基于草图的三维建模方法。Teddy 中使用了弦轴变换（Chordal Axis Transform，CAT）确定三维模型的骨架，按一定比例计算骨架各点到草图多边形的距离，以类“椭球”的方式将骨架和多边形包裹起来生成三维模型。Borosán 等人[3]提出一个名为RigMesh 的草绘建模算法。该算法基于Teddy 进行优化，通过弦轴与圆柱版道格拉斯-普克算法（Cylindrical Douglas-Peucker，CDP）相结合生成模型对应的骨骼。用户可通过调整骨骼关节点位置改变模型的姿态。Dvorožňák 等人[4]提出了名为Monster Mash 的基于草绘的三维建模方法，该方法基于Igarashi 提出的尽可能刚性（As-rigid-as-possible，ARAP）理念，设计了三维模型变形功能，允许用户调整模型得到多个姿态的三维模型结果。Ma 等人[5]提出一个实时生成三维模型的草绘建模算法。该算法使用输入折线和道格拉斯-普克算法为模型构建一个实时的骨骼，以此调整模型姿态。本文选用Teddy和Monster Mash作为工具进行流程验证。

简单的预演动画（如Pitchvis等）目的是展示艺术家的故事创意和画面构思，让创作团队快速了解画面预期效果。这类预演动画中所用的三维模型应当：（1）外形清晰易懂，无需额外向观看者解释三维模型所代表的道具或角色；（2）易于调整，能配合预演动画故事内容快速修改；（3）材质贴图易于区分，方便快速分辨，不会造成画面内容误解。为达到预演制作高效、交互性强、可编辑的要求，本文选择使用基于草绘的三维建模方法搭配Unreal Engine制作动画预演，其制作流程如图2 所示。确定电影预演动画故事内容后，使用基于草绘的三维建模方法为道具及角色创建三维模型，然后为角色绑定骨骼及制作动画关键帧。整理所需三维模型资产并将其导入Unreal Engine中，开始搭建场景、创建动画序列。在动画序列中通过设定位置关键帧或编写蓝图制作模型和摄影机的运动路径，调整摄影机各项参数，确认动画序列内容无误后，渲染导出动画序列。

图2 预演动画制作流程

4 实验设计

本文挑选了实拍影片《爱乐之城》、动画电影《海底总动员》和手机游戏《哈利波特：魔法觉醒》中剧情片段作为参照，模仿片段制作预演动画，以此设计了三个评估实验，分别是几何体类模型实验、人物及动物模型实验、用户体验实验。依据动画预演中常出现的模型类型，本文将模型分为了几何体类模型、人物及动物模型两个大类。片段中出现的角色与道具按此分类后，将作为两个实验建模目标。为了探索用户对基于草绘的三维建模方法的感受，本文设计了用户体验实验，采用问卷调查的方式对实验结果进行有效性评估。本实验共招募了50 位18～30 岁的受访者（其中女性26 人，男性24 人）参与几何体类模型实验和人物及动物模型实验的结果评估，并邀请5名有动画预演制作经验的受试者参与用户体验实验。

4.1 几何体类建模实验

动画预演中常出现的几何体类模型包括家具、楼房及造型简单的植物等。这类模型由几个几何体组成或主体为几何体。快速创建几何体类模型是三维软件的优势。因此本实验将以Maya 为三维软件代表，与两个基于草绘的三维建模方法一同创建目标模型。在未告知各个模型制作方法的情况下，我们将向受访者展示三种方法得到的结果模型图片，要求他们对模型结果评分（满分3 分）。通过建模结果和受访者评分，分析比较三维软件与基于草绘的三维建模方法，以及在几何体类模型方面的建模效果与建模效率。

4.2 人物及动物建模实验

在动画预演中，人物及动物模型出现频率高，而三维软件创建此类模型需要花费更多时间。这对缺少三维软件知识但有制作简单预演动画需求的用户来说并不友好。在高效快捷建模的基础上，本实验仅使用两个基于草绘的三维建模方法制作目标模型。实验在未向受访者说明模型生成方法的情况下，分组展示两种建模方法所得的结果，让他们回答相应问题，问题见表1。实验同时使用了Maya 对目标模型进行建模并作对照，以期通过比对两个基于草绘的三维建模系统生成结果和分析调查问卷数据，探究基于草绘的三维建模方法在制作人物及动物模型方面的优势与不足。

表1 人物及动物模型建模实验问题

4.3 用户体验实验

用户体验实验邀请了5 位有动画预演制作经验的受试者（其中3 名无绘画基础，2 名有绘画基础）使用基于草绘的三维建模方法创建三维模型。实验建模对象包括2 个几何体类模型（仙人掌、步枪）和2 个动物模型（小丑鱼、海马）。体验结束后，由5 位受试者填写体验感受调查问卷，问卷内容见表2。此实验将根据受试者的建模结果和调查问卷各项评分，探究绘画基础对使用基于草绘的三维建模方法的影响，及用户对基于草绘的三维建模方法整体感受。

5 结果评估与预演制作

几何体类建模实验和人物及动物建模实验结果模型将会作为模仿预演动画短片中使用的模型。实验制作了简易预演动画短片，在邀请3位有预演工作经验及拍摄经验从业人员观看短片后，获得他们对预演动画短片结果的评价。

5.1 几何体类建模实验

在本实验中，使用基于草绘的三维建模系统制作目标模型所需时间为单个模型1～4分钟，同样的模型使用Maya 制作时间为3～5 分钟。基于草绘的三维建模系统的建模速度略快于三维建模软件。实验共回收50 份评分结果，并对结果数据进行处理后得到评分。

从图3 可以看出Maya 制作的几何体类模型评分普遍高于基于草绘的三维建模的结果。Monster Mash 在灯柱、围栏、仙人掌等细长圆柱体模型的生成上，效果普遍优于Teddy 结果。相反地，Teddy 方法在照相机、椅子、麦克风等立方体类模型上，生成结果较优于Monster Mash。两个工具的规则几何体模型生成结果评分均与Maya 差距较小。从几何体类模型（仙人掌、树）生成结果来看，如图4所示，基于草绘的三维建模方法发挥了其还原草图线条的优势，生成结果细节处比Maya更为柔和自然。

图3 几何体类模型评分结果

图4 仙人掌模型对比

5.2 人物及动物建模实验

本实验中，用户创建目标模型的时间均为3～5分钟，相比于使用三维建模软件，更加简易高效。通过分析回收的50 份评分结果，掌握了不同生成结果的用户偏好。如图5所示，人物模型中，用户选择“一样差”的比例相较动物模型更高；动物模型中，用户认为Teddy 方法和Monster Mash 方法效果相当；类圆柱动物模型（寄居蟹、水母）中，用户普遍认为生成结果不够令人满意。

图5 人物及动物模型选择百分比

此外，本实验让掌握基础三维软件操作的实验员使用了Maya 软件制作目标模型（每个模型制作时间约30～60 分钟），并将结果与基于草绘的三维建模方法结果进行对比，如图6所示。实验发现当用户仅掌握基础三维软件操作时，使用Maya 制作动物和人物模型的时间为草绘建模方法的10～20倍，而模型效果优化程度并不大。本实验在短时间内使用草绘建模方法制作的人物与动物模型比较粗糙，但受访者对结果大部分满意，认为结果模型符合他们对参考图片的期待。

图6 水母与寄居蟹模型对比

5.3 用户体验实验

参与本实验的5 名受试者，均没有草绘建模经验，创建目标模型耗时2～5分钟。分析受试者问卷结果发现，受试者普遍认可Monster Mash 方法，表示该方法高效且使用舒适。受试者们绘制的草图及其使用Monster Mash 方法制作的小丑鱼模型如图7 所示。值得注意的是，在强调了Monster Mash 的使用方法后，两名有绘画基础的受试者所绘草图呈现明显透视关系，而无绘画基础的三名受试者仅简单绘制了草图。从模型结果来看，两名有绘画基础的受试者的生成结果，鱼鳍部分并没有对称，而是在同侧或不对称生成，而无绘画基础的受试者的结果则无这类情况，如图7侧面图所示。因此笔者认为，绘画规则对基于草绘的三维建模方法生成结果存在一定的影响。

图7 小丑鱼草图与三维模型结果对比

5.4 动画预演结果与分析

本实验使用Unreal Engine 4.27 制作预演动画短片。根据前述实验的评估结果，选取每组模型中评分较高的结果用于制作三个模拟动画预演短片。本文在预演制作过程中使用了不同颜色的材质贴图以区分不同模型，为各模型绘制运动路径，并使用灯光加强画面效果，最终引擎渲染得到的动画预演短片截图如图8所示。

本实验邀请了3 位有预演工作经验的从业人员观看了预演动画模仿短片。被采访者普遍认为基于草绘的三维建模方法生成的模型“整体比较粗糙”，但是“基本实现了草图想要的效果”，动画预演中的模型“只有颜色不同”“缺少金属性、粗糙程度和别的材质属性”；画面“整体还是比较清晰”，“灯光和影调方面还要加强”。同时，Maya 版本的简单预演动画三维模型虽然质量更高，但并未提升观看者对画面的理解程度，在人物及动物类模型创建上花费了更多时间。本文提出的基于草绘的三维建模方法，操作简单快速，对草图还原度高，用户偏爱操作简单的Monster Mash。该类草绘建模方法生成的模型不够精细，仍能完成传递画面信息的任务，能够帮助电影创作者在初期自主制作简单预演动画。

人工智能技术参与的三维建模方法在电影预演制作中起到提高效率、降低成本的作用。根据该类技术特点调整其在电影制作工业化流程中的使用方法，可以更好发挥人工智能三维建模方法的生成能力。

6 结论

本文介绍了电影预演相关技术，提出了一套基于草绘建模和图像引擎的电影预演动画制作流程，并探讨了基于草绘的三维建模方法是否适用于简单电影动画预演制作。通过实验分析，基于草绘的三维建模方法，能高效生成符合简单预演动画制作要求的模型，降低时间、人力成本和制作门槛。实验中所用的两个草绘建模工具，操作简单、易学，便于电影创作者快速掌握并使用。绘制草图与电影创作者以往的故事板创作习惯相符合，因此草图建模的制作过程既能够与电影预演动画制作协同，又能够帮助创作者直观高效地可视化展示自身创作意图，提升电影创作初期团队沟通效率。

本文所使用的制作方法对几何体类模型和人物模型效果仍有待提升。随着草绘建模技术的发展，该流程将更高效地服务电影预演动画制作，在满足三维模型制作多样化、创意化、高效化需求的基础上，进一步提升数字资产质量。目前人工智能技术参与生成三维模型在预演动画制作流程中的使用仍处于实验阶段，这类技术无疑能帮助艺术家快速实现创意，未来在数字电影制作中，AIGC 丰富的应用场景仍等待我们研究与探索。❖