特效合成論文：鏡頭跟蹤技術(shù)的運(yùn)用及其作用探討

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本文作者：任達(dá)、馮雪寧 單位：中國(guó)傳媒大學(xué)動(dòng)畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院

設(shè)想一個(gè)典型的特效鏡頭：導(dǎo)演想要得到一個(gè)CG怪物從一幢樓中破窗而出，穿越街道后進(jìn)入一條小巷的場(chǎng)面。因?yàn)镃G怪物會(huì)和大樓的窗戶有一個(gè)相互影響，所以特效總監(jiān)會(huì)要求用三維模擬真實(shí)的窗戶破碎效果。在拍攝當(dāng)天，導(dǎo)演會(huì)以藝術(shù)的角度來(lái)考慮這個(gè)特效鏡頭中的場(chǎng)景以及攝像機(jī)位置，例如如何考慮被怪物破窗而出的大樓在畫面中的位置，盡管現(xiàn)場(chǎng)拍攝的時(shí)候沒有窗戶。導(dǎo)演和攝影師會(huì)在正式開拍前多次練習(xí)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，假想怪物橫穿街道的場(chǎng)面。當(dāng)導(dǎo)演對(duì)鏡頭滿意之后，便會(huì)將其數(shù)字化然后交給后期制作去增加特技。當(dāng)后期制作組收到影片后，他們需要?jiǎng)赢嫀焷?lái)調(diào)試怪物的動(dòng)作以及一個(gè)技術(shù)導(dǎo)演處理窗戶破碎的特效。在這之前，必須由鏡頭跟蹤工程師來(lái)事前進(jìn)行匹配運(yùn)動(dòng)畫面。工程師必須確保真實(shí)的攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡與三維場(chǎng)景的虛擬攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡完全一致?？紤]到窗戶需要被怪物撞碎，如果它在影片中的透視位置與三維場(chǎng)景并不匹配，例如當(dāng)攝像機(jī)往左運(yùn)動(dòng)時(shí)窗戶依舊停留在原位，很明顯就能看出這個(gè)鏡頭穿幫了。

將計(jì)算機(jī)生成的素材與真人實(shí)拍鏡頭合成對(duì)于電影及虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)來(lái)說是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。用鏡頭跟蹤工程師的眼光來(lái)看，當(dāng)一架攝像機(jī)在拍攝一個(gè)場(chǎng)景時(shí)，它基本上在做一件事：將所拍攝的三維空間轉(zhuǎn)化為二維平面。而鏡頭跟蹤的目的則是完全相反的，工程師需要通過軟件的精確計(jì)算還原當(dāng)時(shí)攝像機(jī)所拍攝的三維場(chǎng)景，并在計(jì)算機(jī)中模擬出來(lái)，而連接兩者的關(guān)鍵就是攝像機(jī)。

鏡頭跟蹤的方式有許多，首先評(píng)估需要跟蹤的影片片段以便選擇最佳的跟蹤方案，很多時(shí)候這個(gè)過程被遺漏，這很有可能在之后的進(jìn)程中花費(fèi)更多的時(shí)間。然后，在攝像機(jī)跟蹤軟件（或運(yùn)動(dòng)匹配軟件）中加入前期拍攝的參數(shù)進(jìn)行匹配運(yùn)算，其中主要包括鏡頭焦距、記錄幀率、運(yùn)動(dòng)模式，以便更精確地還原真實(shí)拍攝時(shí)的場(chǎng)景，就如同邏輯推理，更多的信息能讓過程變得容易一些。在五、六年之前，鏡頭跟蹤工程師需要考慮所有攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在外在因素，對(duì)于不同的場(chǎng)合選擇不同的跟蹤方法?，F(xiàn)在，科技的發(fā)展使得跟蹤軟件運(yùn)用了一個(gè)叫做“照相測(cè)量法”的技術(shù)，大大提高了軟件的智能跟蹤水平。通過軟件的運(yùn)算能夠得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)的虛擬攝像機(jī)和三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)。之后，工程師們依據(jù)這些數(shù)據(jù)在二維的平面內(nèi)重新構(gòu)建三維空間，例如將影片中的二維平面大樓和馬路以三維空間的方式構(gòu)建，這樣跟蹤就算完成了。

接下來(lái)是最重要的環(huán)節(jié)，工程師們需要測(cè)試跟蹤的鏡頭是否如實(shí)貼合真人實(shí)拍，所創(chuàng)建的三維空間及虛擬攝像機(jī)是否完美匹配真實(shí)世界。這時(shí)候，使用跟蹤軟件，將其自帶的測(cè)試物體擺放在重構(gòu)的三維空間中。失敗的跟蹤往往非常明顯就能夠看出來(lái)，比如在播放的過程測(cè)試物體發(fā)生了漂移或者抖動(dòng)。反復(fù)測(cè)試跟蹤是否成功是非常有必要的，因?yàn)槭〉溺R頭跟蹤將在整個(gè)后期制作流水線中一直被使用，直到最后合成輸出的時(shí)候才能夠發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這樣的情況是非?？膳碌模匦囆g(shù)家和動(dòng)畫師將不得不重新更改特技，所花費(fèi)的時(shí)間和精力對(duì)于一部影片的制作周期來(lái)說將會(huì)造成很大壓力。最后是將跟蹤完成的場(chǎng)景文件轉(zhuǎn)交給工作流程下的其他藝術(shù)家們。其通常包括三維場(chǎng)景坐標(biāo)和大小、必要的角色和設(shè)施以及合理的命名規(guī)則。一個(gè)井然有序的跟蹤文件能給接手處理的其他藝術(shù)家們提供方便，同時(shí)跟蹤工程師們也不需要在事后向他們?cè)敿?xì)解釋，這樣節(jié)省了許多不必要的時(shí)間。

攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)在特效場(chǎng)面中占有一席之地的重要原因是，數(shù)字技術(shù)運(yùn)用于電影特技需要解決的基本問題之一就是運(yùn)動(dòng)鏡頭中攝像機(jī)軌跡的跟蹤匹配。而在特效影片中，如果一直使用固定鏡頭則不容易達(dá)到影片所追求的藝術(shù)效果。鏡頭的特效合成是將來(lái)源不同的計(jì)算機(jī)生成的素材以正確真實(shí)的方式融入在實(shí)拍鏡頭中。綜上所述，攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)對(duì)這個(gè)行業(yè)有著舉足輕重的影響。電影院里的觀眾們?cè)跒榫实奶匦Ф蠛暨^癮同時(shí)，也許并沒有注意到影視特效藝術(shù)家們的工作。而恰恰是這些默默無(wú)聞的鏡頭跟蹤工程師們的努力決定了這些特技的效果。他們使觀眾看到的一切特效成為可能，這是電影拍攝中不可缺少的一環(huán)。