王玉玨

北京電影學院美術學院,北京 100088

1 數(shù)字繪景概述

數(shù)字繪景 (Matte Painting)是指利用數(shù)字技術,將繪畫、處理過的圖像及三維元素等影像內(nèi)容與實拍鏡頭畫面合成在一起的影視特技方法。常用于組接畫面場景、擴充畫面背景、渲染畫面氣氛等。為了保持與實拍鏡頭的高度一致,要求繪景的內(nèi)容高度“準確”,透視、光線、色彩、空間、比例、運動等完全匹配實拍畫面,做到以假亂真。

1.1 數(shù)字繪景的優(yōu)勢

數(shù)字繪景起源于“遮罩繪景”“玻璃接景”等影視特效手段,現(xiàn)今隨著CG 技術的飛速發(fā)展,數(shù)字繪景較之從前發(fā)生了巨大變革,基于計算機強大的圖形處理能力,數(shù)字繪景的效果和效率完全淘汰了之前手繪的方式。影視創(chuàng)作中數(shù)字繪景技術可以突破實景拍攝的時空限制,實現(xiàn)了很多因客觀因素、自然條件的限制無法完成的場景。還可以解決非現(xiàn)實空間及假想空間的擴充,為創(chuàng)作者提供更廣闊的想象空間。另一方面數(shù)字繪景的應用提高了影片的制作效率,節(jié)約了制作成本。

1.2 數(shù)字繪景的問題和局限

數(shù)字繪景在電影制作環(huán)節(jié)中主要任務是完成場景畫面中背景環(huán)境的塑造,類似早先攝影棚中的“天片”“天幕”,這樣的功能決定了數(shù)字繪景的呈現(xiàn)形態(tài)主要是靜態(tài)的二維圖像。如果將一幅 “圖片”與動態(tài)的鏡頭畫面合成在一起必然會出現(xiàn)一些問題:首先是鏡頭運動匹配的問題,攝影機運動取景時畫面內(nèi)景物的空間位置會發(fā)生變化,數(shù)字繪景作為背景需要匹配立體空間中的位移變化。然后是景物、元素本身的立體空間呈現(xiàn)問題,數(shù)字繪景作為二維圖像只能依靠畫面內(nèi)容來塑造立體感,這樣的立體呈現(xiàn)并不能隨著鏡頭移動發(fā)生透視變化而改變。這些問題源于數(shù)字繪景的二維屬性與運動鏡頭立體時空的矛盾。因此我們常說數(shù)字繪景具有 “局限性”,尤其是透視變化幅度較大的鏡頭畫面。越復雜的攝影機運動對數(shù)字繪景產(chǎn)生的變化越難控制,如何解決立體透視問題成了關鍵。

2 數(shù)字繪景的三維投影解決方案

要做到與實拍鏡頭畫面的立體空間相匹配,需要把數(shù)字繪景中的二維空間元素三維化,三維投影(Project3D)的合成方案無疑是很好的選擇之一。通過投影的方式,把二維圖像投射到三維幾何體上使其具備一定三維屬性,把數(shù)字繪景圖像轉化為具有三維屬性的場景,在立體空間中完成鏡頭畫面的合成工作。

2.1 三維投影原理

三維數(shù)字空間中的投影過程與現(xiàn)實環(huán)境中的投影機原理非常相似,主要區(qū)別在于三維數(shù)字空間的最終成像依靠數(shù)字攝影機而不是人眼。在現(xiàn)實環(huán)境中,如果用投影機把影像投射在立體物體 (成像媒介)上會產(chǎn)生立體的影像 (圖2)。如果我們把這個過程在數(shù)字環(huán)境中進行模擬操作,利用數(shù)字投影機把二維圖像投射到三維幾何體上形成新的影像,再用數(shù)字攝影機拍攝記錄其成像內(nèi)容,形成新的影像結果。這個過程看似是一個放映再記錄的重復工作,但是在投影過程中,成像媒介的形態(tài)不是平面的幕布而是立體的幾何形狀就會呈現(xiàn)出不一樣的效果。

圖1 數(shù)字繪景在影視創(chuàng)作中應用廣泛

圖2 投影到平面與投影到幾何體

數(shù)字環(huán)境與現(xiàn)實空間的投影成像過程相似,只是數(shù)字攝影機完成了人眼成像的工作。根據(jù)前文的思路,如果我們把成像介質(zhì)的形態(tài)進行變形和拉伸使其成為不規(guī)則的幾何體,相應的投影影像也會被拉伸變形。但是攝影機和投影機在相同的角度工作時,不論成像幾何體如何變形,攝影機的成像結果依舊保持原本的影像不變形 (圖3)。也就是說成像幾何體的形態(tài),不會影響同軸向數(shù)字攝影機成像的結果,仍然會保持數(shù)字繪景的圖像原貌。這個軸向角度也就是這個鏡頭畫面的主攝角度。

圖3 當投影機與攝影機角度相同時成像不會發(fā)生拉伸變形

雖然在主攝角度上成像幾何體的形態(tài)不會改變投射影像的面貌,但是如果離開了主攝角度,數(shù)字攝影機產(chǎn)生了旋轉或移動,這時成像就會出現(xiàn)空間透視的改變,這個透視的變化是基于被攝幾何體在三維空間中與攝影機相對位置關系的變化。也就是說,這個三維幾何體作為投影成像的載體,在空間中產(chǎn)生了透視變化,相應的投影在載體上的成像也發(fā)生了透視變化。綜上所述,雖然數(shù)字繪景作為二維圖像不會產(chǎn)生立體效果,如果我們根據(jù)圖像中內(nèi)容的造型樣式,在三維空間中制作出匹配的幾何形態(tài),再把數(shù)字繪景圖像投影在這個幾何體上,這樣就實現(xiàn)了二維影像的立體轉化(圖4)。

圖4 把數(shù)字繪景的影像投影到與之匹配的三維幾何體上

2.2 三維投影實踐解決方案

不難看出三維投影的基礎邏輯是把二維圖像賦予三維屬性,并在立體空間中與鏡頭畫面結合在一起,所以工作重點就是得到鏡頭畫面的三維空間,并把數(shù)字繪景準確地合成在其中。

首先在影視鏡頭畫面中,所有被攝物體在攝影機的運動過程中會產(chǎn)生的相對位移交錯,產(chǎn)生了場景的空間透視,利用畫面中的物體位移信息我們可以反向得出拍攝時攝影機的運動軌跡,也就是我們常說的反求攝影機(Camera Tracker)。作為關鍵的一步,其主要作用在于計算出實拍攝影機運動軌跡和實拍場景的空間環(huán)境,利用這些數(shù)據(jù)在三維空間中重新構建和還原,準確模擬出實拍過程中的物理空間,得到數(shù)字攝影機和數(shù)字三維空間 (Point Cloud)。此步驟是后續(xù)工作的重要基礎(圖5)。

圖5 反求攝影機得到實拍現(xiàn)場的空間場景和攝影機運動軌跡

通過反求攝影機模擬出這個鏡頭的數(shù)字三維空間,下一步歸納整理這些信息并按照創(chuàng)作需求重新標定數(shù)字空間(圖6),標定空間原點用來指定鏡頭畫面中的主攝區(qū)域,標定空間平面用來指定空間地面,標定空間縱深用來指定鏡頭主要拍攝軸向,標定空間距離用來模擬真實空間中的物理距離。建立規(guī)范、準確的三維空間是非常有必要的,為后續(xù)的數(shù)字繪景投影工作創(chuàng)造了優(yōu)秀的合成環(huán)境。

圖6 標定三維空間原點、空間平面、空間縱深、空間距離

第二步安置投影機,這一步是三維投影的關鍵,觀察數(shù)字攝影機的運動方式,判斷移動軌跡和軸向變化幅度是否在合理的范圍之內(nèi) (透視角度變化不能太大),找到攝影機運動幅度的最大值和最小值,取中間值作為參考來設定投影機的角度、位置的參數(shù)(一般是鏡頭時長的中間幀)。這個過程就好比在電影院為了照顧觀眾的視角,放映機的位置往往會安放在整個影院的中間正后方,這樣左右方向、縱深方向都能夠得到最大限度的利用。一般情況下找到攝影機運動軌跡的中間位置來安置投影機 (圖7),但這個擺放方式不是絕對正確的,需要根據(jù)畫面呈現(xiàn)內(nèi)容進行靈活調(diào)整。重要的是這一幀畫面就是數(shù)字繪景的參考關鍵幀,依據(jù)這個畫面完成場景繪制銜接工作。

圖7 根據(jù)攝影機運動軌跡,居中設定投影機的位置角度

第三步在三維空間中安置幾何體 (成像媒介)并投射影像,其中數(shù)字繪景的內(nèi)容會根據(jù)鏡頭創(chuàng)作要求進行分層繪制,調(diào)整好構圖、光線、色彩、氣氛等,對于畫面的透視和立體表現(xiàn)需要在繪制過程中規(guī)劃安排好,比如地平線的位置、縱深比例、近中遠景的安排。根據(jù)前文思路,數(shù)字繪景的立體呈現(xiàn)除了來自于圖像內(nèi)容本身,更是取決于投影過程中作為成像幾何體在三維空間中產(chǎn)生的透視變化。如何在三維空間中安置合適的成像幾何體,既要參考繪景的內(nèi)容,又要基于實拍鏡頭的三維空間,之前“反求攝影機”步驟中把真實空間轉化成數(shù)字三維空間,這樣“三維點云”的分布形態(tài)就成為了重要的參考標尺。擺放三維幾何體的空間位置首要表現(xiàn)的是縱深關系,“近大遠小”在影像上的表現(xiàn)主要是與攝影機的相對位移速度不同,近景的位移距離要大于遠景的位移距離。為了模擬出這種效果,一般會按照內(nèi)容分成多個圖層來展現(xiàn),不同圖層展現(xiàn)的內(nèi)容會依據(jù)縱深的空間距離來區(qū)別(前景、中景、遠景)。依次把每一個圖層影像分別投影到對應的三維幾何體上,這一步常規(guī)使用的是三維卡片(Card)作為成像介質(zhì),由近及遠依次排列三張卡片形成整體的縱深關系。然后是單個卡片上成像內(nèi)容的前后透視關系,可以把三維卡片傾斜一定的角度,這樣相對攝影機視角單個三維卡片也產(chǎn)生了近大遠小的透視變化,高效模擬場景的規(guī)模和走向 (圖8)。參考反求攝影機步驟時設定的距離參數(shù),調(diào)整卡片的面積大小、傾斜角度和空間位置,并結合實拍場景內(nèi)容和數(shù)字繪景內(nèi)容靈活調(diào)整。

圖8 利用幾何體卡片快速布局出場景空間,并把數(shù)字繪景投影到幾何體上

最后一步改造投影成像幾何體模型,完成整體空間塑造的工作后,觀察畫面中數(shù)字繪景部分的透視準確性,其中遠景內(nèi)容符合基本的近大遠小的縱深關系,基礎的卡片模型可以滿足標準,但是中、前景的透視關系往往會不盡如人意,畢竟卡片模型過于簡單只能表現(xiàn)出基礎的透視效果,為了達到更真實的體積透視,需要制作與前景元素匹配的三維模型。以本案為例,根據(jù)前景的山體的造型樣式,在三維軟件中搭建出模型的整體結構,由于采用的是三維投影的呈現(xiàn)方式,復雜細小的凹凸結構和表面紋理并不需要制作模型,細節(jié)依靠數(shù)字繪景的影像內(nèi)容來呈現(xiàn),不僅效果好工作效率也很高。制作模型的重點是呈現(xiàn)物體的結構輪廓來表現(xiàn)立體透視。然后把這個三維模型作為投影的成像載體替換之前使用的幾何體卡片,并且重新投影繪景影像,這樣就完成了立體透視準確的成像方式(圖9)。

圖9 成像幾何體的造型與繪景影像相匹配

三維投影的制作流程環(huán)環(huán)相扣,每個步驟都互相影響,其中有幾個關鍵問題,首先是場景的尺寸比例問題,既然要做到準確的透視效果那么場景中物體比例就不能有太大差異,難點在于制作流程中涉及到三個空間的比例關系,首先是實拍鏡頭的真實物理空間距離,第二是合成軟件中的三維空間距離,第三是三維軟件中的空間距離,三個距離尺寸需要做到明確統(tǒng)一,顯然統(tǒng)一的標準必須是實拍鏡頭的真實距離尺寸,這就需要在拍攝現(xiàn)場實地測量一些距離尺寸,比如明顯標識物體的間距,標準物體的常規(guī)尺寸等,然后把這些測量數(shù)據(jù)應用到合成及三維工作流程中 (正如上文 “反求攝影機”步驟中提到的標定場景距離尺寸)。在數(shù)字空間的距離尺寸還原真實物理距離,然后在合成軟件與三維軟件中協(xié)調(diào)匹配的尺寸標準,搭建出相對準確的投影空間完成合成工作 (圖10)。第二個問題是,在這個流程中搭建模型主要依靠作者對圖像的主觀認知,理解畫面中的透視關系來完成制作,會受到很多主觀因素影響。因此在影視工業(yè)生產(chǎn)過程中,根據(jù)不同鏡頭畫面的要求,往往特效公司會收集大量場景環(huán)境的數(shù)據(jù)和圖像素材,比如在拍攝地采集真實環(huán)境中的三維掃描模型,拍攝地形地貌的圖像素材,針對各種類型場景,例如:高樓都市、群山大川、冰原沙漠等,收集的三維數(shù)據(jù)和圖像素材分門別類整合起來形成數(shù)據(jù)庫,作為數(shù)字資產(chǎn)在之后的工作中高效使用。

圖10 二維數(shù)字繪景圖像通過三維投影形成立體影像

3 大幅度運動鏡頭的多種立體解決方案

前文提到數(shù)字繪景局限性的問題,主要限制原因還是攝影機的運動幅度,運動幅度越大,透視變化越大,二維圖像越難模擬立體效果。攝影機的運動和被攝物體之間發(fā)生角度變化,也就形成了立體透視的變化,三維投影的重點也是模擬這個立體透視并賦予給二維數(shù)字繪景圖像之上,給觀眾帶來立體感的錯覺。如果攝影機運動軸向變化不大,這個方案呈現(xiàn)的效果會非常優(yōu)秀。如果攝影機在1～2個軸向上產(chǎn)生了非常大的運動,那么這種模擬三維立體感的方式還是會穿幫(圖像被拉伸),畢竟數(shù)字繪景是二維圖像,沒有第三個體面的內(nèi)容呈現(xiàn)。針對這個問題,可以展開幾類常見的影視鏡頭運動方式來分析。

3.1 搖動鏡頭的三維投影方式

搖鏡頭通常指攝影機的位置不動,鏡頭在垂直角度(相對拍攝方向的垂直方向)發(fā)生旋轉,這樣的鏡頭畫面常用來展現(xiàn)場景周圍的大環(huán)境氣氛,或角色與周圍環(huán)境的關系。在用數(shù)字繪景展現(xiàn)周圍環(huán)境大全景的過程中,往往會遇到畫幅尺寸不夠大的問題,需要采用多個畫幅首尾相接分開繪制的方式,然后通過透明通道 (Alpha通道)控制每幅畫面之間銜接過渡的部分。在投影數(shù)字繪景內(nèi)容的過程中,圍繞攝影機環(huán)繞擺放成像幾何體。例如,站在高點環(huán)繞拍攝周圍180°的風景內(nèi)容,形成多張照片組合,我們可以在數(shù)字三維空間中還原這個過程,把幾臺投影機放在這個高點位置,周圍180°環(huán)繞擺放三維卡片作為成像媒介,分多個角度投射這些照片,每幅影像分別投射至成像卡片上,這時會出現(xiàn)多個三維投影節(jié)點,需要使用 “合并著色器節(jié)點(Merge Mat)”把這些投影影像結合在一起。這樣就在三維空間中模仿出真實環(huán)境中的空間位置,完成環(huán)繞鏡頭投影的基本思路(圖11)。

圖11 環(huán)繞180°投影場景圖像

3.2 移動鏡頭的三維投影方案

移動鏡頭的運動方式有很多種,以常用的橫移為例,將攝影機架設在軌道上沿水平面做各方向移動鏡頭,是很常用的影視拍攝手段,可以動態(tài)地把人物和景物交織在一起,產(chǎn)生強烈的節(jié)奏感。與搖鏡頭的情況類似,這樣大幅度的運動方式,場景會產(chǎn)生很大的透視變化,需要采用多臺投影機,分不同角度投影成像的解決方案。例如,中遠景的樓房作為經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)字繪景中的元素,立體造型可以歸納為立方體,在搖鏡頭或移動鏡頭中透視變化較大,樓體的兩個立面圖像隨著攝影機的移動會被嚴重拉伸,為了避免穿幫,需要擺放兩臺投影機,分別從成角透視的兩個方向投影每個面的圖像,這樣可以有效地避免圖像變形拉伸問題。除此之外,由于移動鏡頭的拍攝范圍跨度相對較大,繪制場景的面積廣、層次多,需要分開多層制作,并且投影成像的幾何體也應該分開多個層次制作和使用,前后景層次豐富、交錯有序,這樣投影時可以有效地避免圖像之間混亂重疊、拉伸變形(圖12)。

圖12 橫移距離跨度范圍大,多攝影機多角度分區(qū)域投影

3.3 推拉鏡頭的三維投影方案

推拉鏡頭指攝影機沿著拍攝方向做前后運動。其畫面效果表現(xiàn)為同一對象由遠至近或從一個對象到另一個對象的變化,使觀眾有視線前后移動的感覺。如果是小范圍的推拉鏡頭呈現(xiàn)的是影像縮放效果,可以應用疊加投影的解決方案。例如,攝影機推進的拍攝某個場景,鏡頭起幅的景別是全景,隨著鏡頭推進景別逐漸放大來到中景,這時落幅畫面的投影內(nèi)容會出現(xiàn)像素不足的問題,這就需要針對放大部分的影像設置另一臺投影機單獨投影,也就是說數(shù)字繪景的內(nèi)容也要放大這個局部單獨繪制,才能成像更多細節(jié),滿足畫面品質(zhì)。這時多幅繪景圖像同時被投放到一個幾何體上,相互之間的銜接邊界問題就凸顯出來,如前文所述 “透明通道”配合“合并著色器節(jié)點(Merge Mat)”的解決方案可以作為基本思路,更重要的是靈活處理兩個畫面重疊位置,根據(jù)畫面的內(nèi)容找到不易穿幫的位置,比如結構轉折處、陰影處等作為影像銜接位置比較理想(圖13)。

圖13 分區(qū)域投影解決推拉鏡頭縮放效果

比較難處理的是大范圍的縱深推拉效果,例如,常見的縱深跟拍車戲的鏡頭,演員在駕駛交通工具行進時,攝影機跟拍演員中景別表演,周圍的景物沿縱深方向向后移動。如果采用三維投影的方式處理身后背景,需要解決場景畫面大范圍縱深透視的立體效果。以圖14鏡頭為例,首先在三維空間中把場景規(guī)劃好,根據(jù)畫面內(nèi)容 (攝影機運動范圍)把場景的深度分成若干小段 (圖14),這樣做的目的在于解決數(shù)字繪景圖像的像素不足問題,縱深透視的運動使影像發(fā)生大幅度縮放效果,無限放大圖像在技術角度和創(chuàng)作角度都是不成立的。

圖14 大范圍縱深運動鏡頭使用分段投影方案

既然場景空間被劃分成若干小段,數(shù)字繪景的呈現(xiàn)方式也需要重新規(guī)劃,以其中一個側面的山坡為例,本來連貫的縱深山坡被打散成若干小山坡分開繪制,每部分繪景的結構、光線、色彩又要做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。相應的投影機和成像幾何體也要分若干段來放置在三維空間中,攝影機的運動軌跡作為主要參考,再根據(jù)之前規(guī)劃好的若干分段,分別放置好投影機和成像幾何體 (圖15)。在這個方案中數(shù)字繪景的圖像、投影機、成像幾何體三者是對應成組的,所以每一組位置可以靈活調(diào)整,可以根據(jù)成像效果重新安排位置分布。這個過程中由于投影機和成像幾何體一一對應的關系,調(diào)整位置時需要同時協(xié)調(diào)兩組對應參數(shù)才能完成效果,為了簡化這個過程可以應用 “UV 投影”的思路,把投影成像固定在成像幾何體上,這樣調(diào)整位置就會便捷很多。

圖15 移動鏡頭同時推拉

3.4 復雜運動鏡頭的三維投影方案

工作實踐中通常遇到的是不規(guī)律的運動鏡頭,例如在橫移運動的同時配合升降運動或是推拉運動,攝影機不僅在三個軸向上同時運動,還有一定的搖擺旋轉,運動軌跡非常靈活沒有規(guī)律可循,根據(jù)前文提到的基本思路,認真分析鏡頭成像方式和繪景內(nèi)容,靈活制定解決方案。需要強調(diào)的是,在實際工作中,往往一臺投影機是遠遠滿足不了制作要求的。這就需要把一個物體分多個面用多臺投影機進行多重投射。并且在一個場景中,會出現(xiàn)很多成像幾何體模型,有的幾何體結構可能會相對復雜,單個模型投影時還會遇到空間結構疊加的問題。所以場景中出現(xiàn)幾十臺投影機也是常有的。電影鏡頭畫面的變化是多種多樣的,投影方案也不應該是一成不變的,找到其中的規(guī)律靈活使用,制定針對性的方案,反復測試找到最佳思路(圖16)。

圖16 移動鏡頭同時推拉

4 結語

隨著電影數(shù)字技術的發(fā)展,會有越來越多的場景利用數(shù)字技術來完成。數(shù)字繪景與三維投影的配合是解決電影鏡頭畫面中背景環(huán)境的首選方案之一,也是電影后期制作體系中重要的一環(huán),不僅富有藝術性、創(chuàng)造性還有復雜的技術流程,數(shù)字繪景把繪畫和攝影的藝術規(guī)律 “嫁接”到數(shù)字合成中,對于三維空間的構建就是以繪畫的透視規(guī)律為指導的結合。以上是筆者在工作實踐中總結的方法和技巧,希望這部分內(nèi)容的分享能為熱愛電影事業(yè)的同仁們提供些許幫助。