王翔

（四川音樂學(xué)院成都美術(shù)學(xué)院,四川成都 610000）

三維動畫是通過計算機(jī)三維圖形圖像技術(shù)創(chuàng)作出來的動畫類型，在制作手方法和畫面效果上都有別于傳統(tǒng)二維動畫，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，三維動畫成為了當(dāng)前動畫電影、動畫劇集的主流制作方式，而三維動畫獨有的三維虛擬空間和寫實的畫面元素如：角色、場景、道具、特效等也被廣泛應(yīng)用到影視實拍作品中，使三維虛擬世界與現(xiàn)實世界連接在一起，形成真假難辨的超現(xiàn)實影視畫面效果，給觀眾帶來前所未有的震撼觀影體驗。計算機(jī)三維動畫與實拍合成技術(shù)憑借著其獨有的視覺表現(xiàn)能力應(yīng)用得非常普遍,大大豐富了影視作品的創(chuàng)作手法[1]，成為科幻、魔幻、仙俠、歷史、戰(zhàn)爭等類型影視作品的常用制作方式，其代表性作品有《變形金剛》系列、《復(fù)仇者聯(lián)盟》系列、《指環(huán)王》系列、《侏羅紀(jì)公園》系列、《權(quán)力的游戲》系列等電影與劇集。

一、三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)制作影片優(yōu)點分析

1.影視創(chuàng)作者創(chuàng)作表現(xiàn)空間更大

三維動畫元素與影視實拍結(jié)合技術(shù)讓創(chuàng)作者能擺脫傳統(tǒng)實拍的限制，充分發(fā)揮想象力，使影視作品創(chuàng)作空間變得更大，創(chuàng)作者能自如的應(yīng)用現(xiàn)實世界沒有的三維動畫元素為自己的影視創(chuàng)作服務(wù)。如在美劇《權(quán)力的游戲》中存在著重要神話生物角色-火龍，傳統(tǒng)實拍手法只能制作出龍的真實模型，并在機(jī)械裝置的驅(qū)動下進(jìn)行有限的活動，由于是機(jī)械控制，模型實拍只能做特寫及近景鏡頭的實拍，很難滿足所有鏡頭的需求，但在三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)的加持下，三維動畫制作的火龍從形象到運(yùn)動都惟妙惟肖，并能與真人演員角色親密互動，使影片觀眾相信這個神話生物仿佛真實存在，讓魔幻故事背景下的劇集真實性得到提高，如圖1所示。又如系列電影《指環(huán)王》，故事發(fā)生在托爾金筆下虛構(gòu)的中土世界，中土世界大量自然景觀和建筑群與現(xiàn)實世界存在顯著差異，電影《指環(huán)王》除了部分自然景觀在新西蘭實地取景拍攝外，影片中大量獨特自然景觀和宏偉建筑群都使用三維動畫技術(shù)進(jìn)行制作并合成到實拍影片中，從而構(gòu)建出宏偉壯觀、真實可信的中土世界，如圖2所示。

圖1 《權(quán)力的游戲》劇照

圖2 《指環(huán)王》劇照

2.影視制作效率更高、成本更低

三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)為影視創(chuàng)作提高了制作效率、降低制作成本。在傳統(tǒng)影視實拍中出現(xiàn)虛構(gòu)的生物或場景，就會大量使用蒙版繪景技術(shù)與生物、場景模型實拍加摳像技術(shù)來完成制作，蒙版繪景和生物、場景模型的制作以及后期的摳像制作都會耗費大量的時間和經(jīng)費，實拍時還會受到諸多限制。三維動畫和實拍技術(shù)的應(yīng)用可以在真實模擬中降低影視作品的拍攝成本，使目前難以實現(xiàn)的鏡頭動作、CG特效在后期制作中實現(xiàn)完成，且逐漸應(yīng)用于商業(yè)動畫、產(chǎn)品宣傳中[2]。

二、三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合主流技術(shù)流程分析

要將三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合在一起，得到天衣無縫的畫面效果需要解決多個問題。首先需要使三維軟件的虛擬攝像機(jī)與影視實拍攝像機(jī)同步，就是虛擬攝像機(jī)定位與運(yùn)動軌跡與實拍攝像機(jī)完全相同，使三維動畫元素與影視實拍畫面在鏡頭運(yùn)動與透視方面完全匹配。其次三維動畫元素要與影視實拍畫面的照明、色調(diào)、景深等信息完全匹配，使三維動畫元素與影視實拍畫面相融合。目前三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)發(fā)展至今已形成多種解決方案，但成本最低、應(yīng)用最多的主流方案還是虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)流程。該流程步驟如下：

1.虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)

虛擬攝像機(jī)定位與運(yùn)動軌跡要與實拍攝像機(jī)同步，需要通過對影視實拍畫面像素的明度、飽和度、色相等要素進(jìn)行逐幀分析，形成大量定位標(biāo)記，并運(yùn)用透視原理由電腦計算出影視實拍攝像機(jī)的定位及運(yùn)動軌跡，并將其轉(zhuǎn)換為三維軟件能識別的虛擬攝像機(jī)和三維空間數(shù)據(jù)文件，這個過程就是虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)。這一技術(shù)在動態(tài)影像與三維軟件渲染的圖像之間的融合建立了很好的橋梁[3]。

虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)對實拍影視素材也有一定的要求。我們隨手拍攝的影視素材進(jìn)行虛擬攝像機(jī)反求計算很難得到正確的攝像機(jī)運(yùn)動軌跡，因為缺乏足夠清晰明確的參照。基于反求原理，為更準(zhǔn)確地計算出虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡，達(dá)到與實拍畫面的完美契合，影視實拍前期會在場景中放入易于后期合成抹除的帶有顏色的場景標(biāo)記點，場景標(biāo)記點需按固定距離進(jìn)行矩陣排列，這樣拍攝出來的影視素材可以幫助攝像機(jī)反求軟件通過定位場景標(biāo)記點來計算得到正確的虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡，從而降低計算誤差幾率，減少人工調(diào)整的工作量，提高反求效率，如圖3所示。

圖3 實拍場景標(biāo)記點

虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)已發(fā)展多年，現(xiàn)在許多三維軟件與后期軟件都具備該功能如：Maya、C4D、Nuke等，但計算方法、準(zhǔn)確度和效率各不相同，目前行業(yè)應(yīng)用更多的是專業(yè)攝像機(jī)跟蹤軟件Boujou，該軟件提供了完善的自動化跟蹤功能和多種跟蹤模式，大部分實拍鏡頭素材只需少許的人工干預(yù)就能反求出虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡，如圖4所示。

圖4 Boujou軟件攝像機(jī)反求解算

2.三維動畫元素與影視實拍影片匹配

三維制作者使用三維軟件制作出影視實拍所需要的三維動畫元素，再將反求出的虛擬攝像機(jī)和影視實拍影片素材導(dǎo)入到三維軟件進(jìn)行對位匹配處理，然后通過該攝像機(jī)對三維動畫元素制作動畫，使三維動畫元素在焦距、透視、運(yùn)動軌跡上與影視實拍影視畫面一致，達(dá)到三維動畫元素和實拍影視畫面是一個攝像機(jī)拍攝的畫面效果。

3.三維動畫元素虛擬照明匹配

影視實拍時，不同的自然光源、人工光源的照明會帶來畫面不同的明度、飽和度、色相、陰影等照明變化，從而達(dá)到展示畫面，烘托影片氛圍的目的。三維動畫元素要融合到影視實拍畫面在三維場景中就需要使用三維虛擬燈光模擬影視實拍畫面的各種照明信息，使三維動畫元素照明與影視實拍畫面照明一致，達(dá)到兩者畫面完全融合的目的。

三維動畫元素的虛擬照明較早前完全依靠制作者使用三維軟件中的方向燈、聚光燈、點光源等虛擬光源來模擬實拍畫面照明效果，其模擬效果及效率都較為低下，容易出現(xiàn)結(jié)合畫面穿幫或畫面不協(xié)調(diào)狀況。隨著三維渲染技術(shù)的發(fā)展，HDR（高動態(tài)光照成像）照明渲染技術(shù)大行其道，在影視實拍時，通過照相機(jī)可預(yù)先采集該場景的不同角度高質(zhì)量HDR圖片，用以儲存該影視實拍場景的照明信息，然后使用HDR全景圖軟件將不同角度HDR照片組合成HDR全景圖，在制作三維動畫元素照明時就可提取該場景實拍制作的HDR全景圖，使用三維HDR照明渲染技術(shù)，還原影視實拍場景的照明效果，從而使三維動畫元素的虛擬照明能完美匹配影視實拍場景照明與反射，如圖5所示。

4.影視后期合成

三維動畫元素被三維軟件渲染輸出后不能簡單的合成到影視實拍影片上，因為不管使用了何種技術(shù)手段，三維動畫元素渲染輸出的圖像素材與影視實拍畫面都會有少許差異，我們需要通過后期合成技術(shù)修改、合成影片，得到影片最終畫面效果。后期合成是影片制作的重要環(huán)節(jié)，為了給后期合成提供更多的合成便利和調(diào)整空間，三維動畫元素在渲染輸出時還需根據(jù)項目需求進(jìn)行渲染輸出序列幀素材的分圖層、分通道處理，便于影視后期合成時單獨對三維動畫元素做局部的調(diào)整，比如：高光、反射、陰影、明度、飽和度、色相等方面，使三維動畫元素序列幀素材更好地融合到影視實拍，得到令人信服的畫面效果。

三、三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢分析

目前主流的虛擬攝像機(jī)反求技術(shù)方案雖然制作成本較低，但存在不少缺陷，一是攝像機(jī)鏡頭畸變會較大影響虛擬攝像機(jī)反求的準(zhǔn)確度，目前只有使用大量人工干預(yù)解決；二是影片中復(fù)雜、快速的鏡頭運(yùn)動也不能使用該技術(shù)得到虛擬攝像機(jī)還原；三是三維動畫元素與實拍結(jié)合在實拍時不能得到實時反饋，創(chuàng)作者不能預(yù)見結(jié)合效果。

鑒于虛擬攝像機(jī)反求技術(shù)方案缺陷，影視創(chuàng)作者開始應(yīng)用其他解決方案，比如數(shù)字化機(jī)械臂拍攝方案。影視實拍時使用數(shù)字化機(jī)械臂來控制攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，在拍攝的同時數(shù)字化機(jī)械臂會將實拍攝像機(jī)運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)換成虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)同步到相應(yīng)軟件，大部分的實拍攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡同步問題都能在拍攝現(xiàn)場解決。在三維動畫元素與影視實拍結(jié)合實時預(yù)覽方面，電影行業(yè)為數(shù)字化機(jī)械臂拍攝方案做出了功能升級。在使用數(shù)字化機(jī)械臂控制攝像機(jī)拍攝的基礎(chǔ)上，預(yù)先做出需要結(jié)合的三維動畫元素，在實拍攝影棚中將實拍影像數(shù)據(jù)與三維動畫元素數(shù)據(jù)做實時匹配，從而使創(chuàng)作者在實拍現(xiàn)場就能預(yù)覽結(jié)合后的影片效果，提高影視作品制作效率。數(shù)字化機(jī)械臂拍攝方案誕生已久，但受制于昂貴的專業(yè)設(shè)備和復(fù)雜的技術(shù)要求只能在大制作電影拍攝中進(jìn)行應(yīng)用，目前難以普及整個影視行業(yè)。

近幾年，LED數(shù)字背景拍攝技術(shù)也開始嶄露頭角，它是使用小間距LED屏幕將計算機(jī)生成的三維虛擬場景可視化，使在屏幕前表演的主體和屏幕中的三維虛擬場景在拍攝階段就進(jìn)行合成的一種電影視效拍攝技術(shù)[4]。Lucasfilm的子公司視覺效果工作室Industrial Light＆Magic與視頻游戲開發(fā)商Epic Games合作基于Unreal Engine游戲引擎創(chuàng)建了一個名為StageCraft（實時3D投影系統(tǒng)）的新系統(tǒng)。StageCraft系統(tǒng)是以LED數(shù)字背景拍攝技術(shù)為基礎(chǔ)的三維虛擬場景與影像實拍結(jié)合的拍攝集成系統(tǒng)，主要硬件由大型LED視頻屏幕組成名為“容器（Volume）”的LED攝影棚，可以在LED視頻屏幕通過虛幻引擎技術(shù)實時呈現(xiàn)三維虛擬環(huán)境，以便演員在360度環(huán)繞的LED屏幕前面表演，該系統(tǒng)還集成了數(shù)字化機(jī)械臂、實時燈光照明、實時運(yùn)動捕捉、分布式渲染等技術(shù)，2019年上映的劇集《曼達(dá)洛人》就首次使用該系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝，取得了媲美電影的視覺效果，如圖6所示。StageCraft（實時3D投影系統(tǒng)）系統(tǒng)將三維虛擬場景與影視實拍相結(jié)合推到了一個全新高度，在提升了影片視覺效果的同時還大幅降低了時間成本和操作難度，為影視制作中的三維動畫元素與實拍相結(jié)合提供了一個可視化預(yù)覽拍攝解決方案。

圖6 《曼達(dá)洛人》使用StageCraft拍攝現(xiàn)場

在不遠(yuǎn)的將來我們會看到在虛擬攝像機(jī)反求技術(shù)會被逐步退居二線，成為上一代技術(shù)，而StageCraft（實時3D投影系統(tǒng)）之類的LED數(shù)字背景拍攝技術(shù)隨著技術(shù)的成熟和硬件的普及，功能集成度會越來越高，會在未來的影視制作中發(fā)揮更加重要的作用。

結(jié)語

綜上所述，從虛擬攝像機(jī)反求技術(shù)到LED數(shù)字背景拍攝技術(shù)，三維動畫元素與影視實拍相結(jié)合技術(shù)在不斷發(fā)展，三維動畫元素與影視實拍結(jié)合在影視作品的應(yīng)用也越來越廣泛，它拓展了影視作品的創(chuàng)作空間，提升了影視畫面效果，滿足觀眾日益增長的觀影需求，成為影視作品重要的創(chuàng)作形式，對影視行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。