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)的角度來考慮這個(gè)特效鏡頭中的場景以及攝像機(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)赢嫀焷碚{(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看，當(dāng)一架攝像機(jī)在拍攝一個(gè)場景時(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)所拍攝的三維場景，并在計(jì)算機(jī)中模擬出來，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。

接下來是最重要的環(huán)節(jié)，工程師們需要測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，比如在播放的過程測試物體發(fā)生了漂移或者抖動(dòng)。反復(fù)測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?，特效藝術(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說將會(huì)造成很大壓力。最后是將跟蹤完成的場景文件轉(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)。