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)動畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院

設(shè)想一個典型的特效鏡頭：導(dǎo)演想要得到一個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。因為CG怪物會和大樓的窗戶有一個相互影響，所以特效總監(jiān)會要求用三維模擬真實的窗戶破碎效果。在拍攝當(dāng)天，導(dǎo)演會以藝術(shù)的角度來考慮這個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)場拍攝的時候沒有窗戶。導(dǎo)演和攝影師會在正式開拍前多次練習(xí)攝像機(jī)的運(yùn)動，假想怪物橫穿街道的場面。當(dāng)導(dǎo)演對鏡頭滿意之后，便會將其數(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，他們需要動畫師來調(diào)試怪物的動作以及一個技術(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)動畫面。工程師必須確保真實的攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡與三維場景的虛擬攝像機(jī)運(yùn)動軌跡完全一致?？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)動時窗戶依舊停留在原位，很明顯就能看出這個鏡頭穿幫了。

將計算機(jī)生成的素材與真人實拍鏡頭合成對于電影及虛擬現(xiàn)實等相關(guān)產(chǎn)業(yè)來說是一項非常重要的技術(shù)。用鏡頭跟蹤工程師的眼光來看，當(dāng)一架攝像機(jī)在拍攝一個場景時，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算還原當(dāng)時攝像機(jī)所拍攝的三維場景，并在計算機(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，首先評估需要跟蹤的影片片段以便選擇最佳的跟蹤方案，很多時候這個過程被遺漏，這很有可能在之后的進(jìn)程中花費更多的時間。然后，在攝像機(jī)跟蹤軟件（或運(yùn)動匹配軟件）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)動模式，以便更精確地還原真實拍攝時的場景，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)動的內(nèi)在外在因素，對于不同的場合選擇不同的跟蹤方法。現(xiàn)在，科技的發(fā)展使得跟蹤軟件運(yùn)用了一個叫做“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)算能夠得到一個運(yùn)動的虛擬攝像機(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貼合真人實拍，所創(chuàng)建的三維空間及虛擬攝像機(jī)是否完美匹配真實世界。這時候，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。反復(fù)測試跟蹤是否成功是非常有必要的，因為失敗的鏡頭跟蹤將在整個后期制作流水線中一直被使用，直到最后合成輸出的時候才能夠發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這樣的情況是非?？膳碌模匦囆g(shù)家和動畫師將不得不重新更改特技，所花費的時間和精力對于一部影片的制作周期來說將會造成很大壓力。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，同時跟蹤工程師們也不需要在事后向他們詳細(xì)解釋，這樣節(jié)省了許多不必要的時間。

攝像機(jī)運(yùn)動軌跡跟蹤技術(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算機(jī)生成的素材以正確真實的方式融入在實拍鏡頭中。綜上所述，攝像機(jī)運(yùn)動軌跡跟蹤技術(shù)對這個行業(yè)有著舉足輕重的影響。電影院里的觀眾們在為精彩的特效而大呼過癮同時，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)。