攝像機運動軌跡跟蹤技術在影視制作中的應用

任 達，馮雪寧

中國傳媒大學動畫與數(shù)字藝術學院，北京 100024

隨著影視后期制作技術的發(fā)展，觀眾能在影視作品中看到各式各樣的特效場面。其中攝像機運動軌跡跟蹤這一技術在特效場面中又有著舉足輕重的作用，大部分的特效制作都需要在拍攝后進行攝像機運動軌跡跟蹤（以下簡稱為鏡頭跟蹤），其目的是為了給后期制作創(chuàng)造一個能把計算機生成的三維素材融入真實鏡頭中的環(huán)境（反之亦然），使計算機生成的機器人或者生物的運動與實拍鏡頭合成后都像是真實的表演。

1 攝像機運動軌跡跟蹤技術的原理

鏡頭跟蹤技術的使用是在70年代，由喬治盧卡斯和其他特技先驅(qū)所開創(chuàng)的，最早是機械跟蹤系統(tǒng)，到了90年代由于計算機技術的飛速發(fā)展而產(chǎn)生了攝像機運動軌跡反求跟蹤技術，兩者的使用都是為了解決二維畫面跟蹤技術只能單一的對被拍攝體進行跟蹤，而對于電影攝影的另一大主要運動——攝影機運動無能為力的局限性，所采用的解決辦法。在三維特效影片制作中，要將計算機生成的三維素材真實的融入實拍鏡頭，首先要做的便是鏡頭跟蹤。這一技術解決了二維畫面跟蹤不可用于三維跟蹤合成的問題，使整個數(shù)字特技合成技術中的攝像機運動匹配功能趨于完整。

攝影機運動軌跡反求技術的原理是計算機通過對二維畫面進行像素檢測、畫面內(nèi)元素的運動分析，得到原始景物在虛擬三維坐標中前后左右的位置信息和縱深關系，進而通過構(gòu)建三維虛擬拍攝場景找出原始拍攝時攝影機運動的軌跡。經(jīng)運算一旦模擬出攝影機原始運動軌跡，那么當計算機生成的三維圖形需要合成到實拍的攝影畫面中時，為三維計算機圖形所設置的虛擬攝影機可以與原始攝影的攝影機同步運動，因而合成景物也就可以無縫地跟隨實拍景物運動了。

設想一個典型的特效鏡頭：導演想要得到一個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。在拍攝當天，導演會以藝術的角度來考慮這個特效鏡頭中的場景以及攝像機位置，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。導演和攝影師會在正式開拍前多次練習攝像機的運動，假想怪物橫穿街道的場面。當導演對鏡頭滿意之后，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導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行匹配運動畫面。工程師必須確保真實的攝像機的運動軌跡與三維場景的虛擬攝像機運動軌跡完全一致。考慮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，例如當攝像機往左運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。

2 攝像機運動軌跡跟蹤技術的應用流程

將計算機生成的素材與真人實拍鏡頭合成對于電影及虛擬現(xiàn)實等相關產(chǎn)業(yè)來說是一項非常重要的技術。用鏡頭跟蹤工程師的眼光來看，當一架攝像機在拍攝一個場景時，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時攝像機所拍攝的三維場景，并在計算機中模擬出來，而連接兩者的關鍵就是攝像機。

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程中花費更多的時間。然后，在攝像機跟蹤軟件（或運動匹配軟件）中加入前期拍攝的參數(shù)進行匹配運算，其中主要包括鏡頭焦距、記錄幀率、運動模式，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運動的內(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)展使得跟蹤軟件運用了一個叫做“照相測量法”的技術，大大提高了軟件的智能跟蹤水平。通過軟件的運算能夠得到一個運動的虛擬攝像機和三維場景數(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)這樣的情況是非常可怕的，特效藝術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家們。其通常包括三維場景坐標和大小、必要的角色和設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解釋，這樣節(jié)省了許多不必要的時間。

3 結(jié)論

攝像機運動軌跡跟蹤技術在特效場面中占有一席之地的重要原因是，數(shù)字技術運用于電影特技需要解決的基本問題之一就是運動鏡頭中攝像機軌跡的跟蹤匹配。而在特效影片中，如果一直使用固定鏡頭則不容易達到影片所追求的藝術效果。鏡頭的特效合成是將來源不同的計算機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，攝像機運動軌跡跟蹤技術對這個行業(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)。

[1]屠非明.電影特技教程[M].北京：中國電影出版社，2007.

[2]勝楠.攝影機軌跡反求技術的原理[DB/CD].北京：清華大學美術學院，2010.

[3]丁柯夫.電影風暴II：Maya影像實拍與三維合成攻略[M].北京：清華大學出版社，2007.