三維動畫元素與影視實拍相結合技術研究*

王翔

（四川音樂學院成都美術學院,四川成都 610000）

三維動畫是通過計算機三維圖形圖像技術創作出來的動畫類型，在制作手方法和畫面效果上都有別于傳統二維動畫，隨著計算機軟硬件技術的發展，三維動畫成為了當前動畫電影、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、特效等也被廣泛應用到影視實拍作品中，使三維虛擬世界與現實世界連接在一起，形成真假難辨的超現實影視畫面效果，給觀眾帶來前所未有的震撼觀影體驗。計算機三維動畫與實拍合成技術憑借著其獨有的視覺表現能力應用得非常普遍,大大豐富了影視作品的創作手法[1]，成為科幻、魔幻、仙俠、歷史、戰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、《復仇者聯盟》系列、《指環王》系列、《侏羅紀公園》系列、《權力的游戲》系列等電影與劇集。

一、三維動畫元素與影視實拍相結合技術制作影片優點分析

1.影視創作者創作表現空間更大

三維動畫元素與影視實拍結合技術讓創作者能擺脫傳統實拍的限制，充分發揮想象力，使影視作品創作空間變得更大，創作者能自如的應用現實世界沒有的三維動畫元素為自己的影視創作服務。如在美劇《權力的游戲》中存在著重要神話生物角色-火龍，傳統實拍手法只能制作出龍的真實模型，并在機械裝置的驅動下進行有限的活動，由于是機械控制，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合技術的加持下，三維動畫制作的火龍從形象到運動都惟妙惟肖，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《指環王》，故事發生在托爾金筆下虛構的中土世界，中土世界大量自然景觀和建筑群與現實世界存在顯著差異，電影《指環王》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進行制作并合成到實拍影片中，從而構建出宏偉壯觀、真實可信的中土世界，如圖2所示。

圖1 《權力的游戲》劇照

圖2 《指環王》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合技術為影視創作提高了制作效率、降低制作成本。在傳統影視實拍中出現虛構的生物或場景，就會大量使用蒙版繪景技術與生物、場景模型實拍加摳像技術來完成制作，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費，實拍時還會受到諸多限制。三維動畫和實拍技術的應用可以在真實模擬中降低影視作品的拍攝成本，使目前難以實現的鏡頭動作、CG特效在后期制作中實現完成，且逐漸應用于商業動畫、產品宣傳中[2]。

二、三維動畫元素與影視實拍相結合主流技術流程分析

要將三維動畫元素與影視實拍相結合在一起，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與影視實拍攝像機同步，就是虛擬攝像機定位與運動軌跡與實拍攝像機完全相同，使三維動畫元素與影視實拍畫面在鏡頭運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、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合技術發展至今已形成多種解決方案，但成本最低、應用最多的主流方案還是虛擬攝像機運動軌跡反求技術流程。該流程步驟如下：

1.虛擬攝像機運動軌跡反求技術

虛擬攝像機定位與運動軌跡要與實拍攝像機同步，需要通過對影視實拍畫面像素的明度、飽和度、色相等要素進行逐幀分析，形成大量定位標記，并運用透視原理由電腦計算出影視實拍攝像機的定位及運動軌跡，并將其轉換為三維軟件能識別的虛擬攝像機和三維空間數據文件，這個過程就是虛擬攝像機運動軌跡反求技術。這一技術在動態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]。

虛擬攝像機運動軌跡反求技術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行虛擬攝像機反求計算很難得到正確的攝像機運動軌跡，因為缺乏足夠清晰明確的參照。基于反求原理，為更準確地計算出虛擬攝像機的運動軌跡，達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記點，場景標記點需按固定距離進行矩陣排列，這樣拍攝出來的影視素材可以幫助攝像機反求軟件通過定位場景標記點來計算得到正確的虛擬攝像機運動軌跡，從而降低計算誤差幾率，減少人工調整的工作量，提高反求效率，如圖3所示。

圖3 實拍場景標記點

虛擬攝像機運動軌跡反求技術已發展多年，現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、準確度和效率各不相同，目前行業應用更多的是專業攝像機跟蹤軟件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就能反求出虛擬攝像機運動軌跡，如圖4所示。

圖4 Boujou軟件攝像機反求解算

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和影視實拍影片素材導入到三維軟件進行對位匹配處理，然后通過該攝像機對三維動畫元素制作動畫，使三維動畫元素在焦距、透視、運動軌跡上與影視實拍影視畫面一致，達到三維動畫元素和實拍影視畫面是一個攝像機拍攝的畫面效果。

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，容易出現結合畫面穿幫或畫面不協調狀況。隨著三維渲染技術的發展，HDR（高動態光照成像）照明渲染技術大行其道，在影視實拍時，通過照相機可預先采集該場景的不同角度高質量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，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節，為了給后期合成提供更多的合成便利和調整空間，三維動畫元素在渲染輸出時還需根據項目需求進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合技術發展趨勢分析

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

鑒于虛擬攝像機反求技術方案缺陷，影視創作者開始應用其他解決方案，比如數字化機械臂拍攝方案。影視實拍時使用數字化機械臂來控制攝像機進行拍攝，在拍攝的同時數字化機械臂會將實拍攝像機運動軌跡轉換成虛擬攝像機運動軌跡數據同步到相應軟件，大部分的實拍攝像機與虛擬攝像機運動軌跡同步問題都能在拍攝現場解決。在三維動畫元素與影視實拍結合實時預覽方面，電影行業為數字化機械臂拍攝方案做出了功能升級。在使用數字化機械臂控制攝像機拍攝的基礎上，預先做出需要結合的三維動畫元素，在實拍攝影棚中將實拍影像數據與三維動畫元素數據做實時匹配，從而使創作者在實拍現場就能預覽結合后的影片效果，提高影視作品制作效率。數字化機械臂拍攝方案誕生已久，但受制于昂貴的專業設備和復雜的技術要求只能在大制作電影拍攝中進行應用，目前難以普及整個影視行業。

近幾年，LED數字背景拍攝技術也開始嶄露頭角，它是使用小間距LED屏幕將計算機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行合成的一種電影視效拍攝技術[4]。Lucasfilm的子公司視覺效果工作室Industrial Light＆Magic與視頻游戲開發商Epic Games合作基于Unreal Engine游戲引擎創建了一個名為StageCraft（實時3D投影系統）的新系統。StageCraft系統是以LED數字背景拍攝技術為基礎的三維虛擬場景與影像實拍結合的拍攝集成系統，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實時呈現三維虛擬環境，以便演員在360度環繞的LED屏幕前面表演，該系統還集成了數字化機械臂、實時燈光照明、實時運動捕捉、分布式渲染等技術，2019年上映的劇集《曼達洛人》就首次使用該系統進行了拍攝，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）系統將三維虛擬場景與影視實拍相結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合提供了一個可視化預覽拍攝解決方案。

圖6 《曼達洛人》使用StageCraft拍攝現場

在不遠的將來我們會看到在虛擬攝像機反求技術會被逐步退居二線，成為上一代技術，而StageCraft（實時3D投影系統）之類的LED數字背景拍攝技術隨著技術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揮更加重要的作用。

結語

綜上所述，從虛擬攝像機反求技術到LED數字背景拍攝技術，三維動畫元素與影視實拍相結合技術在不斷發展，三維動畫元素與影視實拍結合在影視作品的應用也越來越廣泛，它拓展了影視作品的創作空間，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作形式，對影視行業的發展產生深遠影響。