三维动画元素与影视实拍相结合技术研究*

王翔

（四川音乐学院成都美术学院,四川成都 610000）

三维动画是通过计算机三维图形图像技术创作出来的动画类型，在制作手方法和画面效果上都有别于传统二维动画，随着计算机软硬件技术的发展，三维动画成为了当前动画电影、动画剧集的主流制作方式，而三维动画独有的三维虚拟空间和写实的画面元素如：角色、场景、道具、特效等也被广泛应用到影视实拍作品中，使三维虚拟世界与现实世界连接在一起，形成真假难辨的超现实影视画面效果，给观众带来前所未有的震撼观影体验。计算机三维动画与实拍合成技术凭借着其独有的视觉表现能力应用得非常普遍,大大丰富了影视作品的创作手法[1]，成为科幻、魔幻、仙侠、历史、战争等类型影视作品的常用制作方式，其代表性作品有《变形金刚》系列、《复仇者联盟》系列、《指环王》系列、《侏罗纪公园》系列、《权力的游戏》系列等电影与剧集。

一、三维动画元素与影视实拍相结合技术制作影片优点分析

1.影视创作者创作表现空间更大

三维动画元素与影视实拍结合技术让创作者能摆脱传统实拍的限制，充分发挥想象力，使影视作品创作空间变得更大，创作者能自如的应用现实世界没有的三维动画元素为自己的影视创作服务。如在美剧《权力的游戏》中存在着重要神话生物角色-火龙，传统实拍手法只能制作出龙的真实模型，并在机械装置的驱动下进行有限的活动，由于是机械控制，模型实拍只能做特写及近景镜头的实拍，很难满足所有镜头的需求，但在三维动画元素与影视实拍相结合技术的加持下，三维动画制作的火龙从形象到运动都惟妙惟肖，并能与真人演员角色亲密互动，使影片观众相信这个神话生物仿佛真实存在，让魔幻故事背景下的剧集真实性得到提高，如图1所示。又如系列电影《指环王》，故事发生在托尔金笔下虚构的中土世界，中土世界大量自然景观和建筑群与现实世界存在显著差异，电影《指环王》除了部分自然景观在新西兰实地取景拍摄外，影片中大量独特自然景观和宏伟建筑群都使用三维动画技术进行制作并合成到实拍影片中，从而构建出宏伟壮观、真实可信的中土世界，如图2所示。

图1 《权力的游戏》剧照

图2 《指环王》剧照

2.影视制作效率更高、成本更低

三维动画元素与影视实拍相结合技术为影视创作提高了制作效率、降低制作成本。在传统影视实拍中出现虚构的生物或场景，就会大量使用蒙版绘景技术与生物、场景模型实拍加抠像技术来完成制作，蒙版绘景和生物、场景模型的制作以及后期的抠像制作都会耗费大量的时间和经费，实拍时还会受到诸多限制。三维动画和实拍技术的应用可以在真实模拟中降低影视作品的拍摄成本，使目前难以实现的镜头动作、CG特效在后期制作中实现完成，且逐渐应用于商业动画、产品宣传中[2]。

二、三维动画元素与影视实拍相结合主流技术流程分析

要将三维动画元素与影视实拍相结合在一起，得到天衣无缝的画面效果需要解决多个问题。首先需要使三维软件的虚拟摄像机与影视实拍摄像机同步，就是虚拟摄像机定位与运动轨迹与实拍摄像机完全相同，使三维动画元素与影视实拍画面在镜头运动与透视方面完全匹配。其次三维动画元素要与影视实拍画面的照明、色调、景深等信息完全匹配，使三维动画元素与影视实拍画面相融合。目前三维动画元素与影视实拍相结合技术发展至今已形成多种解决方案，但成本最低、应用最多的主流方案还是虚拟摄像机运动轨迹反求技术流程。该流程步骤如下：

1.虚拟摄像机运动轨迹反求技术

虚拟摄像机定位与运动轨迹要与实拍摄像机同步，需要通过对影视实拍画面像素的明度、饱和度、色相等要素进行逐帧分析，形成大量定位标记，并运用透视原理由电脑计算出影视实拍摄像机的定位及运动轨迹，并将其转换为三维软件能识别的虚拟摄像机和三维空间数据文件，这个过程就是虚拟摄像机运动轨迹反求技术。这一技术在动态影像与三维软件渲染的图像之间的融合建立了很好的桥梁[3]。

虚拟摄像机运动轨迹反求技术对实拍影视素材也有一定的要求。我们随手拍摄的影视素材进行虚拟摄像机反求计算很难得到正确的摄像机运动轨迹，因为缺乏足够清晰明确的参照。基于反求原理，为更准确地计算出虚拟摄像机的运动轨迹，达到与实拍画面的完美契合，影视实拍前期会在场景中放入易于后期合成抹除的带有颜色的场景标记点，场景标记点需按固定距离进行矩阵排列，这样拍摄出来的影视素材可以帮助摄像机反求软件通过定位场景标记点来计算得到正确的虚拟摄像机运动轨迹，从而降低计算误差几率，减少人工调整的工作量，提高反求效率，如图3所示。

图3 实拍场景标记点

虚拟摄像机运动轨迹反求技术已发展多年，现在许多三维软件与后期软件都具备该功能如：Maya、C4D、Nuke等，但计算方法、准确度和效率各不相同，目前行业应用更多的是专业摄像机跟踪软件Boujou，该软件提供了完善的自动化跟踪功能和多种跟踪模式，大部分实拍镜头素材只需少许的人工干预就能反求出虚拟摄像机运动轨迹，如图4所示。

图4 Boujou软件摄像机反求解算

2.三维动画元素与影视实拍影片匹配

三维制作者使用三维软件制作出影视实拍所需要的三维动画元素，再将反求出的虚拟摄像机和影视实拍影片素材导入到三维软件进行对位匹配处理，然后通过该摄像机对三维动画元素制作动画，使三维动画元素在焦距、透视、运动轨迹上与影视实拍影视画面一致，达到三维动画元素和实拍影视画面是一个摄像机拍摄的画面效果。

3.三维动画元素虚拟照明匹配

影视实拍时，不同的自然光源、人工光源的照明会带来画面不同的明度、饱和度、色相、阴影等照明变化，从而达到展示画面，烘托影片氛围的目的。三维动画元素要融合到影视实拍画面在三维场景中就需要使用三维虚拟灯光模拟影视实拍画面的各种照明信息，使三维动画元素照明与影视实拍画面照明一致，达到两者画面完全融合的目的。

三维动画元素的虚拟照明较早前完全依靠制作者使用三维软件中的方向灯、聚光灯、点光源等虚拟光源来模拟实拍画面照明效果，其模拟效果及效率都较为低下，容易出现结合画面穿帮或画面不协调状况。随着三维渲染技术的发展，HDR（高动态光照成像）照明渲染技术大行其道，在影视实拍时，通过照相机可预先采集该场景的不同角度高质量HDR图片，用以储存该影视实拍场景的照明信息，然后使用HDR全景图软件将不同角度HDR照片组合成HDR全景图，在制作三维动画元素照明时就可提取该场景实拍制作的HDR全景图，使用三维HDR照明渲染技术，还原影视实拍场景的照明效果，从而使三维动画元素的虚拟照明能完美匹配影视实拍场景照明与反射，如图5所示。

4.影视后期合成

三维动画元素被三维软件渲染输出后不能简单的合成到影视实拍影片上，因为不管使用了何种技术手段，三维动画元素渲染输出的图像素材与影视实拍画面都会有少许差异，我们需要通过后期合成技术修改、合成影片，得到影片最终画面效果。后期合成是影片制作的重要环节，为了给后期合成提供更多的合成便利和调整空间，三维动画元素在渲染输出时还需根据项目需求进行渲染输出序列帧素材的分图层、分通道处理，便于影视后期合成时单独对三维动画元素做局部的调整，比如：高光、反射、阴影、明度、饱和度、色相等方面，使三维动画元素序列帧素材更好地融合到影视实拍，得到令人信服的画面效果。

三、三维动画元素与影视实拍相结合技术发展趋势分析

目前主流的虚拟摄像机反求技术方案虽然制作成本较低，但存在不少缺陷，一是摄像机镜头畸变会较大影响虚拟摄像机反求的准确度，目前只有使用大量人工干预解决；二是影片中复杂、快速的镜头运动也不能使用该技术得到虚拟摄像机还原；三是三维动画元素与实拍结合在实拍时不能得到实时反馈，创作者不能预见结合效果。

鉴于虚拟摄像机反求技术方案缺陷，影视创作者开始应用其他解决方案，比如数字化机械臂拍摄方案。影视实拍时使用数字化机械臂来控制摄像机进行拍摄，在拍摄的同时数字化机械臂会将实拍摄像机运动轨迹转换成虚拟摄像机运动轨迹数据同步到相应软件，大部分的实拍摄像机与虚拟摄像机运动轨迹同步问题都能在拍摄现场解决。在三维动画元素与影视实拍结合实时预览方面，电影行业为数字化机械臂拍摄方案做出了功能升级。在使用数字化机械臂控制摄像机拍摄的基础上，预先做出需要结合的三维动画元素，在实拍摄影棚中将实拍影像数据与三维动画元素数据做实时匹配，从而使创作者在实拍现场就能预览结合后的影片效果，提高影视作品制作效率。数字化机械臂拍摄方案诞生已久，但受制于昂贵的专业设备和复杂的技术要求只能在大制作电影拍摄中进行应用，目前难以普及整个影视行业。

近几年，LED数字背景拍摄技术也开始崭露头角，它是使用小间距LED屏幕将计算机生成的三维虚拟场景可视化，使在屏幕前表演的主体和屏幕中的三维虚拟场景在拍摄阶段就进行合成的一种电影视效拍摄技术[4]。Lucasfilm的子公司视觉效果工作室Industrial Light＆Magic与视频游戏开发商Epic Games合作基于Unreal Engine游戏引擎创建了一个名为StageCraft（实时3D投影系统）的新系统。StageCraft系统是以LED数字背景拍摄技术为基础的三维虚拟场景与影像实拍结合的拍摄集成系统，主要硬件由大型LED视频屏幕组成名为“容器（Volume）”的LED摄影棚，可以在LED视频屏幕通过虚幻引擎技术实时呈现三维虚拟环境，以便演员在360度环绕的LED屏幕前面表演，该系统还集成了数字化机械臂、实时灯光照明、实时运动捕捉、分布式渲染等技术，2019年上映的剧集《曼达洛人》就首次使用该系统进行了拍摄，取得了媲美电影的视觉效果，如图6所示。StageCraft（实时3D投影系统）系统将三维虚拟场景与影视实拍相结合推到了一个全新高度，在提升了影片视觉效果的同时还大幅降低了时间成本和操作难度，为影视制作中的三维动画元素与实拍相结合提供了一个可视化预览拍摄解决方案。

图6 《曼达洛人》使用StageCraft拍摄现场

在不远的将来我们会看到在虚拟摄像机反求技术会被逐步退居二线，成为上一代技术，而StageCraft（实时3D投影系统）之类的LED数字背景拍摄技术随着技术的成熟和硬件的普及，功能集成度会越来越高，会在未来的影视制作中发挥更加重要的作用。

结语

综上所述，从虚拟摄像机反求技术到LED数字背景拍摄技术，三维动画元素与影视实拍相结合技术在不断发展，三维动画元素与影视实拍结合在影视作品的应用也越来越广泛，它拓展了影视作品的创作空间，提升了影视画面效果，满足观众日益增长的观影需求，成为影视作品重要的创作形式，对影视行业的发展产生深远影响。