《星际穿越》视效研究

毕业论文（设计）设计(论文)题目星际穿越视效研究姓 名：汪杨袤学 号：201100800506学 院：机电与信息工程学院专 业：数字媒体技术年 级2011级指导教师：许乐 2015年 5 月 18 日摘 要自1902年乔治梅里埃的月球旅行记开始，科幻电影在100多年的电影史上占据了非常重要的位置。而视觉特效则是科幻电影艺术与技术的核心。从早期的化妆、搭景、胶片特效，到CG技术的全面应用，科幻电影的视觉特效不断地发展着。克里斯托弗诺兰导演的星际穿越更是将科幻电影视觉特效带入了一个新的高度。本文将对星际穿越中的视觉特效进行详细研究。对影片中出现的特效场景，包括黑洞、虫洞、巨浪、飞船、智能机器人、超立方体，从物理学理论基础到技术实现再到艺术价值进行研究。阐述科幻电影中视觉特效对推动剧情发展、完成故事表达、强化影像语言的作用。对星际穿越中所出现的视觉特效镜头的全面研究，来了解当代科幻电影和电影视效的发展状况，并对现有的电影技术能诞生怎么的科幻电影做出猜测。关键词：星际穿越 科幻电影 视觉特效 技术实现SummarySince 1902, George Mliss Trip to the Moon began science fiction movies in film history more than 100 years occupy a very important position. The visual effects are at the heart of science fiction movies of art and technology. From the early makeup, set construction, film special effects, to the full application of CG technology, the science fiction film visual effects constantly developing. Christopher Nolans Interstellar is the sci-fi film visual effects into a new height.This paper will Interstellar The visual effects were studied in detail. The effects of appearing in the film scene, including black holes, wormholes, waves, spacecraft, intelligent robots, hypercube, from the theoretical foundation of physics to technology research and then artistic value. Elaborate sci-fi action film visual effects in promoting development of the plot, the story complete expression, strengthen the image of language.For Interstellar that appears in the visual effects shots of a comprehensive study to understand the development of contemporary science fiction films and film visual effects, and existing technology can be born movie sci-fi movie how to make guessesKey words: Interstellar, the science fiction movie, visual effects, technology目 录一、引言1（一）研究背景1（二）研究意义1二、星际穿越的主题及理论基础3（一）星际穿越主题3（二）影片相关理论基础41时间旅行的可行性42利用虫洞的时间机器4三、星际穿越的视效研究6（一）黑洞的特效制作6（二）水晶球式的虫洞7（三）米勒星球的巨浪8（四）飞船的设计8（五）智能机器人9（六）震撼的超立方体10四、结论12参考文献13谢辞1415一、引言（一）研究背景近年来，无论是国内还是国外，影视行业都在迅猛的发展，也取得了很多不错的成绩。种类繁多的优秀影视作品涌入市场，给当代人带来了精神上的享受。在此同时，科技的不断进步让影视行业创新出了多种丰富的先进技术，使得电影从业人员在电影创作中能够发挥无穷无尽的想象空间，使得出现在大银幕里的视觉特效更为逼真、更加令人激动，为观众提供了更好的观影体验。电影日新月异的变化与视觉特效的发展紧密相连。视觉特效不仅仅是创作人员阐述艺术核心、铺陈叙事的手段，更重要的是视觉特效已经与叙事内容相互融合，与电影的创作保持同步，成为了电影中不可分割的一大要素林韬，王慧婧.科幻电影启示录.世界图书出版社，2013。电影特效起源于梅里埃时代，那时早期的视觉特效包括停机、叠印、二次曝光等多种简易的特效手段，紧接着演变至微缩模型拍摄技术、动态控制影像机系统、数字绘制、特效仿真处理等技术刘柱.数字化时代电影的视觉特效研究，2014.。如今，数字化时代与3D时代的到来，电影特效产生了更大的变革，这也将给新一代观影者带来更丰富、更新颖、更身临其境的视觉感受。视觉特效在某种程度上代表者新世纪电影发展前沿的核心，视觉特效技术与影像艺术的融合也是未来电影的发展方向。我们通过研究当今时代下科幻电影视觉特效的发展状况与技术特点，来判断视觉特效在未来的发展过程中所要经历的改变与进步。（二）研究意义克里斯托弗诺兰所导演的科幻电影星际穿越所呈现的视觉特效达到了一个新的高度。导演诺兰在他的新片星际穿越里，用科学的方式呈现出了全新的、在以往科幻电影都不曾出现过的宇宙，无论是黑洞、虫洞还是多维时空，诺兰都极其出色的还原出了最真实的效果，并震撼的呈现在了银幕里。影片讲述了在不久的将来，地球环境恶化，人类需要寻找更适合生存的星球，主角一行人发现了虫洞，并利用虫洞穿越到遥远的星球，寻找新的人类居住地的故事。“穿越”元素一直是科幻电影的热门题材，而诺兰不仅将此作为唯一的主题和线索，而是将虫洞、黑洞这些宇宙中才会存在的现象进行艺术创造后搬上银幕，并且以其超凡想象力更为直观地呈现给观众地球以外其他星球上的模样，而到了影片后半段，五维空间的出现更是科幻电影史上的颠覆、视觉效果上的极致体现。影片依靠强大的专业理论支持大胆地构想，将惊艳的浩瀚太空以及五维空间宏观表现出来，除此之外，还能影射出现实问题，比如环境恶化、食物缺乏攸关人类的生死存亡。这部电影利用视觉特效的手段将十分抽象、难以想象的事物表达到了银幕上，完美的表达了创作者的思想与主题。优秀的影视作品在运用精致的视觉特效后，能营造出特殊的观影体验，从而达到身临其境的感受。对于科幻电影视觉特效的研究不仅仅能更全面的了解这类电影创作的细节，更能将视觉特效更全面的应用到影片中去，大大促进未来影视行业的发展。二、星际穿越的主题及理论基础（一）星际穿越主题克里斯托弗诺兰的最新科幻作品星际穿越于2014年11月7日在美国首映，于2014年11月12日在中国首映。影片上映后，网上出现了非常多的讨论。有分析剧情的，有科普影片中出现的各种晦涩的物理学原理的，有抱怨内容太深奥看的一头雾水的，也有大大赞扬这部影片并将其称为神作的无论如何，单从科幻电影的“软硬”角度来看，这部电影可以算是目前为止科幻电影里最“硬”的一部了。因为这部影片里的理论基础都是由一位非常著名的物理学教授把关的。 影片的科学顾问兼联合制片人是著名的物理学教授基普索恩，这位来自加利福尼亚州费曼物理学院的教授，在给电影撰写的科普书籍“星际穿越”中的科学中将科幻电影中的会出现的理论基础分成了三个大类基普索恩.星际穿越中的科学.W.W.Norton&Company，2013。第一类是客观现实存在的，这一类是有理论基础并且已经发现并被证实；第二类是科学猜想存在的，这一类是有了理论基础但并没有被证实；第三类是纯粹幻想存在的，这一类没有理论基础完全是创作者幻想出来的。而星际穿越中所出现的都是前两类有可靠的理论基础作为支撑。图2.1 索恩在黑板上写引力方程公式索恩早就已经考虑到人们会有的质疑了，因此，无论是植物的枯萎病还是超级黑洞还是潮汐力巨大的行星，他都给出了合理的解释。索普和导演诺兰在创作过程中为了保证电影的艺术价值，是做了一些妥协的。就拿影片中出现的黑洞来说，这个黑洞可以算是史上还原度最高的黑洞了，是以复杂的理论公式作为基础，在计算机里计算模拟出来的。为了达到更好的效果，制作团队又将得出的结果进行了很多简化，加入了很多艺术成分。尽管电影涉及的理论知识非常复杂，但是导演诺兰一直都在努力的让每一位观众都能理解到影片想表达的内容。诺兰没有使用他擅长的各种非线性剪辑技巧，绝大多数时间里影片的节奏都是舒缓的，其中大量的宇宙美景更是给观众带来了非凡的视听体验导演诺兰在星际穿越中的表达人物情感的方式与方法十分的简单，平静地去描述真实的宇宙。因为真实，在巨浪星球停留的短短3个小时，却是地球上整整23年，人类命运的生死存亡就如同发生在一瞬间。真实的宇宙所带来的震撼远远超过了人类编剧的呕心沥血。当主角坠入超立方体时，在时空的另一面看到自己的女儿却一筹莫展毫无办法，相信每一位观众都能够感受到超越时空所带来的震撼。导演诺兰摆脱了科学定律的束缚，发挥着他无穷的想象力，将那些只有高维时空才会发生的所有的可能性都汇聚到了超立方体中。主角用爱超越了时间与空间的限制拨动着引力线为女儿指引着方向，也在为人类的未来指引着方向。在这自我救赎的过程中，人类唯有相信命运属于自己，才能找到未来的方向。（二）影片相关理论基础星际穿越中的故事是建立在知名的物理学教授基普索恩的理论上的。他是加利福尼亚州费曼物理学院的教授，他在广义相对论等多个物理学领域取得过令人瞩目的成就，并且与斯蒂芬霍金相交甚好，有着密切的好友关系。在影片筹备的阶段索恩给导演诺兰上过关于相对论、量子力学等物理理论课程，所以整部电影都是以索恩的理论知识为核心，创作而成的。1 时间旅行的可行性现代物理学定律已经证明了：正向的穿越是可行的第欧根尼.星际穿越理论基础简译.学术期刊，2014。爱因斯坦在相对论里讲过，每个人的时间是不一样的。在不同的地点，做不同的运动，会导致经历的时间流率不相同。可以拿“孪生子佯谬”来说殷业.孪生子佯谬及实验研究方法.吉林师范大学学报（自然科学版），2010（04），假设有一对双胞胎兄弟A和B，A一直在家里，而B去外太空做高速运动（暂且不考虑是否能够实现），当B回来以后，A会比B老很多。不考虑死亡因素的话，A可能已经几百几千甚至几万岁了，而B才几十岁。当B在做高速运动时，他自身的时间流率相对于在地球上的A来说会变慢，并且当B的速度无限接近光速时，他的时间流率会无限接近零，而A则保持正常的时间流率，因此B实现了正向的穿越，穿越到了地球的未来。实验已经证明了这个理论，在美国弗吉尼亚州的Brookhaven实验室中，以0.9993倍光速做圆周运动的子比其他静止的子衰变速度减慢了三十二倍。2 利用虫洞进行时空旅行虫洞在很多科幻电影和小说里都出现过，往往是用来解决宇宙空间太大的问题。科幻作品中想要实现穿越无限的宇宙空间只有通过虫洞来完成。虫洞是假想出来的一个多维的时空隧道，它能将宇宙中任意的两个地点连在一起，穿过短短的虫洞，就能到达遥远的宇宙另一端。图2.2 虫洞的示意图先不谈虫洞是否真的存在，人类是否有利用虫洞进行时空旅行的可能性。以人类目前甚至一段时间内的科技水平，是无法实现星际旅行的。在这样一个背景下，创作者为了解决星际旅行这个难题，便想到了虫洞。星际穿越里的虫洞是由来自未来的高级生物制造的，可以让主角一行人直接到达遥远的星系。这样的设定是符合大众的认知，并且能够合理的推动剧情的发展。三、星际穿越的视效研究（一）黑洞的特效制作影片中出现过一个超大的黑洞，名叫卡冈图雅。这个黑洞非常壮丽，是影片中最令人难以忘记的场景之一。黑洞已经被证实存在，并且人类已经观测到了。黑洞是一个密度极高的物质，因此它的引力也极其巨大，能够吸收引力范围内的一切，甚至光。黑洞引力范围的边界被称为“视界”，人类目前只能通过视界来观测黑洞，还没有办法探索黑洞内部的构造。视界周围有很多奇特的现象发生，比如黑洞强大的引力会让视界周围的光产生扭曲，我们将这种现象称为“引力透镜”史蒂芬霍金.果壳中的宇宙.湖南科学技术出版社，2006。我们可以通过观测引力透镜来观察黑洞。除此之外在黑洞会一直做高速的自转运动，在高速自转的时候会吸引到很多周围的物质并形成一个圆环，这个圆环外观上就类似于木星周围的圆环，我们将其称之为“吸积盘”，吸积盘会释放光线。因此，观测引力透镜和吸积盘是人类目前观测黑洞最好的方式，特效团队需要呈现的主要就是引力透镜和吸积盘时光网.星际穿越制作大揭秘，2014。在正常的环境里，光都是沿直线传播的。目前所有用于影视制作的光线渲染系统都是基于“光线沿直线传播”的原理。但是这些渲染系统显然都不能在黑洞环境里使用，为此特效组专门研究了索恩理论里的公式，重新开发出了一套专门用于黑洞环境下的光线渲染系统。在这套渲染系统能够制作出沿曲线传播的光线。特效团队利用这套全新的渲染系统模拟出了黑洞视界周围的引力情况，并在外围放置了很多光线作为吸积盘用于模拟。经过一系列精密复杂的计算之后，得到了令人惊奇的结果。黑洞视界附近的空间发生了扭曲，并且让吸积盘也变的扭曲起来呈现出怪异的形状。特效团队纷纷质疑制作的整个过程是不是哪里出了错。图3.1 黑洞的计算机模拟图索恩观察了得到的结果，并用他的理论仔细分析以后，认为这张图就是黑洞确切的样子。以往的影视作品里从未出现过如此真实、如此符合科学原理的黑洞，星际穿越将它完整的展现出来了，这是人类史上最科学、最真实的黑洞场景。图3.2 影片中黑洞最终效果在拍摄黑洞的戏份时，按照导演诺兰的要求摄制组从头到尾都没用绿幕进行拍摄。制作团队专门制作了一个原比例的飞船模型，还搭建了一块巨型的投影幕墙，用于投影黑洞的景象。当演员在飞船里表演时，仿佛就置身于真实的环境里。拍摄结束后，特效团队会做很多后期处理，把幕墙上的景象擦除并替换成更加精细的版本，让视觉特效更加完善。（二）水晶球式的虫洞电影中的剧情是设定在即将发生的未来，那时人口超出了地球能承受的界限、环境也变的十分恶劣，人类需要在遥远的星球寻找新的居住地。那么问题来了，以人类现有的科技水平，离开太阳系都办不到，怎么才能达到更远的地方呢？为了解决这个问题索恩就建议使用虫洞。借助虫洞的力量，人类就可以穿越到宇宙空间的任何一个地方。根据影片的设定，虫洞是来自未来的高维生物所创建的。他们如同救世主一样，为了拯救人类在地球附近的地方创建出了一个虫洞，好让主角一行人能够穿越到更遥远的星系。事实上，物理学上的“虫洞”与穿越是没有任何关系的许乐.星际穿越的物理基准和宇宙观设定.北京电影学院学报，2015，（01）。暂且不说这种设定的合理性，单从视觉特效的角度来讲，要在银幕里呈现出虫洞的样子是非常困难的。索恩首先给出了一系列影响虫洞外观的参数，特效组参考过后找出了三个最重要的参数：虫洞的直径、虫洞的长度、引力透镜的大小。特效组在计算机里改变这些参数，模拟出了多种可能性的虫洞效果。考虑到影片场景的艺术性和观众的接受和理解能力，最后导演选择了一个如同水晶球一般的虫洞模型。这个虫洞模型的长度、半径、引力透镜都是最小的，这样通过虫洞看到宇宙另一端的景象不会产生太大的形变。图3.3 影片中水晶球式的虫洞主角一行人在虫洞里穿越的场景也非常震撼。特效组在制作这个场景时，首先按照索恩给出的公式，在计算机里模拟出虫洞内部的构造。结果令人很不满意，就是很普通的一个隧道，只是多了很多亮斑。导演诺兰完全放弃了这种做法，为了达到震撼的效果，他让特效团队根据自己的想象力创作出了一个虫洞的隧道，并且添加了很多艺术成分，最终的效果令人非常满意。（三）米勒星球的巨浪影片中主角一行人首先登陆的是米勒星球，这是一个名副其实的“水球”。整个星球都被水覆盖，刚好过膝的水看上去不深但是暗藏玄机。主角一行人在探索的时候，突然出现了海啸，海浪高达近千米，让主角一行人措手不及。这是由于星球离巨型黑洞太近，强大的潮汐力会在固定的周期引发近千米的巨浪。面对规模如此宏大的巨浪，之前所使用的制作方式完全不起作用了。因为这个规模实在是太大了，关于制作浪的种种参数都显得微不足道。特效团队不得不重新制定一套制作浪的流程来满足影片的需求。经过很多的讨论之后，团队决定使用最原始的制作方式，用手工动画来绘制巨浪的形状和运动过程。虽然这种方式效率不高，但是能保证震撼、逼真的效果时光网.打造最真实黑洞呈现超立方体.2014。对于巨浪的细节，比如气泡、水花溅射、波浪纹理等等，制作团队又独立开发除了一套全新的系统来进行模拟计算。这样就解决了整个巨浪的制作。图3.4 米勒星球上的滔天巨浪（四）飞船的设计飞船的母舰叫永恒号，永恒号的外形设计与斯坦利库布里克所拍摄的2001太空漫游里的飞船十分相似这应该是导演诺兰向2001太空漫游的致敬。永恒号在运行时会保持不停的旋转，这是为了给飞船提供重力。这样的设计一方面能让宇航员更加适应飞船里的环境，一方面摄制团队也省去了拍摄演员漂浮的麻烦。永恒号是一艘技术先进的宇宙飞船，能够长时间的在宇宙中飞行，并且在穿越虫洞靠近黑洞时绝对不会出现任何故障。经过很多精确的计算，永恒号与虫洞的比例设计成了1：100。这样的尺寸不仅能衬托出虫洞的壮观，也能保证飞船机体的稳定性。制作团队也为此专门制作了原比例的永恒号船舱模型，更利于拍摄和后期制作。图3.5 永恒号母舰电影中用来登陆行星的飞船叫徘徊者号，它流线型的设计显得非常具有运动感。制作组也为徘徊者号制作了1：1的模型。为了模拟徘徊者号在飞行时的各种飞行状态，制作组将模型放在了能够360度全方位旋转的万向架上。在拍摄徘徊者号逃离巨浪星球这场戏时，剧情的设计是它的船舱里进了很多水，为此制作组在模型旁边搭建了一个巨大的水箱。拍摄这个镜头时，整个拍摄团队都格外小心，因为将水箱里的水倾泻到模型里会让模型不能正常运转。为了确保镜头一次通过，导演诺兰将整个环节反复确认了很多遍，才谨慎的进行拍摄。图3.6 诺兰在控制万向架上的徘徊者号（五）智能机器人影片中高智商的智能机器人给人留下的深刻的印象，智能机器人并不是完全由CG特效制作的。导演诺兰为此专门制作了一个重达90千克的实体金属机器人模型并由特技演员对其进行操控。特效团队在后期阶段要把特效演员和操纵器从画面中消除。在制作智能机器人在巨浪星球变成轮子的形状，去拯救水中的女主角这场戏时，不仅采用了CG技术，也采用了实拍技术。实拍的部分主要体现在机器人在水中滚动时产生的水花。摄制团队为了拍摄逼真的水花效果专门购买了一辆水上行驶的自行车，用于模拟机器人在水中滚动时的水花，后期再将其合成到画面里。剩余的部分就是用CG特效完成的了。图3.7 智能机器人模型导演诺兰并不希望在智能机器人上用过多的CG特效，只有在完成一些特殊的运动时才会使用，比如爬上飞船、水上行驶等。为了让机器人的所有运动更为真实，大量的制作都是基于真实拍摄的。比如在机器人爬进飞船的戏里，机器人爬上飞船的动作是CG制作的，当机器人进入船舱以后，就切换为模型实拍了。图3.8 机器人的行为模式：静止、杖式行走、双腿行走、轮式奔跑（六）震撼的超立方体电影的高潮部分是主角跌入了“五维空间”，并利用引力波给女儿传递信息。“五维空间”是一个非常抽象的概念，想要通过银幕这个二维平面来呈现是极其困难的。众所周知，我们所处在的世界是由空间三维和时间一维组成的四维空间，而五维空间是由四维空间运动而产生的，四维空间是五维空间的基础，五维空间又叫做超立方体，人类目前还没有办法感知超立方体。因此特效团队想要通过视觉来展现，并让普通观众都能理解是非常非常困难的。通常面对这样的问题时，大家都会选择用抽象的方式来展现，并不会将确切的样子制作出来，但是受到基普索恩和导演诺兰理性思考的影响，特效团队决定还原一个最真实、最科学的超立方体。超立方体这个概念太过复杂，很难理解，所以导演决定先呈现超立方体的一个面，也就是一个四维时空。所以剧情设计成了主角首先跌入超立方体的一个面里，与他对应的面是女儿的卧室，并且主角能够在超立方的这个面里看到另一个面里发生的事。基于这样的设定以后，主角才有机会通过引力波给女儿传递信息。图3.10 如图，主角可从六个方向来看女儿的卧室五维时空中的时间是实体，形成了一条时间线。主角需要了解时间线上发生的每个瞬间。关于超立方体是什么样子，关于如何表现时间是实体，这需要特效团队寻找出一个方法既能表现出时间线上的所有可能性，又要让观众能够理解主角现在所处的空间究竟是什么样的。时间线的每个瞬间如果都表现出来，会让画面变得太复杂并且失去美感，如何取舍是一个很大的问题。特效团队想出来的方法是先将女儿卧室的六个像全部按比例缩小，然后每个缩小的像都向外做出两条垂线，这两条垂线就代表时间线，六个像的时间线会产生很多交点，交点就是一个新的时间点。在新的时间点上建立一个新的女儿卧室的像，然后在新的像里再做两条垂线来，就会产生更多的交点。以此类推，会产生无数个像，这样就能将每条时间线上的每个瞬间都表现出来。主角只要沿着时间线，就能看到女儿卧室在过去和未来发生的一切。图3.11 影片中时间线组成无数个女儿的卧室如果像其他影片的制作过程那样让演员面对空空的绿幕完全凭借想象力来表演，很难达到导演诺兰的要求。因此诺兰让特效组在片场搭建一个超立方体的模型出来，这样演员表演时的感情会更加的丰满。于是特效组不得不按照导演的要求搭建出了超立方体的一个部分，这个部分是由四个房间组成的。在后期制作里，四个房间会被无限扩展，最终达到一个真实、震撼的效果。通过这种方式，所有的创作人员都对超立方体有了更为直观的认识。四、结论本文以星际穿越为例从黑洞、虫洞、多维空间等多个点探讨了这部科幻电影中的视觉特效。阐明了视觉特效如何在影片中运用，需要哪些理论作为此类科幻题材的理论基础，以及这些特效所能达到的视觉效果。一部优秀的科幻电影需要优秀的视觉特效作为支撑，而优秀的视觉特效需要建立在理性思考的基础上。导演诺兰与物理学教授基普索恩，用最科学的方式将他们想要表达的内容展现在了大银幕上。无论是巨大的黑洞还是能够穿越时空的虫洞，星际穿越都用最科学的手段进行创作，在保证艺术价值的同