影视特效于当代影视创作的意义.doc

上海交通大学第19期PRP、PEP学生研究论文 影视特效于当代影视创作的意义 电子信息与电气工程学院 F0903001班 武煜1. 绪论 从电影这个音画艺术诞生开始，影视创作人员一直在积极的寻求新鲜的元素，是电影传达更多的思想和情感，或是呈现给观众不同寻常的或是匪夷所思的画面，从而给观众留下深刻的印象收到最震撼的效果。从历史上第一个特效镜头出现在大屏幕的一瞬间就注定了它今后在电影界的举足轻重的地位。 电影先驱梅里爱较早的一部影片中，他第一次尝试10分钟以上的“长片”，同时，这也是世界上最早的科幻片之一。他主要依赖的特效技术在今天看来都是基本的摄影技巧，例如停机、叠印、两次曝光。例如，某个镜头正在拍摄中，他令摄影机停下来，让演员走开，放上一阵烟，再开机，将停机前后的胶片连起来洗印，就造成了人突然消失的特殊效果。这种技术现在自然不出奇，但当时可谓鬼斧神工，且耗时耗力，片长虽短，耗费了剧组四个多月来拍。早期的电影人不惜如此大的努力也向后人证明了他们敏锐深刻的洞察力，特效将在100多年后的影视艺术中大放异彩。 说起影视视觉特效（VFX）的发展，不得不惊叹其惊人的成长速度，然而回顾历史不得不承认这也是在情理之中。当1946年第一台电子计算机在宾夕法尼亚大学中诞生以来，计算机这一强有力的工具就像一只催化剂迅速的提升了各行各业的发展。在20世纪八九十年代，计算机图形学CG技术的发展进入应用与普及阶段，计算机生成图像CGI技术和三维动画，数字合成技术等相关技术的飞速进步，使得呈现在观众眼前的视觉效果越来越震撼，可谓视觉盛宴。于此同时美国好莱坞商业电影在迅猛地崛起，众多好莱坞大片为了取得绝佳的影片视觉效果以及良好的票房收入，不惜在影片特效部分投入巨资，更有甚者，影片本身就是一部特效电影。所有的这些都极大的促进了影视视觉特效的发展与进步。 电影发展到今天，影视特效已经成为一部电影不可或缺的一部分，从经济角度来看，他更环保，更节约，成本更低。例如，某些影片中的场景更不不可能依靠现实的布景来实现，就算可以实现也劳民伤财，耗资巨大，这时候CGI技术就现实出其强大的优势；某些电视剧的制作，因为成本的限制，不可能到将剧组四处迁徙完成拍摄，这时候，就可借助绿屏或蓝屏以及跟踪的技术，在摄影棚中完成前景的拍摄，然后利用数字合成技术，将其与背景实拍素材合成的天衣无缝即可达到以假乱真的效果。而这种拍摄手段在现在的影视制作中被广泛的使用。 2. 研究内容及方法 具体到影片的制作，一个特效镜头或许只有短短的几秒，然而在制作过程中却可能花费几天，十几天甚至更长的时间。很多观众或者对特效了解不多的人一直将特效制作当成一个后期的工作，可事实上，想要制作出优秀的特效镜头，需要在拍摄前进行周密详细的设计和计划，拍摄时严谨按计划去执行，这样才能保证后期数字处理能准确、顺利、高效地完成。然而在拍摄现场，由于种种因素的约束，比如天气、自然光线、场地等等预想不到的条件的变化，将使得现场的拍摄工作出现很多的困难，这时候特效制作人员更应该和导演，灯光师进行积极的商讨，来弥补现场的不足之处，为后期制作尽量创造有利条件。 正如前面提到的拍摄中会经常借用到蓝绿背景，由于它和后期制作中一个技术抠像（keylighting）息息相关，所以，在前期拍摄中，绿布蓝布的设置好坏非常关键，会直接影响的后期抠像工作是否顺利。而影响幕布品质的主要因素有平整度、颜色饱和度、均匀度、亮度等，所以，选择什么样的布料就显得十分关键。 在抠像技术问世以前，后期制作人员就已经想到了将前景中的主体（演员，道具等）从现实拍摄中的背景分离出来，使其与另一个背景合成在一起，从而看上去感觉故事发生在另一个场景一样。当时完成这一工作的技术是Rotoscope。就是相关制作人员一帧一帧的把需要的主体从画面中裁剪貌似（mask）出来，可想而知工作量有多么巨大。当然其中有很多的技巧可以缩减工作量，比如从第一帧开始，在进行mask时，可以先将演员按关节分成几个部分，然后对每个部分分别作一个mask。这样在接下来的调整中就会方便许多，但是和现在的keylighting技术相比还是相当的繁琐。keylighting技术虽然操作起来十分快捷，但由于实拍绿布或者蓝布的不理想，如背景颜色不干净、光线不均匀、人物与背景离得太近而留下较宽较重的阴影等等，在后期抠像时或造成很大的冒犯，通俗来说即“扣不干净”。这时候就要用到更多的控制。例如限制溢出（spill suppressor）可以用来清除一个已经抠像完成的主体上残留的背景色彩，而且主要是通过灯光反射到对象身上的背景色彩。 对于绝大多数的特效镜头，都要进行后期跟踪，国外称作matchmove，直译为运动匹配，比跟踪两字包含更多的内容，最主要的就是摄像机反求。matchmove是一项看不见得特效，是一道将CG和实拍结合到一起而不可缺少的工序。后期跟踪分为三维跟踪和二维跟踪。二维跟踪是典型意义的跟踪，其中又可细分为点跟踪和面跟踪。点跟踪最早出现，现在也活跃在各大合成软件中，如After Effects中的Tracks就是采用点跟踪的原理。AE中的跟踪识别的是亮度与颜色信息,单点跟踪是位置上的稳定跟踪,双点跟踪是位置和角度上的稳定跟踪,跟踪点有两个框,内框识别的是当前选定范围的颜色和亮度特征,外框则是识别和内框的颜色与亮度有差别的地方,当有抖动时,跟踪点通过对内框与外框的亮度与颜色信息的改变做出记录,给他一个相反的位置移动来抵消他的抖动,比如它左右抖动,AE就给它打一个右左抖动的关键帧,来抵消抖动。通过这种方式记录的位移数据，一来可以用于虚拟的摄像机的位移数据，从而达到素材稳定的合成；再者可以用作整个画面的位移数据从而来稳定画面。例如，通过手持摄像机拍摄的一段素材，可通过这种方法来消除抖动。面跟踪是业内兴起的一种新技术，由英国ImagineerSystems公司研发的基于图形独特的2.5平面跟踪手段，mocha软件就是基于此技术的一款2D跟踪系统。通过比较我们发现面跟踪其实跟踪的依然是大量的像素，由于像素量巨大，相对于点跟踪，计算速度会明显延缓，然而精度也会提升很多档次。由于面这一特殊几何形状，利用面跟踪能记录更多的透视信息，所以mocha除了可以实现稳定，跟踪的功能，还有强大的rotoscope能力。除此之外，由于近几年3D技术在影视中风靡一时，在制作3D电影中时，不可或缺要采用3D跟踪，困难也在此。拍摄3D画面，主要是利用人左右眼的时差效果，因此拍摄3D素材时，分别会有左眼镜头和右眼镜头同时进行拍摄来模拟人的立体视觉效果。而左眼镜头和右眼镜头之间的间距 （interocular)，交点(convergence)，焦距(forcal length)可以在同一时间改变，大大增加了后期处理得难度。在做一个非3d项目的时候，那些附加元素可以通过，2d/3d的一些小技巧把他们放入到影片中，而如果是立体的项目，就要小心很多。因为我们看东西都是要用2只眼睛看，因为两眼看东西的时候角度不同就会产生convergence点，而这个点也就是决定了物体和人眼见的距离。所以在立体影片中，每个物体都要保证一个有一个正确的3d位置。如果一个物体在远处的背景，必须保证在左右镜头里，他都是在背景，否则看起来立体效果就会乱掉。 stereo off.?很多近距离的特写镜头，或者近镜头的物体都需要重建镜头副镜头，并调整I/O 和convergece来调整立体效果。 跟踪可以说是联系CG素材与实拍画面的一架桥梁，因此跟踪对于后期的重要性不言而喻。我们在跟踪实拍素材的时候很容易会碰到一个问题就是镜头畸变（lens distortion） ，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这是不可避免的。有的时候，导演会故意利用广角镜头的严重畸变效果使画面萦绕一种特俗的效果，但是这些对于后期制作人员在跟踪时处理素材是却并没有多大的好处，反而带来了很多的不便。因此如何矫正实拍素材的畸变对于最终的跟踪效果的成败至关重要。通过原始的计算机图形算法处理畸变不仅需要大量的实测数据，还需要编写繁杂的代码，因此在实际项目中，我们采用2d3公司的摄像机跟踪软件Boujou。它提供了一套标准的摄像机路径跟踪的解决方案，曾经获得艾美奖的殊荣。Boujou自动化的追踪引擎将不再需要传统利用人力，旷日废时地去判断与记录每一格影片的特征与空间中的位置座标。 Boujou 会在每个影格里，自动地为使用者寻找上百个特征点，在 3D 模式下进行巨量的资料分析，演算出更为准确的追踪资料。如果必须加强某些特征点的追踪，亦可设定引导区域进行再次分析，并且可以立即反映出不同设定下的追踪差异。使用Boujou最大的体会就是精确、快捷、方便，为项目能在预期中完成节省了大量的时间。 在拍摄的片场，有时为了后期的跟踪方便，需要布置很多跟踪点，这些跟踪点有的是为了解算摄像机的路径，有的则是记录目标的运动路径，如魔法棒的舞动路径，这样就可在后期中将烟雾，火花等元素合成进去追踪魔法棒的轨迹，产生施展魔法的效果。而烟雾、火花这些元素的制作则引出了后期特效的另一重要概念：粒子。 在制作游戏或是动画时不可避免的会需要模拟到一些自然界的物理現象，譬如烟雾、火、雨等等，有了這些元素可以让场景看起来更加逼真，我们甚至可以用它来制作出千军万马的场景。简单来说，粒子系统就是”将一群散布在空间的的粒子经由某些物理特性模拟出他们的相互关系，进而与环境互动”。通常粒子系统在三维空间中的位置与运动是由发射器控制的。发射器主要由一组粒子行为参数以及在三维空间中的位置所表示。粒子行为参数可以包括粒子生成速度（即单位时间粒子生成的数目）、粒子初始速度向量（例如什么时候向什么方向运动）、粒子寿命（经过多长时间粒子湮灭）、粒子颜色、在粒子生命周期中的变化以及其它参数等等。使用大概值而不是绝对值的模糊参数占据全部或者绝大部分是很正常的，一些参数定义了中心值以及允许的变化。典型的粒子系统更新循环可以划分为两个不同的阶段：参数更新/模拟阶段以及渲染阶段。每个循环执行每一帧动画。 在模拟阶段，根据生成速度以及更新间隔计算新粒子的数目，每个粒子根据发射器的位置及给定的生成区域在特定的三维空间位置生成，并且根据发射器的参数初始化每个粒子的速度、颜色、生命周期等等参数。然后检查每个粒子是否已经超出了生命周期，一旦超出就将这些粒子剔出模拟过程，否则就根据物理模拟更改粒子的位置与特性，这些物理模拟可能象将速度加到当前位置或者调整速度抵消摩擦这样简单，也可能象将外力考虑进取计算正确的物理抛射轨迹那样复杂。另外，经常需要检查与特殊三维物体的碰撞以使粒子从障碍物弹回。由于粒子之间的碰撞计算量很大并且对于大多数模拟来说没有必要，所以很少使用粒子之间的碰撞。每个粒子系统都有用于其中每个粒子的特定规则，通常这些规则涉及到粒子生命周期的插值过程。例如，许多系统在粒子生命周期中对粒子的阿尔法值即透明性进行插值直到粒子湮灭。 在更新完成之后，通常每个例子用经过纹理映射的四边形sprite进行渲染，也就是说四边形总是面向观察者。但是，这个过程不是必须的，在一些低分辨率或者处理能力有限的场合粒子可能仅仅渲染成一个像素，在离线渲染中甚至渲染成一个元球，从粒子元球计算出的等值面可以得到相当好的液体表面。另外，也可以用三维网格渲染粒子。在许多三维建模及渲染包内部就可以创建、修改粒子系统，如 3D Studio Max、Maya 以及Houdini 等。这些编辑程序使后期制作人员能够立即看到他们设定的特性或者规则下粒子系统的表现，另外还有一些插件能够提供增强的粒子系统效果，例如 AfterBurn 以及用于流体的 RealFlow。而2D的粒子特效軟體中particleIllusion最為出色，因為他的渲染比一般的3D軟體快較為平面化。Combustion 这样的多用途软件或者只能用于粒子系统的 Particle Studio 等都可以用来生成电影或者视频中的粒子系统。AE中则可装配由业界插件巨头公司Red Giant的各种粒子插件。3. 研究结果及讨论然而特效的实现手段远不止前面赘述的这么多，由于影视中经常涉及到很多现实不可能完成的镜头，例如：某城市标志性建筑的崩毁、倒塌；远古生物的复苏等等，所以这些都会被通通纳入后期的制作中。这就需要用到建模（modling）、贴图（texturing）、渲染（rendering）、动力学（dynamics）等众多技术模块。因此如何能高效的处理这些问题，将会在很大程度上决定今后影视作品的观赏性以及制作成本和收益。4 结论为了适应时代的发展，以及与行业的速度接轨，我们学生电影在制作中应该积极的思考加入特效元素，不仅提升作品的整体素质，也能让学生熟悉特效的制作流程和部分知识以及技术，提升了专业知