視覺特效中攝影機運動軌跡反求技術的應用

趙立立

（作者單位：中國傳媒大學南廣學院）

攝影機運動拍攝與被攝體的運動是電影創作的靈魂，在電影視覺特效制作中，將事先制作的數字模型或虛擬角色放置到實拍的場景中是很常見的表現手法之一。早期的電影特效制作中添加三維數字模型或虛擬角色，大多采用固定鏡頭來避免運動匹配的技術難題，這個問題也是當時制約電影特效創作的一個瓶頸。而攝影機運動軌跡反向技術的誕生，打破了這個瓶頸，使電影視覺特效創作空間達到了一個新高度。

1 攝影機運動軌跡反求技術的產生原因

在攝影機運動軌跡反求技術誕生之前，對于運動鏡頭添加三維數字模型大多采用攝影機運動控制系統（Motion Control）進行拍攝，通過這套系統記錄并導出攝影機的運動數據到計算機，然后進行三維數字模型與實拍的合成[1]。然而，攝影機運動控制系統依然有其弊端，龐大的設備以及復雜的結構，限制了它的使用范圍。例如，在狹小的空間里，這套龐大的運動控制系統就無法進行拍攝。而攝影機運動軌跡反求技術的出現，很好地解決了這一難題，使用任何規格的攝影機進行前期的拍攝，都可以給實拍的影像加入虛擬的三維動畫或視覺特效，這不僅提高了電影制作效率，也極大豐富了電影創作手段。

2 攝影機運動軌跡反求的原理

攝影機運動軌跡反求也叫鏡頭運動匹配或鏡頭跟蹤，是指實拍運動影像畫面與虛擬視覺特效運動相匹配的過程[2]。

攝影機運動軌跡反求的原理是計算機根據實拍的二維信息的運動畫面進行像素檢測分析，通過二維變化的信息推算出其三維空間中的坐標定位，然后構建原實拍素材的三維空間信息，再反向推算出攝影機實拍時的運動軌跡，這個運動軌跡包括鏡頭角度和位置的變化。在這個推算出的虛擬三維空間中，可以添加需要的三維動畫與視覺特效，使添加的虛擬元素與特效輸出后可以完美與實拍素材進行匹配合成。例如，電影《變形金剛》中的一個特效鏡頭：大黃蜂以跑車形態從遠處的路面疾馳而來，當臨近鏡頭時騰空躍起變形為汽車人落在地面。這個鏡頭前期是利用穩定器拍攝的運動鏡頭，并未使用攝影機運動控制系統（Motion Control）來拍攝，這就需要首先對拍攝素材進行攝影機運動軌跡反求，利用計算出的跟蹤數據添加虛擬的數字三維動畫，最終實現的畫面效果是大黃蜂能夠穩穩貼在地面行駛，并且騰空一躍后又能穩穩站在地面上，帶給觀眾近乎真實的視覺震撼。

3 攝影機運動軌跡反求應用的主要環節

攝影機運動軌跡反求技術在視覺特效制作中主要有5個環節。在特效實驗片《微空間》中，需要表現的特效畫面是演員拿著的平面卡板上出現虛擬的三維立體圖像，對于實拍中走動的演員以及手中不斷晃動的卡板，就需要使用攝影機運動軌跡反求技術，才能使三維圖像匹配到運動卡板上。下面就結合該片中的攝影機運動軌跡反求技術應用進行分析。

實拍環節，無論是在室內摳像室還是室外場景進行拍攝，都需要實拍的畫面中有跟蹤點，以強化跟蹤數據提取的辨識度與準確性。這些跟蹤點可以是人為添加進去的，例如，在摳像室的綠背上粘貼一些特殊的形狀或符號標記，室外地面刻意擺放的樹葉、石子等。跟蹤點也可以是場景中本來就存在且有明顯特征的物體，如室內實拍中帶有花紋的地磚、墻上的畫框等，室外實拍中建筑外墻的窗戶、馬路上的斑馬線等，都可以作為跟蹤點來使用。

在短片《微空間》制作前期，為保證后期跟蹤的辨識度與準確性，在拍攝時針對手持卡板添加了特殊標記，如圖1所示，這些標記點對后期跟蹤起到了巨大的作用。

圖1 黑色符號是添加的標記點

分析影像環節，這是在使用軟件進行運動匹配前的重要一步，可以利用很短的時間來分析采用哪種工具和方式進行下一步工作，在項目制作進度中起到了事半功倍的效果。這些分析包括：攝影機的運動類型是移動還是搖鏡頭；實拍素材的格式、分辨率、像素比；需要在實拍畫面的哪些位置添加虛擬元素；畫面中哪些內容會干擾跟蹤，等等[3]。只有合理正確地分析這些內容，才能保證在后面的攝影機運動軌跡反求中得到正確的結果。

與以往對地面或墻面等固定平面使用的攝影機運動軌跡反求思路不同的是，特效實驗片《微空間》中以假定手持卡板靜止的方式進行攝影機運動軌跡反求，然后計算出卡板的三維坐標信息，以及設定卡板靜止的虛擬攝影機運動軌跡數據。因此，在確定本片是移動鏡頭類型的情況下，想在卡板上添加三維元素，就必須考慮到人物和背景畫面的運動會干擾到針對卡板的攝影機運動軌跡反求，那么需要先對卡板進行平面透視跟蹤，然后單獨保留卡板的平面運動信息，這樣才能單獨對卡板進行攝影機運動軌跡反求。通過分析，可以提高后期攝影機運動軌跡反求的效率。

利用軟件進行攝影機反向求解環節，當前期的準備工作做完后，就要開始解算攝影機的內外部屬性，期間運動匹配工作人員要不斷跟蹤嘗試和反復的數據校正，包括常見的兩種解算方式：人工模擬與運動跟蹤數據自動解算。人工模擬主要針對靜幀畫面、固定鏡頭拍攝的影像、運動模糊嚴重的鏡頭。運動跟蹤數據自動解算則是基于照相測量法（photogrammetry）技術，利用軟件程序對影像中有特征的二維圖像進行跟蹤，然后通過后臺數據分析這些二維跟蹤點的運動軌跡，計算出二維跟蹤點在三維空間中的坐標數據，進而反向解算出拍攝時攝影機的運動軌跡，同時自動生成一個數字化運動軌跡數據的虛擬攝影機。目前，使用更多的則是運動跟蹤數據自動解算這種方式，常用的攝影機運動軌跡反求軟件有Boujou、PFtrack、Mocha、Syntheyes和 3D Equalizer。

在特效實驗片《微空間》制作中，首先需要對實拍素材進行透視跟蹤，為跟蹤數據的準確性，此片中先采用Mocha軟件進行跟蹤，然后把生成的單獨卡板的二維圖像數據導入到Boujou軟件里進行攝影機運動軌跡反求。最終得到了卡板三維空間的坐標信息以及針對卡板運動虛擬出的攝影機的運動軌跡，如圖2所示。

圖2 紅色曲線表示虛擬攝影機運動軌跡

檢測階段，運動匹配解算完成后，需要對其精準性進行檢測，一般情況下會將一個簡單三維模型放置到解算出的三維場景中，用來檢測運動匹配的質量，通過查看三維模型與實拍影像間是否出現滑動、抖動來判斷反求數據結果是否成功。這一環節雖然看似簡單，但對后續工作的影響很大，一個錯誤的反求結果會導致后續所有的制作都無法繼續完成。

在《微空間》的檢測階段，給卡板添加了三個空間層次的圖像進行測試，分別是完全貼合卡板三維位置的底層、略微拉開距離的中間層以及拉開較遠距離的外層，然后觀察三個層次的圖像是否保持穩定的透視，是否出現滑動、抖動的現象，這樣可以比較全面地檢查運動匹配結果的質量，進而判斷出攝影機運動軌跡反求是否成功可靠。

導出數據階段，在導出數據之前還有一些輔助數據需要處理，例如，建立合理的坐標平面、設置不同三維軟件對應的坐標軸向，保留部分需要使用的三維跟蹤點數據等。然后，這些數據將分別交給三維動畫組、摳像組與后期合成組進行后續的視覺特效制作。

以《微空間》為例，因為需要在藍色卡板上添加三維軟件制作的數字模型，則需要把攝影機運動軌跡反求得到的數據點進行XYZ軸以及坐標面設定，這樣后期在三維軟件中就可以準確在對應卡板位置上創建三維模型與動畫，并能夠匹配到實拍影像中。

4 結語

電影技術的不斷發展，攝影機運動軌跡反求技術的不斷成熟，使電影藝術呈現出了更加豐富的視覺表現效果，不斷創造出形式多樣創新的視覺奇觀，當觀眾驚嘆屏幕中令人驚奇震撼的視覺特效時，作為電影創作人員仍然不能輕視電影技術的研究和分析，并不斷在實踐中進行創新。相信在不久的未來，新的電影技術將不斷涌現出來，從而帶給人們更多的視覺奇觀。