摄像机运动轨迹跟踪技术在影视制作中的应用

任 达，冯雪宁

中国传媒大学动画与数字艺术学院，北京 100024

随着影视后期制作技术的发展，观众能在影视作品中看到各式各样的特效场面。其中摄像机运动轨迹跟踪这一技术在特效场面中又有着举足轻重的作用，大部分的特效制作都需要在拍摄后进行摄像机运动轨迹跟踪（以下简称为镜头跟踪），其目的是为了给后期制作创造一个能把计算机生成的三维素材融入真实镜头中的环境（反之亦然），使计算机生成的机器人或者生物的运动与实拍镜头合成后都像是真实的表演。

1 摄像机运动轨迹跟踪技术的原理

镜头跟踪技术的使用是在70年代，由乔治卢卡斯和其他特技先驱所开创的，最早是机械跟踪系统，到了90年代由于计算机技术的飞速发展而产生了摄像机运动轨迹反求跟踪技术，两者的使用都是为了解决二维画面跟踪技术只能单一的对被拍摄体进行跟踪，而对于电影摄影的另一大主要运动——摄影机运动无能为力的局限性，所采用的解决办法。在三维特效影片制作中，要将计算机生成的三维素材真实的融入实拍镜头，首先要做的便是镜头跟踪。这一技术解决了二维画面跟踪不可用于三维跟踪合成的问题，使整个数字特技合成技术中的摄像机运动匹配功能趋于完整。

摄影机运动轨迹反求技术的原理是计算机通过对二维画面进行像素检测、画面内元素的运动分析，得到原始景物在虚拟三维坐标中前后左右的位置信息和纵深关系，进而通过构建三维虚拟拍摄场景找出原始拍摄时摄影机运动的轨迹。经运算一旦模拟出摄影机原始运动轨迹，那么当计算机生成的三维图形需要合成到实拍的摄影画面中时，为三维计算机图形所设置的虚拟摄影机可以与原始摄影的摄影机同步运动，因而合成景物也就可以无缝地跟随实拍景物运动了。

设想一个典型的特效镜头：导演想要得到一个CG怪物从一幢楼中破窗而出，穿越街道后进入一条小巷的场面。因为CG怪物会和大楼的窗户有一个相互影响，所以特效总监会要求用三维模拟真实的窗户破碎效果。在拍摄当天，导演会以艺术的角度来考虑这个特效镜头中的场景以及摄像机位置，例如如何考虑被怪物破窗而出的大楼在画面中的位置，尽管现场拍摄的时候没有窗户。导演和摄影师会在正式开拍前多次练习摄像机的运动，假想怪物横穿街道的场面。当导演对镜头满意之后，便会将其数字化然后交给后期制作去增加特技。当后期制作组收到影片后，他们需要动画师来调试怪物的动作以及一个技术导演处理窗户破碎的特效。在这之前，必须由镜头跟踪工程师来事前进行匹配运动画面。工程师必须确保真实的摄像机的运动轨迹与三维场景的虚拟摄像机运动轨迹完全一致。考虑到窗户需要被怪物撞碎，如果它在影片中的透视位置与三维场景并不匹配，例如当摄像机往左运动时窗户依旧停留在原位，很明显就能看出这个镜头穿帮了。

2 摄像机运动轨迹跟踪技术的应用流程

将计算机生成的素材与真人实拍镜头合成对于电影及虚拟现实等相关产业来说是一项非常重要的技术。用镜头跟踪工程师的眼光来看，当一架摄像机在拍摄一个场景时，它基本上在做一件事：将所拍摄的三维空间转化为二维平面。而镜头跟踪的目的则是完全相反的，工程师需要通过软件的精确计算还原当时摄像机所拍摄的三维场景，并在计算机中模拟出来，而连接两者的关键就是摄像机。

镜头跟踪的方式有许多，首先评估需要跟踪的影片片段以便选择最佳的跟踪方案，很多时候这个过程被遗漏，这很有可能在之后的进程中花费更多的时间。然后，在摄像机跟踪软件（或运动匹配软件）中加入前期拍摄的参数进行匹配运算，其中主要包括镜头焦距、记录帧率、运动模式，以便更精确地还原真实拍摄时的场景，就如同逻辑推理，更多的信息能让过程变得容易一些。

在五、六年之前，镜头跟踪工程师需要考虑所有摄像机运动的内在外在因素，对于不同的场合选择不同的跟踪方法。现在，科技的发展使得跟踪软件运用了一个叫做“照相测量法”的技术，大大提高了软件的智能跟踪水平。通过软件的运算能够得到一个运动的虚拟摄像机和三维场景数据。之后，工程师们依据这些数据在二维的平面内重新构建三维空间，例如将影片中的二维平面大楼和马路以三维空间的方式构建，这样跟踪就算完成了。

接下来是最重要的环节，工程师们需要测试跟踪的镜头是否如实贴合真人实拍，所创建的三维空间及虚拟摄像机是否完美匹配真实世界。这时候，使用跟踪软件，将其自带的测试物体摆放在重构的三维空间中。失败的跟踪往往非常明显就能够看出来，比如在播放的过程测试物体发生了漂移或者抖动。反复测试跟踪是否成功是非常有必要的，因为失败的镜头跟踪将在整个后期制作流水线中一直被使用，直到最后合成输出的时候才能够发现，出现这样的情况是非常可怕的，特效艺术家和动画师将不得不重新更改特技，所花费的时间和精力对于一部影片的制作周期来说将会造成很大压力。

最后是将跟踪完成的场景文件转交给工作流程下的其他艺术家们。其通常包括三维场景坐标和大小、必要的角色和设施以及合理的命名规则。一个井然有序的跟踪文件能给接手处理的其他艺术家们提供方便，同时跟踪工程师们也不需要在事后向他们详细解释，这样节省了许多不必要的时间。

3 结论

摄像机运动轨迹跟踪技术在特效场面中占有一席之地的重要原因是，数字技术运用于电影特技需要解决的基本问题之一就是运动镜头中摄像机轨迹的跟踪匹配。而在特效影片中，如果一直使用固定镜头则不容易达到影片所追求的艺术效果。镜头的特效合成是将来源不同的计算机生成的素材以正确真实的方式融入在实拍镜头中。

综上所述，摄像机运动轨迹跟踪技术对这个行业有着举足轻重的影响。电影院里的观众们在为精彩的特效而大呼过瘾同时，也许并没有注意到影视特效艺术家们的工作。而恰恰是这些默默无闻的镜头跟踪工程师们的努力决定了这些特技的效果。他们使观众看到的一切特效成为可能，这是电影拍摄中不可缺少的一环。

[1]屠非明.电影特技教程[M].北京：中国电影出版社，2007.

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[3]丁柯夫.电影风暴II：Maya影像实拍与三维合成攻略[M].北京：清华大学出版社，2007.