淺析數(shù)字影視后期技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

1、淺析數(shù)字影視后期技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢目 錄中文摘要ABSTRACT1緒論1.1主題研究的背景1.2 主題研究的內(nèi)容與目的 2 數(shù)字影視后期技術(shù)的相關(guān)概念闡述 2.1數(shù)字技術(shù)的概念及特點 2.2數(shù)字影視技術(shù) 2.3數(shù)字影視后期技術(shù) 2.3.1 數(shù)字影視合成與特效3基于數(shù)字平臺合成與特效的具體運用 3.1. cgi技術(shù) 3.1.1運動與肌肉系統(tǒng) 3.1.2毛發(fā)系統(tǒng) 3.1.3動作捕捉系統(tǒng) 3.2 摳像合成 3.3虛擬攝像技術(shù) 3.4 表情捕捉技術(shù) 3.4.1 有標(biāo)記點捕捉 3.4.1無標(biāo)記點捕捉 3.5 massive程序4合成與特效行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4.1美國 4.1.1工業(yè)光魔 4.1.2

2、數(shù)碼領(lǐng)域 4.2 澳洲 4.2.1 維塔 4.3英法 4.3.1 the mill 4.3.2 buf 4.4國內(nèi) 4.4.1華龍， 4.4.2水晶石5數(shù)字影視后期技術(shù)前景 4.1數(shù)字影視后期技術(shù)發(fā)展趨勢 4.2 數(shù)字影視后期技術(shù)多領(lǐng)域的運用 4.3 數(shù)字影視合成與特效對中國電影美學(xué)的思考 結(jié)語參考文獻 2 國內(nèi)外特效公司概況 2.1工業(yè)光魔3.2.1 cgi技術(shù)CGI技術(shù)，即電腦生成圖像技術(shù)（computergenerated imaging），簡稱CGI，有人把它稱之為“高保真”數(shù)碼技術(shù)。其技術(shù)過程是通過電腦將影像分解成像素或直接采用影素信息捕捉手段由模擬轉(zhuǎn)向數(shù)碼，在二度創(chuàng)作中生成你所希望

3、的任何物體。一方面CGI技術(shù)與傳統(tǒng)動畫相比更具備寫實主義風(fēng)格，它極力追求創(chuàng)造一個完全令人信服的虛擬人物形象或事物；另一方面CGI技術(shù)希望能夠比真實更真實，比戲劇更戲劇。CGI技術(shù)不僅用于創(chuàng)造一些奇幻的星球或者超現(xiàn)實的未來城市，同時還期望能獲得和照片一樣逼真的效果。CGI技術(shù)是一個用于定Web服務(wù)器的與外部程序之間通信方式的標(biāo)準(zhǔn)，使得外部程序能生成HTML、圖像或者其他內(nèi)容，而服務(wù)器處理的方式與那些非外部程序生成的HTML、圖像或者其他內(nèi)容的處理方式是相通的。因此，CGI程序冊僅使你能生成表態(tài)內(nèi)容而能生成動態(tài)內(nèi)容。使用CGI技術(shù)的原因在于它是一個定義良好并被廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn)，沒有CGI就難以實現(xiàn)動

4、態(tài)的Web頁面。進隨著電腦生成圖像技術(shù)的不斷發(fā)展與逐漸成熟，計算機系統(tǒng)衍生出成體系的技術(shù)，加快了大銀幕上不同類型的虛擬場景，人物和生物的進化。其中主要的cig技術(shù)包括：運動與肌肉系統(tǒng)，毛發(fā)系統(tǒng)，動作捕捉系統(tǒng)。運動與肌肉系統(tǒng)：從1933年，利用逐格動畫技術(shù)創(chuàng)造的虛擬角色“金剛”演變到現(xiàn)在，角色本身發(fā)生了質(zhì)的飛躍。模擬仿真生物角色增加了肌肉組織來模擬真實生物的動態(tài)習(xí)性，這樣模擬的CG角色看起來更加形象，運動是動作更加逼真，肌肉組織不僅僅應(yīng)用于運動中，也可以在靜止?fàn)顟B(tài)下幫助虛擬角色控制面部表情，計算機操控仿生骨骼與肌肉群調(diào)整運動幅度為虛擬角色增加立體感。例如侏羅紀(jì)公園中的巨無霸怪獸恐龍，以及2014

5、年里約大冒險2中很宅的cg鸚鵡布魯與美麗勇敢的珠兒，運用cgi.技術(shù)給觀眾留下深刻的映像。毛發(fā)系統(tǒng)：動畫怪物史萊克（2003）根據(jù)動力學(xué)原理開發(fā)了虛擬角色的毛發(fā)模擬器，讓角色的 頭發(fā)與胡子呈現(xiàn)出日常態(tài)，例如在模擬女性角色的頭發(fā)時，女性角色的頭發(fā)會隨著身體的移動而移動，在電腦制作過程中，特效美術(shù)師先將頭發(fā)至于肩膀兩邊，然后設(shè)置摩擦力，風(fēng)力，等參數(shù)使頭發(fā)能夠匹配身體的運動。虛擬角色的胡子相對較難，不僅要讓胡子有動感，又要保持一定的游離狀態(tài)并不簡單，首先要模擬虛擬生物相同數(shù)量的頭發(fā)，根據(jù)毛發(fā)與身體的碰撞，分層進行計算調(diào)整，讓身體與毛發(fā)相交的部位有互動感而不顯得僵硬或過度柔軟。毛發(fā)系統(tǒng)有質(zhì)的飛越是黃金

6、羅盤（2007）中的cg熊,精致的毛發(fā)效果與馬達加斯加2（2008）中隨風(fēng)擺動的獅子毛。毛發(fā)系統(tǒng)徹底模擬了現(xiàn)實生物中的模樣與外部形態(tài)，大銀幕上活靈活現(xiàn)的呈現(xiàn)了虛擬生物，受到觀影者青睞。動作捕捉系統(tǒng)：動作捕捉系統(tǒng)是維塔數(shù)字特效公司研發(fā)的技術(shù)，首次在指環(huán)王（2001）中使用，創(chuàng)造了一個由演員andi serkis 通過動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)的虛擬角色“咕?！?，憑此項而獲得了奧斯卡最佳視覺特效獎，動作捕捉技術(shù)的誕生，將數(shù)字影視后期技術(shù)推到一個新的層面，演員首先要穿著帶有捕捉跟蹤器的服飾在綠幕或藍幕下表演，動作捕捉系統(tǒng)通過傳感器可以記錄演員表演的肢體動作，真人演員的表演通過動作捕捉系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)化成CG角色的動

7、作，這樣就減少了CG制作過程中繁雜的動作調(diào)試，并且在生動性上遠遠超過人為的在計算機上的設(shè)定。例如繼andi serkis出演指環(huán)王中的“咕?！焙笥殖晒Π缪?005版的“金剛”。成為數(shù)字影視合成史上首位多次通過動作捕捉技術(shù)飾演虛擬角色的演員。在此基礎(chǔ)上，詹姆斯卡梅隆在阿凡達（2009）中對動作捕捉系統(tǒng)進行改進，增加了表情捕捉系統(tǒng)，再度摘得奧斯卡各種桂冠。至今為止，CGI技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運用于影視動畫的創(chuàng)作中，成為其發(fā)展的又一新階段。動畫片創(chuàng)作經(jīng)歷了手繪動畫、計算機輔助動畫、計算機生成動畫這三個發(fā)展階段。而計算機生成動畫就是我們前面所說的CGI技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開始，每年獲得奧斯卡最佳視覺效

8、果獎的影片沒有不采用CGI技術(shù)的。CGI技術(shù)無需攝影機的介入，二十依靠計算機創(chuàng)造出的一種“虛擬的現(xiàn)實景象”，一種亦真亦幻的三維空間?，F(xiàn)在三維技術(shù)已經(jīng)滲透到其他行業(yè)，現(xiàn)在很多商業(yè)中心已經(jīng)出現(xiàn)了各種多維世界體驗中心，將人放在亦真亦幻的場景中去真正感受IT技術(shù)帶給人的美好享受。當(dāng)然，CGI技術(shù)在向前發(fā)展的路上必須要面對的一個問題便是經(jīng)費和開支問題，從上面的數(shù)據(jù)可以很明顯的看到，制作一部質(zhì)量非常高CGI電影，需要消耗巨大的人力、物力、財力?？铸堖@部影片花費了大概3.5億美元，雖然上映后，票房全線飄紅，但是我們更加希望看到的是低成本高回報的電影。巨大的消耗往往意味著浪費和不必要的開支，所以在CGI技術(shù)推

9、動影視業(yè)不斷向前發(fā)展的過程中，我們不得不考慮這一點。3.2.2 摳像合成技術(shù) 利用色差系統(tǒng)從一幅單色背景上分離出圖像，肉厚將它合成到另外一幅背景圖上，這種技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今最常用的的特技之一數(shù)字合成軟件允許使用者指定一個顏色范圍，顏色在這個范圍之內(nèi)的像素被當(dāng)作背景色，相應(yīng)的Alpha通道值設(shè)為0；在這個范圍之外的像素作為前景色，相應(yīng)的Alpha通道值設(shè)為1.所以最重要的一點是前景物體上不能包含所選用的背景顏色。從原理上來說，只要背景所用的顏色在前景畫面中不存在，用任何顏色做背景都是可以的，但實際上，最常用的是藍背景和綠背景兩種。原因在于，人身體的自然顏色中不含這兩種色彩，用它們做背景不會和人物混

10、合；而且這兩種顏色是RGB系統(tǒng)中的原色，也比較方便處理。我國一般用藍背景，歐美一般用綠幕，因為很多歐美人的眼睛是藍色的。為了便于后期制作時通道提取，綠幕拍攝時，有幾點要注意：第一是前景物體上不能包含所選用的背景顏色；第二是背景顏色必須一致，光照均勻，要盡可能避免背景或光照深淺不一。有時候需要摳像的鏡頭比較困難，用上述原理很難得到理想的效果。比如非常微小的物體，或者是半透明的物體，例如頭發(fā)絲、煙霧、紗；或絲綢、水流、玻璃等。有些合成軟件專門針對這些情況設(shè)計了更加復(fù)雜的摳像算法，可以得到滿意的效果，例如NUKE中著名的摳像工具Primatte，利用色度的差別進行摳像并不是唯一的辦法，人們還經(jīng)常利用

11、明暗進行摳像，這稱為亮度鍵（Luminance Keying）。這種方法一般用于非常明亮或自身發(fā)光的物體。把明亮發(fā)光的物體放在黑暗的背景前拍攝，燈光只打亮被攝物體，就可以拍到背景全黑、前景明亮的畫面，然后利用它們的亮度差別來提取通道。拍攝爆炸、火星、煙霧等常常使用這種辦法。在實際制作中，這些手段通常都不是單獨使用的，而是若干種方式混合使用。即使對于綠幕摳像，也常常需要用手工方式把背景上某些雜物擋去，這稱為垃圾遮罩。對于畫面的不同部分，常常需要設(shè)置不同參數(shù)來進行摳像，才能獲得最佳效果。最后產(chǎn)生的通道很可能還需要用roto方式加以修補?？傊?，高質(zhì)量的通道是高質(zhì)量合成的基礎(chǔ)，因此，必須調(diào)動一切可能的

12、辦法（包括前期準(zhǔn)備和后期加工），來確保通道的質(zhì)量。3.2.3 虛擬攝像技術(shù)先簡單介紹一下現(xiàn)代科幻電影的拍攝方法，排除掉實景拍攝的鏡頭，其他的銀幕畫面主要需要經(jīng)過三個階段的制作，分別是數(shù)字建模，用maya,3dmax等軟件上作出虛擬人物的模型；虛擬攝像，讓演員穿上傳感器的衣服裝置，通過表演捕捉等技術(shù)采集身體各部分的參數(shù)樣點并運用在虛擬模型上，讓模型動起來；第三部分就是渲染，通過計算機技術(shù)讓人物合成在虛擬環(huán)境當(dāng)中。而虛擬攝像技術(shù)就出現(xiàn)在第二環(huán)節(jié)。 這里以阿凡達為例。為還原人物形象，導(dǎo)演詹姆斯卡梅隆花費10年時間在維塔公司技術(shù)成果上研究開發(fā)出新一代的動態(tài)捕捉技術(shù)和全新的3D攝影機，亦或3D虛擬影像擷

13、取攝影系統(tǒng)。演員穿上貼滿各種傳感器的特制服裝進行表演，經(jīng)拍攝后傳導(dǎo)至電腦進行仿真成像，新系統(tǒng)規(guī)模比以前的動態(tài)捕捉大6倍，演員頭上安裝了可監(jiān)察眼睛、嘴角和任何細(xì)微動作的高清攝影機，制造出超強真實感。新一代的虛擬攝影機采集真人表情樣點，并將這些表情“粘貼”在經(jīng)計算器加工后的納威人臉上。在拍攝時，演員戴上高清攝像頭，記錄表情情緒變化，最后通過模擬仿真制作出表情豐富的動畫人物。在攝制過程中，除了采集演員面部信息外，攝制人員還特制了一套“協(xié)同工作攝影機”，140部攝影機多角度拍攝演員身上反射過來的光線，然后傳輸?shù)接嫈?shù)機處理獲得整個特效鏡頭。在這套虛擬攝影系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，裝備了一塊高達3米的LCD顯示屏，在

14、攝影機通過傳感器捕捉演員表演的同時，導(dǎo)演能從這塊LCD顯示屏上預(yù)覽到演員“化身”為藍色納威人在潘多拉星粗大樹上的行走效果。這項即時的渲染技術(shù)解決了后期合成中存在時間差問題，加速了拍攝與合成效率。 由于阿凡達60%的鏡頭都是后期特效合成制作的，傳統(tǒng)實景拍攝的手持?jǐn)z影、搖臂攝影等設(shè)備對于拍攝阿凡達這類大型科幻電影有著很大局限性，而卡梅隆運用自己開發(fā)的虛擬攝像機解決了這一問題。使用這個虛擬攝像機，不僅可以預(yù)覽已經(jīng)結(jié)合了演員表演和虛擬場景的畫面，還能鋪設(shè)出導(dǎo)演構(gòu)思的所有鏡頭運動。在這個過程中，運動軌跡能夠被動作系統(tǒng)捕捉下來，并合成到后期的畫面進行處理。依靠這套神奇的設(shè)備，卡梅隆實現(xiàn)了十年前不可能實現(xiàn)的

15、鏡頭畫面的愿望。 3.2.4 表情捕捉技術(shù)在前面已經(jīng)提到阿凡達使用的表情捕捉技術(shù)，讓演員頭戴一個固定有微型攝像頭的特制頭盔裝置進行表演，在面部設(shè)置若干采樣點。但這也存在著一些缺陷，我們知道人臉上的肌肉群非常密集，所以必須要貼上非常多的點才能有較好的效果，而且臉上貼著這些記錄點臉多少有點怪異，演員做表情多少有點阻礙而且面部表情不是十分自然，因為這種方式終究就只是記錄了點的變化，但是臉部表情牽動的是整體臉部的肌肉群的變化，單靠點的變化難以達到十分逼真的效果。無標(biāo)記點人臉表情捕捉技術(shù)是表情捕捉技術(shù)的一個新的方向，區(qū)別于發(fā)展相對早的有標(biāo)記點的捕捉技術(shù)，無標(biāo)記點的捕捉技術(shù)在目前正處于研發(fā)階段，數(shù)據(jù)獲取是

16、難點之一。這技術(shù)融合了圖形圖像處理、計算機視覺設(shè)計、計算機圖形學(xué)等多個學(xué)科，是目前熱點研究方向。 首先，利用計算機建立一個人臉表情變化的模型，包括嘴角，眼角等部分的特征點和全局的網(wǎng)格，其中特征點由 ASM（Active Shape Model）算法識別人臉得到，然后根據(jù)特征點的分布生成均勻的網(wǎng)格。此模型包含大部分人臉面部，可以較精確的描述絕大部分表情變化。然后以此人臉模型為前提提出一種新的表情捕捉方法。使用光流跟蹤特征點的運動變化并輔以粒子濾波穩(wěn)定特征點的跟蹤結(jié)果，以特征點的變化帶動網(wǎng)格整體變化，作為網(wǎng)格跟蹤的初始值。使用網(wǎng)格的形變計算方法作為網(wǎng)格的驅(qū)動方式，以線性與非線性相結(jié)合的方式跟蹤網(wǎng)格

17、的變化來呈現(xiàn)出表情的捕捉。最后，用捕捉到的表情變化數(shù)據(jù)驅(qū)動各類人臉模型，包括二維卡通話的人臉和模擬三維真人人臉模型都能取得較好的動畫效果得到預(yù)期的效果。 這里以黑色洛城制作為例。影視動畫行業(yè)已經(jīng)具備了制作出真實環(huán)境與物件的能力，但是臉部動態(tài)捕捉?jīng)]有什么實質(zhì)性的飛躍改進，他們使用了分公司Depth Analysis(深度分析)所研發(fā)的新臉部捕捉技術(shù)系統(tǒng)，他們稱之為Motion Scan，而黑色洛城也是該公司導(dǎo)入該技術(shù)的第一個商業(yè)作品。這項技術(shù)不用像阿凡達中納威人臉上貼滿各種點，只需坐在一個特別的房間的中央，利用32臺高精確的攝像設(shè)備，同時記錄頭部的變化特征，就可以收集臉部全方位的任何細(xì)微的變化，

18、然后把收錄下來的臉部變化數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為3D模型。效果當(dāng)然是比傳統(tǒng)那種只記錄十幾、二十幾個點的臉部捕捉更為逼真與自然。但是由于運用到32臺高精確的攝影機同時記錄運動變化，所以產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常自多，處理起來就顯得更加困難，根據(jù)Depth Analysis公司數(shù)據(jù)監(jiān)測，它們目前每天僅僅只能作收錄不到一個小時的捕捉工作，經(jīng)后期剪輯后每天產(chǎn)出約20分鐘的臉部動態(tài)。經(jīng)計算，一天收錄的數(shù)據(jù)資料量達4TB(4000GB)的資料，我們知道網(wǎng)上下載一部普通的高清電影平均不到5G,其中1GB資料其實只包含一秒鐘的信息量，而這些資料都要都要后期在計算機上處理，因此沒有龐大的數(shù)據(jù)處理庫與設(shè)備，想要制作出一部標(biāo)準(zhǔn)時長而畫

19、面又精致的影片根本不可能實現(xiàn)。3.2.5 massive程序面向多學(xué)科應(yīng)用的模擬與可視化環(huán)境(MASSIVE, Multidisciplinary Applications一Oriented Simulation and Visualization Environment )?？蓱?yīng)用于數(shù)字影視后期的集成化網(wǎng)格環(huán)境。它主要功能是大規(guī)模數(shù)值模擬對計算能力、存儲、網(wǎng)絡(luò)的需求等問題。我們知道以前拍場景宏大的戰(zhàn)爭場面，例如勇敢的心，為了節(jié)省成本，基本上黑壓壓的士兵部隊是通過幾十人反復(fù)復(fù)制黏貼或鏡頭視覺差拍攝出來的，其結(jié)果銀幕人物好像都是閱兵式一樣整齊劃一，但是有了Massive后，就能為成千上萬的人物安上“大腦”。Massive群組模擬軟件十分智能，其本質(zhì)是利用C語言