天神下凡——詹姆斯#183;卡梅隆与《阿凡达》的数字立体和虚拟摄影技术，本文主要内容关键词为：詹姆斯论文,天神论文,卡梅隆论文,摄影技术论文,数字论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、早期的探索
自《阿凡达》上映以来，不断听闻各路媒体惊呼“蛰伏十二年，卡梅隆倾力重金打造《阿凡达》”，意思大致是《泰坦尼克》功成名就后老卡就一门心思搞《阿凡达》了，而且一味宣传5亿美元的重金投入，所以影片理所当然的应该震撼，似乎《阿凡达》就是个摆在高档店铺内的商品，不过是贵了点，任哪个暴发户只要愿意花钱都可以买到。
这么写当然有噱头，可以忽悠票价和不明真相的观众，但并不严谨，可以说是完全不了解卡梅隆，甚至就连最基本的常识都不懂。事实上，卡梅隆这些年没有像很多人那样稍有名气之后，就趁热打铁拍些乱七八糟的故事片狠捞几笔，反而踏踏实实地参与到了NASA（美国国家航空航天局）的太空科研计划，利用拍摄纪录片的机会，成功研发出了无数领先世界平均技术甚至概念水平的影片制作工具和工艺流程，从而能够为打造出《阿凡达》这样无人能望其项背的作品做足准备。如果没有老卡和他的团队十几年如一日的刻苦钻研，怎么可能有这些工具和经验可用？知识和经验是无价的，卡梅隆从来也不绝不可能拍卖他的研发成果，就如同任谁花多少钱也不可能买到美国最先进的军事科技一样。
出于狂热的对于海底探险的热爱，《泰坦尼克》并没有让卡梅隆过足瘾。2002－2005年间，他拍摄了一系列以海底沉船、生物研究和科学探索为主题的纪录片，其中包括2002年为探索频道（Discovery）拍摄的纪录片《重回俾斯麦战舰》（Expedition：Bismarck）、2003年以探索泰坦尼克号沉船故事为主题的IMAX3D纪录片《深渊幽灵》（Ghosts of the Abyss），以及2005年与NASA合作为火星探测任务而进行海底实验的IMAX 3D纪录片《深海异形》（Aliens of the Deep）。虽然这三部作品都没有在中国大陆公映，但并不妨碍它们都在北美取得了很好的票房和口碑。笔者有幸在最近几年中，利用各种技术交流机会和资料看到了这些纪录片的3D版本片段及部分制作过程，也深为其栩栩如生的3D效果以及先进高端的3D制作理念和工具所折服，所以看到《阿凡达》如此生动逼真的画面时，并没感到特别意外的惊讶。
其实从2001年拍摄《深渊幽灵》时开始，卡梅隆就开始与好莱坞著名摄影师文思·佩斯（Vince Pace，ASC）、索尼公司和潘纳维申（PANAVISION）公司的工程技术人员合作，设计和应用基于高清技术的立体摄影系统。
他们经过一系列的方案研究和实验，制成了以两台SONY HDCF950为主机，富士双10×5mm镜头的双机平行排列的高清摄影系统，并命名为“现实摄影系统”（Reality Camera System）。此系统使两镜头光轴的距离精确地保持在69mm，和人眼瞳距相等①，且可以根据被摄主体的远近调整汇聚角度的大小变化，以光学的方式重现人眼对深度的感受。由于两台HDCF950机身宽大，如不加以改造无法靠近到需要的间距，因此在索尼工程师的协助下，他们将F950的光学部件和前置信号放大电路拆卸下来并重新装置在一个小型的机身内，通过30英尺长的光纤信号缆线连接记录和控制设备。利用这套系统，卡梅隆实现了他多年以来从另外一个角度重新诠释泰坦尼克的愿望，并重新定义了立体电影在制作方式上的新方法和新标准②。
2003年，在IMAX3D版本的《深渊幽灵》于北美上映并大获成功之时，卡梅隆就公开表态今后他的所有影片都将采用数字立体技术制作。之所以敢这么说，都是基于他对立体电影技术和市场有着完全的信心。而他在《深渊幽灵》成功后没有着急拍《阿凡达》，据他自己讲其中最主要的两个因素是：要进一步完善立体和视觉特效技术，更要等待商业数字立体影院在世界范围的普及。而2003-2009年，正是世界上数字影院建设、数字电影拷贝标准讨论和确立的重要阶段，在此期间世界各地，特别是我国数字影院建设速度不断加快③，这就为《阿凡达》数字3D版本的上映创造了良好条件。卡梅隆非常明智地在这个时候选择了潜心技术研发，待到时机成熟一鸣惊人。
《深渊幽灵》后卡梅隆没有停步，他与文思·佩斯一道继续改进完善“现实摄影系统”。在2003年开始进行的《深海异形》项目中改进了系统，使双机封装更为紧密，同时增加了基线、汇聚、双镜头变焦、跟焦、光圈联动同步调整机构，以及双机内部参数设置等全部参数的远程控制，而且在此基础之上更尝试在拍摄过程中将上述参数变化的数值实时精确记录下来，并将此数据传给三维和后期合成部门，以便CG镜头的立体参数可与实拍镜头完美匹配。2005年，与《深渊幽灵》同样使用了IMAX公司DMR技术制作的IMAX3D版本的影片成功在北美IMAX影院上映，延续了卡梅隆科学纪录片的辉煌。导演在片中表现了强烈的探索未知领域的激情，甚至希望自己能够驾驶潜艇在火星的海底与外星人亲密接触，实现自己在外星球拍摄立体电影的愿望。如此的敬业、热忱和浪漫深深感染着观众，让人肃然起敬。
2007年，在一年一度的美国NAB展会上，文思·佩斯正式展示了他们团队成熟的产品和服务：佩斯-卡梅隆Fusion摄影系统（Pace-Cameron Fusion Camera System），以及名为Fusion Mobile Unit的世界首套移动式3D节目制作和转播系统，自此佩斯和其技术团队终于实现了世界领先的从前期采集到后期制作，乃至现场直播的整体解决方案，为3D节目制作提供了强有力的技术支援保障。展会后各类导演、制片商和电视台对佩斯公司提供的技术服务争先使用，同时为系统的进一步成熟和新方案的开发提供了机会。当时利用这套系统拍摄的影片和节目有：《特工小子3D》、《死神来了4》、《U2乐队3D演唱会》、《双面蒙汉娜演唱会》，以及包括NBA总决赛、全明星赛等体育赛事，还有国内观众很熟悉的《地心游记》等等。与此同时，在卡梅隆对3D技术和市场的不断推动和号召下，乔治·卢卡斯、史蒂文·斯皮尔伯格、彼得·杰克逊、罗伯特·罗德里格斯等著名导演纷纷表示成立同盟，着力推进商业化3D电影的快速发展。同年，斯皮尔伯格和杰佛瑞·卡赞伯格（Jeffrey Katzenberg）旗下的梦工厂动画公司对外宣布：自2007年起，梦工厂将所有正在和即将生产的动画片全面转向3D立体流程，自2009年起，之后上映的所有动画片都将具有立体版本。
佩斯·卡梅隆系统经过了多年无数次的实践检验和不断改进，以及通过大量实际商业制作积累了宝贵的经验，同时商业数字放映市场在一步步壮大成熟，早期的一些三维动画制作的立体电影如《四眼天鸡》、《极地特快》等票房成绩远超预期，这些都使卡梅隆和投资人有了足够的信心，开始了《阿凡达》的研发制作。
二、《阿凡达》的数字立体摄影
《阿凡达》是卡梅隆迄今制作的难度最大的电影，为了能达到影片拍摄要求，卡梅隆和佩斯一起对原有的3D数字摄影系统进行了大幅度的改进。原来的系统对于拍摄IMAX 3D纪录片来说已经非常完美了，但对于故事片来说则形成了一种挑战。在《阿凡达》中，某些镜头的基线需要低至8.5毫米，而其他镜头则大多需要在51毫米左右。为满足故事片拍摄，摄影机应该比原来的系统噪音更低，在调整基线和汇聚的时候也应该反应更快。
他们改进的成果便是新的Fusion3D摄影机系统，最重要的变化是将原本水平放置的双机改为垂直放置，双机光轴交汇之处放置一个与水平方向成45度角的半透半反平面镜，光线可以被半透镜均分，分别进入左右摄影机记录下左右眼影像。采用这种双机放置形式的最大好处在于可以使双机不受体型大小限制，双机光轴间距可以无限接近，甚至为零，这就满足了近景、微距等拍摄需要。但由于其组成结构相对平行排列方式复杂，也会带来若干问题，如：
1.半透分光镜会减少通光量，削减曝光，如果不在照明上补偿则会迫使开大光圈而缩小景深，从而影响空间纵深感；
2.半透镜基材本身以及镀膜工艺质量如果不够高则会造成反射面出现残影，透射和反射面光量和色彩不一致等问题；
3.复杂的结构、金属变形和运动摄影中的颤动都会导致双机位置的相对稳定性大打折扣，必需使用牢固的结构和材料，加以精密的工艺调校才可维持稳定；
4.垂直方式会显著增大立体摄影系统的体积和重量，提高整个系统重心，造成平衡问题，使用不便，特别是在运动镜头、手持拍摄和高、低角度等情况下。
困难虽多，但卡梅隆和佩斯迎难而上，逐一克服了众多难题。新的Fusion3D系统中包括了11通道的运动控制：双镜头同步变焦、跟焦及光圈控制，双机之间的独立汇聚控制、基线控制以及为维持支架平衡（特别为安装斯坦尼康）而设计的反光镜控制等。该系统还可以实现倒装方式（垂直机器安装在立体支架的下部，镜头朝上），以实现手持摄影。
新Fusion3D系统可以挂接多种摄影机。在《阿凡达》的拍摄中，使用到了三种索尼产品：F950，HDC1500（拍摄60fps的高速镜头），在制作过程的后期，则使用F23拍摄了部分镜头④。这三种摄像机的感光元件都是2／3英寸CCD，且影像都录制在了HDCAM-SR格式的磁带上。在拍摄中还将画面同时记录到了CODEX数字录像机⑤中，使得电影制作者能够在拍摄现场即时立体场景回放。
为了提高手持系统的稳定性，必须做到在双机改变基线和汇聚的时候系统的整体平衡也要发生相应的改变。因此研发团队制作了一套伺服机构，根据实时计算的系统重心变化作出重力补偿，使摄影系统保持完美的平衡。这套安装于斯坦尼康上的伺服系统也可以做到将基线收缩至1／3英寸。使用分光镜当然也有代价：曝光中损失了2／3档光圈。而且对于大广角镜头而言，就需要很大尺寸的分光镜。此套配置可使用的最小焦距为4.5毫米，相当于35毫米胶片摄影的15毫米镜头，而这种镜头在3D摄影中并不常用。过大的分光镜肯定是不适合手持摄影的，因此在多数情况下将这种配置安装到了Technocrane⑥上。
《阿凡达》共使用了4套Fusion3D系统。影片拍摄中有三类镜头：真人实景纯实拍、纯CG生成和实拍加CG。影片的真人实景拍摄部分选择在了威塔（WETA）公司⑦ 所在地新西兰的惠灵顿。技术团队在拍摄现场安置了两台NEC NC800C型数字投影机，并使用CODEX数字录像机输出立体视频信号，以3D形式逐一放映每天拍摄的所有镜头，这样卡梅隆和摄影指导费奥里（Fiore）就可以在拍摄现场看到最终3D效果，一旦发现某些不足就可以逐个镜头地进行修饰完善。费奥里回忆说：“一开始我们仔细检查了几乎所有的镜头，来确保照明是否正常、汇聚和基线是否正确等等。这是很繁重的体力劳动，但却非常的必要。两台摄影机起初特别容易出问题，有时让他们匹配起来简直就是个挑战。如果其中的一台稍微有点虚焦，那么整个镜头的3D效果就毁了。”
《阿凡达》是费奥里拍摄的第一部数字故事片，而且这也是他第一次尝试3D。他在总结中说道：“对我来讲最困难的事情之一就是2／3英寸CCD对于景深的延展效果，这使得画面看上去很像用16毫米胶片拍摄的。这样想把影响观众注意的东西放到景深范围之外从而引导观众的视线就很困难了。有意思的是，小景深对于3D电影来说又是个不利因素，因为人眼需要看到深度信息才能获得纵深感，但如果景深太大且背景中有太多的细节的话，你的眼睛就会在整个银幕上游移不定，就不知道该看什么地方了。所以我就要找到新的方法来引导观众的视线，去看画面中正确的部分。通过照明和场景布置的调整，我们尽量降低了背景对视线的影响，达到了预期的目的。我也学习到如果我能控制背景光线的衰减范围和程度的话，我就能够帮助观众把注意力放到我们想让观众注意的部分。我必须通过反差和照明强度来创造景深，这真是个很有意思的挑战。”
他继续说：“我们一开始拍摄，马上又发现背景中的高光也是个问题。因为双机汇聚的存在，左右两个背景画面中的高光部分将会带有像差，造成恼人的虚影效果，就算是普通的荧光灯管也会有这个问题⑧。我尝试了很多办法，比如在高光光源上涂抹偏振剂，同时在摄影镜头前加装偏振片，通过旋转该片以降低高光。这方法虽然有效，但一旦摄影机移动起来（偏振方向变化），这效果就没了。所以我有时不得不加入烟雾来降低反差。”
费奥里还需要对构图重新理解运用：“任何时候当你发现摄影机所处的位置使得双机其中一个镜头被某物遮挡，而另一个却没有的时候——比如当你要拍摄过肩镜头或是镜头放在门口边缘位置——这时你的眼睛在看3D的时候就会非常的难受。一旦我们处于此种情况时，我们就要非常小心要保证左右眼都要被遮挡或者都不遮挡。”
值得注意的是，卡梅隆在拍摄过程中并没有像许多导演那样只会坐在监视器前发号施令，而是释放着他那似乎无穷尽的精力，在预览、拍摄、现场剪辑等每个环节上都事无巨细的亲历亲为，不辞辛劳地亲自扛机器拍摄。如此大牌的导演对技术这般痴迷和熟悉，当然令人敬佩，但作为其身边的工作人员，自身专业素质的要求之高和工作的压力之大也可想而知了。
三、虚拟摄影与立体摄影的结合
《阿凡达》制作的另一大亮点就要数虚拟摄影及其与立体摄影的结合了。早在1998年《指环王》系列电影的制作中，导演彼得·杰克逊就曾经成功地运用运动捕捉系统，通过佩戴虚拟仿真眼镜，在少量镜头中实现了虚拟实境的拍摄⑨。
时隔10年之后，计算机的能力已远非从前能及，以往的超级工作站现已被渲染农场、GPU运算代替，这对于卡梅隆丰富的想象力付诸实现，无疑提供了极好的工具。
格伦·戴瑞（Glen Derry）是《阿凡达》的虚拟制作总监，他贡献出了很多项发明来完成卡梅隆的想法。通过预先在欧特克（Autodesk）的MotionBuilder软件中建立三维场景和人物，戴瑞开发出一个能将动作捕捉的信息实时放置在CG世界当中的系统。对于之前的特效电影而言，导演通常用运动捕捉来完成复杂的预览镜头和序列：先将动作捕捉台上的演员动作拍摄下来，然后将动捕数据送到后期。接下来，视效艺术家将这些动作数据绑定到CG角色上，完成摄像机运动并将生成序列发回给导演。而在这个流程中，演员只是一个个分别采集动作，不存在摄影机和演员的互动交流，“表演”和“摄影”难以形成“共鸣”，因此并不符合卡梅隆的要求。他要实现在拍摄现场和CG角色实时交互，角色之间带有真情实感的交流，并结合面部表情捕捉系统存储演员的细微表情，使生成出的CG角色就如同真实的演员一样，从而在真正意义上实现“表演捕捉”（Performance Capture）而非寻常的“动作捕捉”。
卡梅隆使用了两个主要的工具来实现他的虚拟摄影：其一是手持的“虚拟摄影机”（Virtual Camera），实际上就是一个监视器，上面装备着类似视频游戏机所使用的控制器，且这个监视器上贴着运动捕捉系统中使用的反射球，其位置能在各个维度上被固定在摄影棚顶的数百个红外摄像机跟踪定位⑩，将运算得出的轨迹与现场的计算机内的三维摄像机进行参数绑定，就可通过此三维空间的虚拟摄影机“看到”被摄演员和主体。计算机对虚拟摄影机的取景进行实时低质量的运算，并将结果以视频的信号的方式传回到卡梅隆手持的监视器中，这样卡梅隆就能够看到穿戴着动捕衣服的演员就像他们所扮演的数字角色一样。举例来说：从手中的监视器看过去，他就能看到9英尺高的纳美人女主角而不是演员本人。他可以像操纵真实摄影机一样操控虚拟摄影机，且相比真实摄影机而言功能更为自由强大。比如可以缩放虚拟摄影机的运动范围比例，以实现高低机位的运动等镜头。假设要拍摄一个摇臂升降镜头，就可以将虚拟运动幅度比例调整到20∶1，这样一来，如果摄影机离地5英尺的话，则在虚拟世界中就能达到100英尺的高度。
对此工具的进一步运用可称为“仿真摄影机”（Simul Cam），与其说是一种机器，倒不如说是虚拟摄影的另外一个形式的应用更为贴切。其原理就是把反射点贴到Fusion3D摄影机的机身上，其位置同样可以被动捕系统所捕获。通过动捕系统对Fusion3D摄影机运动轨迹的追踪，就可以在CG世界中生成一个和现实摄影机完全相同运动轨迹的虚拟摄影机，在三维空间里实时生成场景中需要的造型元素，并将实拍和CG两路画面以较低质量实时合成，比如蓝屏幕背景可以实时抠像后合成CG背景，然后同样把结果以视频形式送回拍摄现场的监视器和摄影机取景寻像器上。举例来说：当卡梅隆正在现场拍摄一个包含一个演员和纳美人的场景时，如果他将摄影机向下摇到演员的脚，那么他的寻像器内就不仅会显示出演员的脚，还能看到纳美人的脚，还有取景范围内的全部CG环境与细节，比如通过窗外可看见飞机和士兵运动等等。所有这一切都能够通过Fusion3D摄影机的寻像器和现场监视器实时看到，这就可以让真人演员与CG角色直接互动，并且可以让卡梅隆精确地拍摄他想要的画面。
由于仿真摄影机会在虚拟世界中成为虚拟摄影机，它可以放置在空间中的任何一个位置。纳美人站立高度超过9英尺（2.7米），与人类身高比为1.67∶1。如果卡梅隆需要一个纳美人眼睛高度的镜头的话，他就会让系统操作员将他自己的身高重新设定为原来的1.67倍。换句话说，他还是可以手持摄影机站在真实的地面上，同时在虚拟世界里站立的身高就变为9英尺。卡梅隆将仿真摄影机当做了一种虚拟取景器，用它来指导表演、调度机位和演员的运动，甚至可以随时增减画面中的任何CG元素。可以说，卡梅隆实现了在他的幻想世界中，通过自己身体和摄影器材的真实的运动，自由地在真实人物以及虚拟角色和场景中拍摄取景。
四、谁是“阿凡达”？
自2005年卡梅隆投入影片制作开始，他的铁杆粉丝们就在竞相打探和共享各类关于AVATAR的消息，其翻译片名版本众多，如：天神下凡、神之化身、化身、异次元战神……也许AVATAR这个印度佛教外来词的内涵太深或者出于破除迷信的考虑，国内直接按音译来了，这也简单，留给观众无限遐想。
AVATAR这个词源于梵语，意思是从天国到地上、从神到人的“下凡”，它本来是印度教毗湿奴教派特有的宗教概念，后来被湿婆教派以及佛教等印度其他教派所吸收，具有了较为宽泛的“化身”的意义。在电影中，虽然是通过基因合成等“科学”手段使杰克变成了阿凡达，但从“文明人”到“土著人”，也不失“下凡”的基本意义。
回顾卡梅隆，他不但是世界顶级导演，影史上最卖座的两部影片《阿凡达》和《泰坦尼克号》均出自他手，且作为金牌制片人监督过多部卖座大片。此人同时还是狂热的海底探险家，美国国家航空航天局（NASA）的高级顾问，凭借其丰富的想象力、科技知识和丰富的实践经验，对前沿军事科技的开发提出过宝贵的设想和建议。他还是NASA火星科技实验室的成员之一，计划参与2011年的火星任务，到火星上去拍摄3D电影……
最近，卡梅隆对纷纷借3D的火爆势头而匆匆将原本平面版本的电影转为立体而上市捞钱的影片大加指责，特别点名批判《诸神之战》（Clash of the Titans）(11)。他对此片的评价是“低于可看的最底线”，谴责“伪3D”的急功近利。他奔走于好莱坞各大制片公司的老板周围，呼吁大家不要为了给自己的电影贴上3D的标签以图忽悠票房而不顾影片的质量，这种危险的行为无疑是在扼杀新兴的市场。他同时呼吁美国导演协会和摄影师协会尽快行动起来，深入讨论和制定3D影像的质量标准。
关于卡梅隆和他的电影，笔者还有一个小小发现，不妨抛砖引玉。卡梅隆的影迷不难发现，他最近这两部大作中的主人公名字都是“杰克”——Jake Sully（AVATAR）和Jack Dawson（TITANIC），从发音上看，JAKE≈JAC，而JAC正是James Cameron的首字缩写。难道这仅仅是巧合，还是老卡先生暗藏的彩蛋？他其实想说他本人就是正义自由的化身，是天神下凡？！
毫无疑问，詹姆斯·卡梅隆对于数字立体和虚拟摄影技术的贡献是伟大的，《阿凡达》的出现必将成为整个电影发展史上的重要里程碑。如卡梅隆所说：“现在我们的技术领先世界5年，但5年后这些技术将成为大家常用的工具”，衷心祝福数字立体电影的明天更加光辉灿烂！
注释：
① 普遍认为成年人双眼瞳距在65-75毫米之间，儿童则小于这个范围。
② 相关详细内容见笔者在2003年第7期《影视技术》杂志发表的文章《〈深渊幽灵〉的立体摄影技术》。
③ 在数字银幕和立体银幕数量上，我国现已仅次于美国，位居世界第二。迄今为止《阿凡达》国内票房已超过1.8亿美元，成为除美国本土外对票房贡献最大的国家。
④ 在官方制作特辑中，笔者发现佩斯开始在Fusion系统上挂装SONY新一代旗舰级数字摄影机F35。
⑤ CODEX是一种数字硬盘录像机产品，支持双路无压缩4∶4∶4高清视频的记录和回放，可供高质量立体或双机位应用。
⑥ 捷克出产的电动伸缩式摄影摇臂系统，由于其功能强大及对传统固定摇臂系统的革命性改良，获得2004年77届奥斯卡“科学与技术奖”，现广泛应用在各类电影拍摄中，国内常俗称“伸缩炮”。
⑦ 《指环王》导演彼得·杰克逊创立的视觉特效公司，近年来成长为世界一流的特效重镇，作品包括《指环王》、《金刚》、《阿凡达》等等。
⑧ 造成虚影的根源是立体眼镜的漏光缺陷。左（右）眼镜片对于右（左）镜片应该通过，而自己应该完全遮挡的光线没有能够彻底遮掉，从而让左（右）眼看到了不应该看到的光线，造成在一只眼内看到双影，特别是高光部分更难以完全遮挡，因此高光虚影最为明显。当前各影院主要使用的主、被动眼镜均不同程度地存在这个缺陷。
⑨ 详细内容可见笔者在2004年第12期《影视技术》杂志发表的文章《数字技术对好莱坞电影视觉效果的影响（二）》。
⑩ 标准的运动捕捉系统红外摄像头6-18个不等，而为阿凡达建立的动作捕捉场地和红外镜头数量是以往最大规模的6倍以上。
(11) 在刚结束的“NAB2010数字电影论坛”上，负责《诸神之战》3D转换的公司负责人骄傲地介绍道其高超的效率——8周之内转换完成一部100分钟的电影，在此片的后期阶段，为赶时间，转换速度甚至可以到达匪夷所思的每天17分钟！如此离谱的赶工必然导致其转换质量不能得到保证，票房和口碑都证明了此片的失败。
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