【技术前沿】-- 虚拟摄影机的“起飞”

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虚拟摄影机（ Virtual Camera），或称“vcam”，是一种将传统电影摄影技巧和方法带入CG世界的虚拟制作技术。

Glassbox Technologies的DragonFly系统使iPad能够充当捕捉CG世界中的图像的虚拟摄影机，又称“vcam”。

vcam系统允许摄影指导通过操纵一台能观察虚拟环境的实体“摄影机”，在一个数字创建的环境中取景和拍摄，就像他们真的在那个空间中一样。一台vcam装备通常（借助其内置陀螺仪）来调用一台智能手机/平板设备，或通过动作捕捉方法跟踪传统摄影机或移动监视器的移动。

电影《午夜天空》剧照 (The Midnight Sky) 导演：乔治·克鲁尼2020

vcam广泛用于视觉预览，通常针对涉及复杂摄影机编排的镜头设计，以及配合特效、数字元素和动作设计/特技部分。例如，马丁·鲁赫（Martin Ruhe，ASC）使用了vcam为《午夜天空》中复杂的太空行走创建镜头。

电影《阿凡达》剧照 （Avatar）导演：詹姆斯·卡梅隆 2009

虚拟摄影机也用于创建最终稿镜头，尤其是在CG动画电影中。这项技术早期由导演詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）和摄影指导摩洛 · 菲欧拉 （Mauro Fiore，ASC）在2009 年上映的科幻史诗电影《阿凡达》中进行了深入改良。在该片中，前沿的动作捕捉技术使摄影组能够同时捕捉vcam动作，方法是让演员穿戴动作捕捉设备。

此技术产生的结果是具有实景真人视觉效果的全CG动画场景。最近，卡梅隆与拉塞尔·卡朋特（Russell Carpenter，ASC，两人曾合作过《真实的谎言》和《泰坦尼克号》)合作了即将上映的《阿凡达》续集，该团队不断扩展vcam 的边界。 

《狮子王》2019 剧照 （The Lion King）导演：乔恩·费儒

2019年上映的电脑动画制作的新版《狮子王》也是采用vcam技术拍摄的，传统摄影中的运动方式得到了充分利用。凯莱布·德夏奈尔（Caleb Deschanel，ASC）任摄影指导，罗伯特·莱加托（Robert Legato，ASC）任视觉特效总监。摄影组使用标准云台、移动摄影车、斯坦尼康、摇臂和无人机，将其作为复杂的游戏控制器，像玩电子游戏一样“玩转”虚拟摄影机。

Unity游戏引擎会回放每个动画场景，包括没有特定视角的、可延展的原始动作——而摄影组所操控的vcam的实体移动会创建一个视角，就像真实的摄影机为场景中发生的动作设定一个视角一样。

德夏奈尔和摄影组的大部分人员之前对实时视觉特效没什么经验，但他们可以利用自己在走位、取景、移动、镜头选择等方面数十年的经验，这些经验可以与莱加托对电影摄影和技术方面的专业知识相辅相成。

疫情致使了远程制作增加， 在这期间，vcam的使用频率也显著加快，因为它允许工作人员在镜头设计上进行合作，却不占用同一个实体空间。尽管每个制作使用的vcam相关工具和工作流通常是订制的，但任何形式下，它都是摄影指导所处的实体世界和虚拟世界之间的高效通道。

 “使用精确的摄影机、灯光、移动的角色和音效，你就拥有了整个场景。”在Unity担任虚拟制作总监的VFX资深人士哈比布·扎尔加普尔（Habib Zargarpour）说，“这令人发自内心地感觉像置身于一个真实的片场，只不过这一切都是虚拟的。”

vcam 是摄影指导所处的真实世界和虚拟世界之间的强大通道

工具和工作流

现在有各种不同的vcam拍摄方法和技术。Glass box DragonFly是一个被大家熟知的工具，这个虚拟摄影机是针对Unreal Engine和Maya的虚拟摄影应用程序，使掌机员能够使用摄影机的取景器、LCD监 视器或iPad来监看3D场景。当它结合Vive Tracker、ARKit、OptiTrack、MoSys或Vico等摄影机跟踪系统使用时，监视器的定位和移动也可以控制虚拟摄影机。

Glassbox Technologies的首席执行官兼联合创始人王政尧（Norman Wang）表示，该软件一直在不断更新，以包含适合摄影指导使用的新技术和工作流。

“在最新的版本中，我们换成了用NDI（一项通过 以太网发送视频的协议）进行流动成像，凭借无处不在的信号向一些激动人心的工作流打开了大门。”他说“它允许每个人都能在自己的iPad上看到从服务器传输来的虚拟摄影机内容的镜像。你可以让一位掌机控制虚拟摄影机，其他工作人员使用控制器（如Monog ram Creative Console MIDI控制器）来跟焦。该系统的设计意在非 凡的灵活性。” 

摄影指导马丁·鲁赫使用vcam系统检查/视觉预览科幻电影《午夜天空》的虚拟环境。

在《午夜天空》中，鲁赫使用了vcam和iPad应用程序。这些程序是VFX供应商Frame-store和NViz开发的内部应用程序，可以为中央宇宙飞船内景的布景设计草稿进行虚拟勘景。

鲁赫回忆说：“布景设计被转换成了一个3D模型，我们可以观看和并且进行探索。”他补 充说，我们坐在办公室里完成了这整个过程。“我们可以选择‘置身’于房间内并在其中走动，或者放置一台摄影机，选择一个镜头，然后看看某些场景能否行得通。一旦你习惯了，vcam是非常有帮助的，我们有时甚至在房间建成之前就已经可以对它们进行更改。”

鲁赫还用vcam拍摄了一场小行星风暴中飞船之外的动作场景。“为这个复杂的场面做视觉预览花了将近两个月的时间。”他说“我们意识到宇宙飞船布景要稍微长一点，动作要再 多几个节拍来传达宇航员受伤并寻求帮助的时刻。”

引擎中的vcam

实时游戏引擎Unity和Unreal Engine的开发者也提供了连接真实世界和虚拟摄影的方法。除了拍摄《狮子王》的实景镜头，Unity游戏引擎还被用于为电影的重要特效和复杂连续镜头做视觉预览，如在《银翼杀手2049》、《灰猎犬号》和《亚当计划》，以及MV和商业广告中。

《银翼杀手2049》剧照 （Blade Runner 2049）导演：丹尼斯·维伦纽瓦 2017

 “电影公司喜欢视觉化，因为这有助于他们在投入巨资之前对电影做出规划。”Unity的 解决方案执行制片人保罗·贝克 （Paul Becker）说：“我们的目标是让摄影指导尽早参与进 来，把这些工具交到他们手中， 因为他们往往是与制片人和电影公司进行（关于设备和成本的）痛苦的商业对话的人，这会给他们提供帮助。”

Unreal Engine的软件开发公司Epic Games也一直致力于增强其相关软件的vcam功能， 使其更强大且更便于摄影指导使用。

虚拟拍摄主体与涉及的DragonFly vcam视图（左）， 以及vcam镜头中的拍摄主体视图（右）

Epic Games的技术总监托马斯·基尔肯尼（Thomas Kilkenny）认为这个过程可以被个性化。他说：“最好的vcam方案往往涉及让创意人员与更有技术头脑的引擎专家合作，来创建一个为他们服务的系统。”

 “虚拟摄影工作流的另一个很酷的地方是，根据摄影指导的决策，他们可以即时模拟出实景片场的创意工作。”Epic Games媒体和娱乐技术客户经理布莱恩·弗雷格（Brian Fra[1]ger）补充道：“或者他们可以采用模块化的电影摄影方法，将角色表演单独分开。许多即将上映的电影采用了视觉化阶段的镜头，并将这些摄影机运动引入到实景拍摄的镜头中。”

辅助动作设计

除了来自vcam和实时引擎开发者的工具之外，许多服务提供商利用vcam工作流来创建内容。

SuperAlloy是一家位于拉斯维加斯的动作设计工作室。联合创始人埃里克·雅各布斯（Eric Jacobus）和扎克·斯沃威特（Zac Swartout）已经使用vcam为许多公司最近的电影项目开发了特技工作。

“我来自特技行业，以前视觉预览意味着我们会带着一群演员和摄影机去健身房，大致规划好场景。” 雅各布斯说“我们会把拍下来的东西交给摄影指导，当然，他们自然会想完全改变镜头语言以适配他们的构想。这意味着我们不得不回到健身房，重新拍摄所有东西，这对特技演员来说是很大的消耗。” 

SuperAlloy动作设计工作室的工作人员开发了一项特技，让表演者穿着有惯性传感器的动作捕捉服。

雅各布斯补充说，摄影指导的工具箱中有了vcam后，“我们可以用动作捕捉拍摄特技表演，然后将其输入Unity或 Unreal”。然后，摄影指导可以改变和试验摄影机语言,“而不必让表演者一遍遍地做同样的特技。这是一个高效得多的工作流，还会为摄影指导提供能实 际使用和直接交互的内容。”

多用户游戏引擎vcam功能也使SuperAlloy能够使他们的视觉化工作和远程协作去中心 化，这在疫情开始后从一种选择变成了一种必要。斯沃威特说：“远程工作使我们能以不同 的方式同时构思和处理同一个项目。“碎片化的东西更少了，因为所有人都在处理同一个场景，人人都可以加入元素并四处移动摄影机和角色。这是一种共享的即时性，是无法通过看故事分镜获得的。”

结合真实光学元件

为vcam影像做视觉预览所需的技术精确度取决于电影人想要达成的目标。就动作的粗略规划而言，镜头的焦距、期望的宽高比和图像传感器确定后，通常足以产生精确的视觉预览。在需要更精确模拟的情况下，例如与数码角色或将被扩展的实体布景紧密结合，数据可以 精确到单个镜头的独特特征。”

Arri和Cooke等光学器件制造商提供智能镜头——带有内置编码器的真实镜头，用于协助VFX处理过程，方式是提供针对每个镜头的实时遥测技 术——现在证明vcam系统很有帮助。如果正在使用的镜头不包含智能连接功能，可以在拍摄筹备期间通过首先拍摄测试图表的校准图像来手动获取数据。弗雷格说：“Unreal的最新版本有一项新增的功能，即把校准图表的实景拍摄带入引擎，并使用它来为虚拟摄影机创建一个畸变图谱，这样将与真实镜头完美匹配。“这些没有智能连接功能的镜头还可以与对焦/光圈/ 变焦（FIZ）编码器相协调，从而为vcam提供额外的真实镜头数据。”

“我们的目标是让摄影指导尽早参与进来，把这些工具交到他们手中。”

 vcam目标

vcam能够利用现有的真实世界的经验，将人性化带到虚拟电影摄影中。跟快速发展的虚拟制作世界中的许多领域一样，未来有望实现更惊人的进步和新的工作流。

“虚拟摄影的最终目标是成为一个通向数码世界的传送门， 你可以在自己的空间里与之互 动。”基尔肯尼说，“我们希望你能够站在虚拟工作台上，四处点击并移动灯光和环境的其他方面，然后精确地看到它们在实体空间中的位置。这对每个创造性领域来说都是一个强有力的工具。” 

哈比卜·扎尔加普尔（持摄影机）和艾萨克·克劳斯（Issac Krauss，穿白衬衫)使用vcam系统捕捉 Unity驱动的虚拟环境，同时通过动作捕捉表演者科瑞·马龙（Corey Malone）来引入一个CG角色。

扎尔加普尔说：“实时呈现所有情况可以让你更快更好地规划拍摄，而不是在你做出改变时 等待所有渲染。我们关注迭代的容易程度。你也可以在一条拍摄中完成基本的摄影镜头，然后返回去只需重新对焦或换一个镜头，但保留其他所有内容。”

鲁赫也看到了这些工具给摄影指导带来的许多好处。“vcam帮助我们弄清楚我们需要建立的布景的元素，它提供关于特技和所有威亚工作的信息。”他说“特技小组可以通过输入我们制作的3D动画数据来编程他们的威亚系统。虚拟摄像是一个非常有用的工具，它能让我们在片场移动得更快更有效率。”

全文完。

本期内容为《美国电影摄影师杂志》2022-5月刊文《虚拟世界--虚拟摄影机的“起飞“》的编选；本文作者：诺亚·卡德纳

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