ASC杂志译文：使用虚拟灯光和程控机械臂实现《地心引力》的外太空环境

本文得到《美国电影摄影师》杂志正式授权翻译，文章来源：http://www.ascmag.com/
译者：田浩        转载注明出处:影视工业网

《地心引力》以一段令人难忘的13分钟无间断镜头开始，展示了从太空观察地球的壮阔场面，而太阳照射下的太空站和三名身着宇航服的宇航员也逐渐出现在人们眼前。突然间，来自某个卫星爆炸的大量碎片飞速袭来，撞击空间站，一名宇航员牺牲，而另外一名宇航员Matt Kowalski（George Clooney饰）和医疗工程师Ryan Stone（Sandra Bullock饰）则漂浮在太空中，无依无靠。接下来的影片都在讲他们想尽办法拯救自己，试图到达离他们最近的空间站，与此同时还要面对氧气不断减少所带来的威胁。
这部3D电影包含大量长镜头和流畅的摄影机运动，使得美丽而又危险的太空环境更逼真，细节更丰富。这是导演Alfonso Cuarón、摄影师Emmanuel Lubezki，视效总监Tim Webber和他们的团队在经过长达五年的合作之后所达到的水平。Cuarón和Lubezki是老朋友，他们已经合作拍摄了6部影片，包括《你的妈妈也是》和《人类之子》，后者由Tim Webber担任视效总监。

Lubezki声称，在《地心引力》的外太空戏份里，只有头盔下演员的脸是实拍的，这使得本片在技术和美学更加令人难忘。外太空场景的其他东西，包括宇航服，空间站，地球，都是CG制作的。同样，有一场戏中，没穿宇航服的Stone飘过一艘飞船上空，Bullock在片场是被钢丝吊着的，而她的周边环境则是数字制作的。（空间站内部的大部分戏份都是在搭建的布景中拍摄的）

《地心引力》在许多方面都成为了范例，展示了在包含大量虚拟制作的影片中，如何扩展摄影师这一角色的作用。人们都承认Lubezki在处理实拍和计算机生成影像环节起到了不可替代的作用。除了与Cuarón一起构思虚拟摄影机的运动，他还为数字技术员设计了虚拟环境光照，使得实拍时的光线与CG场景相匹配，保证最终输出结果尽可能完美。另外，他还监督了2D转3D过程，以及2D、3D和IMAX版本的最终调色。“我在《地心引力》中所做的还是摄影师的职务，”Lubezki说，“在这些过程中，我必须学习如何使用新工具，它们或许将来会成为电影摄影的一部分，我对此非常期待。”
Lubezki说，Cuarón最初告诉他零重力会为他的镜头移动和光照设计提供很大的自由，他回忆道：“Alfonso说，‘你会爱上这部影片的，因为在这儿你想怎么拍都行。’但是这种说法被证明是错的，因为我们决定让影片尽可能地接近真实。”他注意到，除了自然、真实，影片创作者还希望展示太空中的物理特性，这也就催生了大量的长镜头和推拉镜头。他解释说：“我们希望让众多镜头都包含伸缩性，例如，镜头一开始是大全景，然后推到特写，然后又回到全景。”

“我们很想去太空环境中看看，但显然是不可能的，因此唯一的办法就是利用一切技术手段来模拟。”Cuarón说，“在理想情况下，我们应该全片都在太空中拍摄，如果我们有机会这么做，那么我希望拍到的跟现在观众所看到的片子一样。”

Webber领导着伦敦Framestore的特效团队，他深信Cuarón对长镜头的狂热加上零重力环境设定会导致他们必须使用虚拟摄影机。“我们需要完全自由的虚拟摄影机，”Webber说，“因此我们创建了一个虚拟环境，然后考虑如何把演员的表演合成到其中。”
太空环境设定要求光照设计环节包含三个主要的光源：遥远的硬质太阳光，地球反射的柔光以及偶尔的来自月球的反射光。“这种设定既不像真正外太空的样子，也不像太空站里面的样子，”Lubezki说，“在太空中，人们面对的是一片漆黑，只能看见太阳的一部分、地球的一部分，偶尔能看见月球。如果真是这样的话，100分钟的片子就没有那么多吸引人之处了，所以Alfonso和我决定不断改变光照。”

“于是我需要处理光线的属性，光线是很硬还是很软，反射率是多少，颜色又是怎样的，”Lubezki接着说，“这些看似微小的细节可以让我们创建出许多不同的环境。我们还很幸运，因为航天器运动都很快，24小时内就会经历数个白昼黑夜。”事实上，全片的光照效果跟随摄影机和角色的运动旋转有着十分丰富而戏剧性的变化，赤道上空每90分钟就会出现一次日落。有一个令人叹为观止的日落场景表现了Stone最终转入了黑暗的星空中，几乎没有光照，只有头盔内部发出微弱的光。

制作组的准备工作首先是为角色在整个剧情发展中设计准确的全局轨迹，这之后Webber和他的团队就可以开始创建相应的地球景观。Cuarón选择让故事开始于宇航员飞过墨西哥上空（这是他的故乡），之后的精确轨迹便让Lubezki可以设计特定的光照和颜色线索。他回忆道：“我会这么说，‘在这场戏中，Stone是在非洲沙漠上空，太阳进入视野中，因此地球的颜色会很暖，她脸上的反射光也会是暖色。’我们可以使用一份地图来作为光照改变的依据。”
接下来，制作组制定整部影片中摄影机和角色的走位，这样Framestore的动画师就可以开始为全片创建简单的previs动画了。Lubezki和Cuarón选择了一种很低端的方案来决定场面调度。“摄影机的运动非常复杂，但是我们从最简单的方式开始，首先是故事板，然后是一堆木偶和玩具空间站、玩具航天飞机，”Lubezki解释道，“我们与动画师讨论这种原始的方案。这种先用模型摆设，然后由动画师制作黑白动画的方案很不错，接下来再添加体积、颜色和灯光。这的确是一层层附加的工作。”

Cuarón在回忆起编排零重力环境下的角色运动时笑着说：“这些组合确实是有必要的，因为你的角色在不停地旋转。比如说，我们从George的脸开始拍，然后移动摄影机到Sandra，她以不同的速度在旋转。你绕着她拍摄，然后又拉回到George。唯一需要注意的是，如果你直接退回到George，那么你接下来拍到的就是他的脚。因此我们不得不重新开始设计故事板，有时候你会突然发现令人惊喜的东西，然而有时候你得改动整个场景。”

Webber补充道，某些镜头实拍时摄影机的运动被动作捕捉系统记录下来，以便与CG场景相匹配。“我们希望摄影机的运动尽可能自然流畅，”Webber说，“因此，相比一帧帧做关键帧动画，我们选择了在小型动作捕捉棚中使用虚拟摄影机系统。Alfonso、Lubezki和我可以拿着这个小支架四处走动，控制摄影机参数和构图，然后我们对录制的轨迹做一些修改，使其更像是在零重力下拍摄的。”

Lubezki相信长镜头能很好地把观众代入影片当中。“长镜头的关键在于身临其境。对我来说，它使得整个画面更逼真、更贴切、更直白。剪辑点越少，观众跟角色之间的互动就越多，好比观众在实时地观看角色所经历的一切。这是Alfonso和我在《你的妈妈也是》及《人类之子》中发现的规律。”

Cuarón强调说，每当他想要尝试一个很酷的摄影机运动时，Lubezki都不允许他这么做。他以开场的镜头举例，镜头结束时是Stone飘向广袤的太空。“我们在做previs时，当她开始往远处飘的时候我说，‘我们不需要剪辑，我们可以在同一个镜头中跟着她运动，这样一来开场的两个镜头就可以合为一个镜头。’但是Lubezki说，‘我认为当她飘出去的时候是最佳剪辑点。如果这是一本书的一章，这应该是这章的最后一句话。’他说的没错。否则，我们得更加努力地做这个长镜头，并错误地以为全片都应该这么做，但显然影片不应该是这样。我不想说剪辑是服务于剧情的，因为在此我有我自己的观点。对我来说，剧情本身跟摄影、声音、表演和色彩是等同的，他们都是一种电影制作工具，所以你要服务的是电影，而不是故事。”

在另一段令人难忘的摄影机运动中，镜头开始于Stone的主观视角，从她的头盔向外看，画面中还有反光，然后穿过头盔玻璃，结束于一个外部的宽视角。Cuarón解释道：“在此有一个目的，在影片开头处，我们想展示一种客观的事实，所以我们只是看到几个宇航员在执行任务。当灾难发生后，我们仍然跟随Stone，并使用客观视角，直到切换到POV视角，我们想向观众展示她的主观感受。”

在创建完包含虚拟摄影机运动的previs动画后，下一步就是前期光照设计，Lubezki和Framestore团队一起制定CG光照效果。“我与一群数字艺术家一起合作，为全片设计灯光效果。”Lubezki回忆说大约有12个人负责不同场景的灯光设计。

CG光照总监Paul Beilby说与Lubezki一起进行的前期灯光设计是为了提高效率，并且比Framestore以往的任何项目都更重要。“我们与Lubezki直接讨论，”他说，“我们使用非常原始的对象和粗略的描述，因为他习惯于非常快地得到关于光照样式的反馈。”

高级视效制片Charles Howell解释道，《地心引力》中的长镜头要求制作组在早期阶段做出大量决策。“我估计previs动画中只有大约200个剪辑点，而通常一部电影都有2000个剪辑点。由于这些镜头在开拍的时候就已经确立了效果，因此很多长镜头在接下来3年的制作过程中都没有改变。我们跟Lubezki一起设计了整部影片的灯光效果，这些效果甚至在开拍之前就已经固定不变了。”
Lubezki 强调说，《地心引力》中把演员的脸合成到虚拟环境里面领着巨大的挑战。“在试图将实拍画面与CG动画结合起来时，最大的难题一直是光照，”他说，“演员的打光通常都跟CG环境不同，而如果灯光不对的话，合成就没法进行了，看上去会非常怪异，观众将会体验到动画师们常说的‘诡异谷现象’，也就是说每样东西都非常接近真实，但你的潜意识就是会觉得有什么东西不对劲，这会使你立刻跳出剧情。避免诡异谷现象的唯一办法就是在面部使用自然、真实的光照，并寻找匹配面部光照与CG环境光照的办法。”

这一挑战使得Lubezki开始构想一个独特的照明环境，这一方案最终被称为“LED灯箱”。他回忆道：“这就像是意外发现的新事物。我的想法是搭建一个布满LED的布景，照亮身处其中的演员的脸，使其与previs动画相匹配。”Lubezki进行了全面的LED测试，然后找到Webber及其团队制作了20英尺见方的灯箱，在其内部打出虚拟场景的图案，匹配演员的主观视角。在制作LED灯箱的同时，团队还解决了LED闪烁和颜色不一致等问题。

在LED灯箱内部，CG环境跨越整个墙壁和天花板，模拟地球的反射光照亮Clooney和Bullock，并为演员提供视觉参考，让他们觉得他们是漂浮在太空中。这一别致的方案可以直接把将要用于合成的虚拟环境光拿来照亮演员的脸，使得实拍和虚拟元素之间保持匹配。

对于Lubezki来说，来自地球的复杂光线也是必不可少的，这会让打在脸上的光更加细致而写实。“如果是用传统的钨丝灯或者HMI灯加滤色片，那么你只能得到单一的色调。而我们的LED要展示虚拟场景，那么投影在演员脸上的光可能一边是暗的，一边是亮的，也有可能中间有个其他颜色的亮点。这是很复杂的，所以我们必须使用灯箱。”

Lubezki还需要添加移动的硬光，作为太阳光源，以匹配CG环境中的太阳。为了实现这一点，他让他的团队使用小型Dolly车、摇臂和遥控头在演员周围移动Robin 600E Spot轻便型照明灯。器材师Pat Garrett在每个镜头拍摄时根据虚拟环境中太阳所在的位置来移动Dolly车和小摇臂，掌机员Nick Paige则控制遥控头，保证光线照在演员身上。

对于空间站起火的场景实拍，Lubezki使用了与LED灯箱类似的技术。为了给Bullock打光，Lubezki分散布置一些LED面板，显示CG的火焰，使得最终呈现在画面中的Bullock的脸完美地匹配火光的颜色和节奏。

Lubezki拍摄绝大多数实拍素材使用的都是Arri Alexa经典版和Arri Master Prime广角镜头，使用Codex录制ArriRaw数据，这一套设备由伦敦Arri Media提供（伦敦Panavision提供了一只Primo短焦镜头，只在一个镜头中用到）。他用65mm的Arri 765和Kodak Vision3 500T 5219胶片拍摄地球场景，以便明显区别于其他的外太空场景。

“Alexa可以让我以原生ASA 800感光度拍摄，并且即便提升到1200看上去也很棒，这使得LED光源变得可行。”Lubezki强调说。另外，Alexa的宽容度让他可以处理硬光过曝的部分，而几乎不损失细节。

为了在LED灯箱中拍摄演员，摄制组把Alexa安装在改良的Mo-Sys遥控头上，并附加到大型的运动控制机械臂上，可以按照预先设计的轨迹围绕演员拍摄。这一系统可以让制作组充分利用空间中物体之间的相对运动。因为在零重力环境下不分上下，因此用固定摄影机拍摄运动的物体跟用运动摄影机拍摄固定的物体看上去是一样的，因此制作组决定让摄影机来完成绝大多数的运动。
Webber介绍说，这个机械臂本来是为汽车装配而设计的，Warner Bros行政部的Chris DeFaria了解到旧金山的工程设计制造公司Bot & Dolly使用这种机械臂来控制摄影机运动。使用Bot & Dolly的系统为影片制作带来了极大的灵活性，包括可以调节摄影机运动的速度，以匹配演员的表演。为了实现更多的可能，他们在机械臂上加了个特殊的遥控头，由掌机员Peter Taylor遥控。这一遥控头基于Mo-Sys系统，但更加轻便小巧，对灯光的阻挡更少。在片场或者布景中，这套系统可以根据previs来完成预先编程好的摄影机运动。


曾与Lubezki合作过《人类之子》的灯光师John Higgins惊叹道他从没见过像《地心引力》这样的片场。他强调说，除了LED灯箱之外，还有许多相对传统的设备。例如，对于太空舱返回地球时的内景，制作组使用了去掉镜头的Alpha 4K HMI灯来模拟太阳，通过摇臂和遥控头在平稳的太空舱模型外面移动。Higgins说他们选择Alpha是因为“它是遥控头在垂直向下时唯一可以承重的灯具。”他补充说，Lubezki可以通过20K的钨丝灯强光射过20英尺见方的布来提供环境光，他使用了两层网格散射布，以及蓝色和绿色的滤光片来模拟日光。“这种散射主要用于太空舱布景，”Higgins解释道，“蓝色和绿色滤光片是贴合在20×20的网格散射布上的。”

随着演员的实拍素材被整合到CG图像当中，制作组需要修改一些虚拟元素来与演员互动，或者改变他们脸上的光照。Lubezki补充道：“我建议Tim说，我们可以在CG中添加镜头光晕和偏色效果，看上去就好像整幅画面都是摄影机实拍的一样。”
一旦Framestore完成了渲染，并且制作组一致审查通过，Lubezki和Cuarón就与调色总监Steven J.Scott一起在Technicolor监督最终调色，后者被导演和摄影师对细节的追求所折服。他回忆道：“Lubezki和Alfonso对于那些99%的观众都很满意的镜头仍然会挑刺，他们会说当角色穿过画面的时候，背包的顶部有点太青了。于是我们得用动态遮罩来分离这个区域，在需要的时候保持它的青色，而在不需要的时候把青色调低。当你跟Lubezki一起待了好几周之后，你会发现那些看似微小的调整所带来的巨大差异，因为累积误差是不可忽视的。”

另一方面，Cuarón称赞Scott“理解并完全尊重Lubezki的意愿，但同时，他也是一名技艺兼通的艺术家。Steve有敏锐的眼睛，并且能理解什么样的效果最自然。”
回顾Lubezki在《地心引力》中所做的工作时，Webber说：“据我所知，没有任何项目的前期光照设计能达到如此水平，我想这是前无古人的。与Lubezki合作非常棒，它不仅是了不起的天才，还非常热衷于使用新技术，并在这一新环境中负责了灯光设计。虽然这部影片绝大部分都不是像Lubezki之前拍片那样照明的，但是他所做的已经面面俱到了。”

Cuarón和Lubezkki都十分欣赏Webber，认为他为《地心引力》付出了很多。他们还提起了摄影师Michael Seresin，他会在Lubezki因个人原因未能到拍摄现场时充当摄影指导的角色。“Michael进入这个非常复杂的场景后适应得非常快。”Cuarón说。

说到与Cuarón的关系，Lubezki说：“事实上，自从我遇见Alfonso，他就一直是我最重要的导师之一。我与他一起在电影行业工作，当他是摄影师时，我就是给他打光的，当他是混音师时，我就是给他举杆的，当他是第一摄影助理时，我就是第二摄影助理，最终，当他成为导演时，我就是他的摄影师。我很了解他。他是我的良师益友，同时也是我最喜欢的电影制作者。我很高兴能与他合作。”

“Lubezki是我的联合摄制者，”Cuarón说，“他所做的不仅仅是大多数人认为摄影师应该做的。在《地心引力》里他无处不在，参与了制作过程的每一步。”

附录：《地心引力》制作流程概览
《地心引力》是一个很复杂的项目，以极具创意的方式整合了虚拟和实拍的影像。以下是这部影片制作流程的一个粗略概要，Framestore的CG光照总监Paul Beilby和Technicolor高级制片Michael Dillon以及团队的其他一些成员为我们提供了这些细节。
1. 轨迹设计 - Framestore
Cuarón与Framestore团队一起制定影片中地球之上的运动轨迹，这将会决定影片中地球的样子。

2. Previs - Framestore
Cuarón和Lubezki与一组动画师一起制作低分辨率的影片动画预览版本。包含虚拟摄影机运动。

3. 前期光照设计 — Framestore
Lubezki与一组技术指导一起设计影片中每个虚拟场景的光照效果，CG资产都得到优化，以便快速渲染和反馈。

4. 前期DI
使用两个分离的、精确校准过的DI放映厅，一个在洛杉矶，一个在伦敦，Cuarón、Lubezki、数字调色总监J.Scott和视效总监Tim Webber细化影片中四个片段的调色方案，并在实时环境下工作。调色结果被输出出来（有时候只是一帧画面），发送给Framestore作为最终镜头视觉效果的参考画面。

5. Techvis - Framestore
Previs和前期光照设计数据将用于设定摄影机运动轨迹和光照参数，以便在影片中模拟每个角色的主观视角。

6. LED灯箱中的实拍 - Shepperton
Techvis数据在现场进行处理，以控制Motion Controll和LED灯箱中的动态灯光。Lubezki调整LED图像照明，使用人工控制的硬光来模拟太阳。调整摄影机的运动速度使其匹配演员的表演。

7.使用机械臂进行实拍 - Shepperton
Techvis数据在现场进行处理，以便机械臂围绕Bullock运动，以模拟太空舱内的零重力环境。这部分的光照跟传统拍摄一样。

8.传统的实景拍摄 - Shepperton
绝大多数太空舱内部的镜头和地球上的一个65mm的场景对都是以传统方式打光并拍摄的。

9.套对和渲染 - Framestore
A.动画师和绑定师参考实拍数据制作出身穿太空服的角色动画以及飞行器的动画。
B.模型师根据Previs资产制作高质量版本的模型。
C.视觉开发技术指导和纹理艺术家根据NASA的照片和材料样品制定材质的样式。

10. 整合实拍和CG元素 - Framestore
A. 合成师拿到实拍的素材，并根据previs进行套对。许多动画师、动画总监、生物特效总监和技术指导一起协作，根据演员的表演制作了最终的CG动画和摄影机运动。
B. 灯光技术指导与公司内部视效总监和灯光总监一起为CG场景打光，确保与实拍素材相匹配。
C.合成师与视效总监和合成总监一起把实拍素材和CG画面合成到一起，做成最终画面，然后交给Cuarón和Lubezki审查并进行微调。

11. 调色遮罩提取 - Technicolor
获取Framestore制作完的2D文件，并加上外部遮罩，以便为画面中每个重要的元素独立地进行调色。
12. DI调色 - Technicolor
Scott与Lubezki和Cuarón一起指定2D图像色彩，使用了许多层动态遮罩。最终输出版本将用于2D DCP、Kodak Vision 2383拷贝片和HD母版。

13. 立体转制 - Prime Focus Film及Framestore
Prime Focus把实拍素材和一些视效元素转制成3D的，Framestore转制影片的其他部分。

14. 3D调色 - Technicolor
制作组决定输出两个亮度的版本，分别用于3D白幕和IMAX 3D巨幕放映，确保亮度能达到4.5fL和7fL。作为这一流程的一部分，他们选择性地进行了反暗角处理，以弥补RealD金属幕放映所带来的“热点”问题。
文件格式：
- 实拍素材: ArriRaw 2880x1620去拜尔至Log C v3
- Framestore CG输出格式: 2060x876 10-bit Log C DPX
- Framestore外部遮罩格式: 16-bit RBGa TIFF
- 2D调色源文件: 2048x858 10-bit Log C

技术信息：
宽高比：2.40:1
拍摄制式：数字+胶片拍摄
摄影机：Arri Alexa经典版、Arri 765胶片摄影机
镜头：Arri Master Prime、Panavision Primo
胶片型号：Kodak Vision3 500T 5219
包含数字中间片和立体转制

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