摄像机轨迹运动画面

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1、摄像机轨迹运动画面大家都知道，数字技术运用于电影特技需要解决的基本问题之一是运动匹配，二维画面跟踪技术是目前广泛应用于画面跟踪领域以解决运动匹配问题的技术，但它只能针对被摄体进行跟踪，对于电影摄影的另一大主要运动摄影机运动，就无能为力了。近年来一种新兴的技术摄影机运动轨迹反求技术，使得数字特技合成技术中的运动匹配功能趋于完整。下文中，笔者将具体细致的阐述摄影机运 动轨迹反求技术的诞生、原理、几个关键因素，以及与传统跟踪技术和MotionControl 技术相比的优缺点。电影摄制中的两种“运动”在电影摄影过程中有两种运动：一种是被 摄体的运动，一种是摄影机自身的运动。电影诞生的初期，卢米埃尔兄弟

2、向世人展示“ 活动的照片 ”，这标 志了电影的诞生，但当 时他们并未意识到只有画面运动（被摄体运动），而没有摄影机运动，电影的魅力只被发掘了一小部分。他们的后继者发现摄影机与演员同时运动产生的惊人效果后，电影的“运动性” 才被真正展 现在观众面前。现代电影中“ 场面调度”和“机位调度”成了每位 导演手中的一件利器，许多大受欢迎的影片正是很好的运用了这两点才使得电影有了无穷的魅力！电影摄影中这两种运动的结合可以在很大程度上帮助影片叙事的完成、风格的建立和人物的塑造。在“演员动作” 与“摄影机运动”的变 化组合尝试 中，电影人创造出 许多新颖的手法，比如拯救大兵瑞恩中，摄影师将摄影机绑在减振器上拍

3、摄模拟战场的惨烈和混乱；重庆森林中摄影机运动加抽帧的手法以体现迷幻与紧张的追逐；罗拉快跑、 有话好好说这样的影片则直接将摄影机运动作为强化影片叙事、突出影片风格的主要手段。可以说摄影机运动和演员调度的丰富组合已经被电影制作者广泛运用。对于一些特殊类型的影片，尤其动作 类型电影， “运动”更是影片最重要的组成元素。在这类影片中，既有动作本身的美感，又有摄影机运动带来的丰富变换的视角，当两者绝妙结合在一起时，“运 动”就成了影片最大的亮点。可以 说，没有运 动就没有电影。正因为“运动” 本身具有如此巨大的魅力，运动形式的创新也成为电影创作者永恒的追求目标，然而对于一些变化丰富而迅速的影片段落，常规

4、的摄影机运动拍摄方法显得有些力不从心。过去，只有通过多机位多角度拍摄、平行剪辑等手法来弥补对这类场面段落拍摄的不足。随着现代摄影技术和数字技术的发展，新的方法和技术不断被应用到摄影的运动控制这一领域中，比如MotionControl 技术就是很好的将机械技 术与数字技术同时应用于现代电影摄影技术的代表，它能帮助摄影师完成高精度、高反复率的画面拍摄，并与数字合成技术结合完成传统方法无法完成的复杂摄影运动。摄影机运动轨迹反求技术的诞生数字技术运用于电影特技需要解决的基本 问题之一是运动匹配，用于解决运动匹配问题的主要技术是跟踪技术，目前已经广泛应用于画面跟踪领域的技术是二维画面跟踪技术，它几乎成为

5、所有大型后期合成软件的必备功能之一（如Flame、Flint、AvidDS、AfterEffects、Shake、Combustion 等等）。 该技术可以精确的跟踪画面中的物体运动并进行特技合成，但它的缺点是只能针对被摄体进行跟踪，对于电影摄影的另一大主要运动摄影机运动，则显得无能为力。为了解决这一问题，近年来一种新兴 的技术发展起来，这就是摄影机运动轨迹反求技术。它的出现使数字特技合成技术中的运动匹配功能趋于完整，也使创作人员在创作过程中能够更方便、更精确的进行运动画面的合成。下图说明的是摄影机运动轨迹反求技 术在电影特技领域的技术应用位置。在后期合成阶段，传统的画面跟踪技 术只能跟踪“画

6、面内” 物体的运动，而对于“画面外” 的摄影机运 动则显得无能为力，同时，对画面中被跟踪物体的透视变化，也只能通过“四点跟踪” 技术模拟出来，这和实际拍摄中的物体透视变化有本质的区别，因此当被跟踪物体出现被遮挡或出画的情况时，就往往无法完成精确的跟踪操作。传统的四点跟踪在前期拍摄阶段，目前比较成熟的运 动控制是MotionControl 技术，该技术的核心是在拍 摄过程中主动的精确控制摄影机运动，但它在提供了强大的功能的同时，也有一定的局限。1设备专业，需要具备相当的专业技 术水平的操作人员才能很好完成工作；2成本较高；3对拍摄环境和场地、运输等都有较 高的要求，在不少特殊环境下无法完成工作，

7、如狭窄的管道、恶劣的自然环境中等等，魔戒 III 中点燃烽火的镜头，由于烽火需要在雪山之 巅点燃，采用实拍的方法成本高，危险也大，只可惜 MotionControl 设备也没法在这么恶劣的自然环境下工作，所以这个镜头还是不能用 MotionControl。魔戒 3中点燃烽火的镜头因为拍摄环 境恶劣，不能使用MotionControl创作人员必须参与前期拍 摄，不能完全使用现有的画面素材完成影片。因此，对于导演和摄影师来说，他们急需一种技 术，可以将他们从前期的摄影机运动局限中解放出来，更自由，更高效，更低成本的完成影片所需要的合成效果。摄影机轨迹反求技术就是这样应运而生的。摄影机轨迹反求技术的

8、原理简单说，摄影机轨迹反求技术是根据画面中像素的明度、 饱和度、色相三大要素筛选出画面中具有“ 特征” 的像素，并跟踪这类像素的运动轨迹，从而获得在对应该画面的摄影机在每帧（格）的运动轨迹和参数变化的。在获得这些参数后，创作人员可以在三 维动画软件包中加入一个与实拍环境下摄影机运动相匹配的虚拟摄影机，从而给机位运动的画面添加合成用的 3D 物体或背景，得到运动匹配的图像。摄影机轨迹反求技术可以在以下几种情况下工作。1 创作人员精确记录下前期拍摄时的各 项参数，如镜头焦距、记录帧率、运动模式等，在软件中输入前期拍摄的参数进行匹配运算。2 创作人员不知道前期拍摄的参数，由 软件通过画幅大小、像素长

9、宽比自动推算。3 与 MotionControl 设备交互式使用匹配参数。影响摄影机轨迹反求技术的几个关键 因素1 帧率（Frame）不同拍摄方式的画面的速率是不同的，常用的有 电影的 24帧/秒、PAL 制电视的 25 帧/ 秒、NTSC 制电视的 30 帧/秒，对于需要进行匹配的电脑三维图像，需要与对应的实拍画面具有相同的帧率，才能使合成画面运动一致。2 成像面大小 FilmBeck即摄影（摄像）机成像面的大小。3 场 Interlace电视画面引入了隔行扫描的概念，同 时将画面分为奇偶两场（odd 和 even），对于这类画面，需要在引入画面时正确地设置场序，指定软件针对每一帧画面的奇偶

10、场分别进行跟踪，从而求得更精确的运动轨迹。4 像素 Pixels像素是画面组成的最小单位，画面中像素的数量直接影响到反求运算的精度、运算时间等等。5 像素长宽比 Pixelaspectratio当每个像素为正方形时，像素长宽比 为 1 在很多情况下，画面不是由正方像素组成的，因此，对应的三维画面也必须有正确的像素长宽比。6 视频文件压缩格式对于压缩格式的视频文件，压缩比率的大小将直接影响跟踪的精度，由于压缩格式在湖面像素间进行差值，因此，当压缩率越高的文件在被解算时，像素的精度越低，因而造成跟踪不准确。正方像素与非正方像素组成的画面MotionControl 与摄影机轨迹反求技术MotionC

11、ontrol 是一种将数字技术与机械技术结合的产物，它通过数字手段（程序与画面模拟）来精确的控制机械臂的运动，从而精确地控制摄影机的运动，达到摄影机运动的高精度和高重复度。MotionControl 的优点高精密度的结构精确到帧的精度非常坚固和平滑使用可靠高速运动导入程序方便与 PRE 和 Post 软 件交互使用MotionControl 可以很好的和软件交互工作，包括Softimage3D、SoftimageXSI、Maya、Flame、Flint、Inferno、LightwaveMotionControl 技术与摄影机轨迹反求技术都是针对画面运动进行匹配的工具，但它们在使用方式，应用领

12、域等方面有许多共同和不同的地方。应用MotionControl 技术与摄影机轨迹反求技术共同点：技术方式都使用的数字技术应用领域对画面进行运动匹配单次拍摄画面匹配可行与三维软件和后期软件结合可行不同点技术方式有机械技术参与无机械技术参与匹配方式主动式被动式重复拍摄画面匹配可行不可行特殊环境应用不可行可行制作流程前期后期摄影机轨迹反求技术的优缺点：与传统跟踪技术相比优点A 跟踪的精度较高由于摄影机轨迹反求技术具有自动分析整个画面的能力，因此它能够分析并最大程度地选择在场景中有效的信息点，从而获得最高的分析精度。根据统计学的原理，画面中的有效跟踪点越多，跟踪的结果就越准确，比如画面只有 20 个有

13、效信息点，而其中的 1 个点有 20%的精度误差，那么这个误差将会对最终的结算精度产生非常大的影响，而如果画面有 100 个有效信息点，那么其中的 1 个点有的 20%误差的影响就会小得多，最终的跟踪精度会有很大提高。B 操作 简单，自 动解算能力高对于复杂的场景，人工指定跟踪信息点是一件非常繁 琐的工作，在跟踪过程中，经常可能出现跟踪点被遮挡、出画等情况，操作人员需要反复修正调整测试跟踪点，这样的工作耗费了大量的时间和精力，这些误差常常会造成跟踪的失败。而对于摄影机轨迹反求技术来说，在大多数情况下，跟踪 过程中不需要人工参与指定跟踪点信息，因此可以在很大程度上减轻工作负担，提高工作效率。在必

14、要的情况下，软件也允许用户人工指定跟踪点来进行跟踪分析以提高跟踪的精度。C 根据求得信息点可建立正确的三维空间关系现实世界是三维的空间，但传统的跟踪技 术只能针对画面的 XY 轴向进行二维 的跟踪，它并不能真正 还原被摄画面的三维空间关系，因此当合成画面有较大的透视变化时就会显得力不从心。摄影机轨迹反求技术可以还原正确的空间关系，因此也能很好地处理合成时的透视变化，同时由于电脑三维图像需要被精确地“ 放置”在画面中，在大多数境况下放置面往往不是一个平面，而是复杂的曲面，比如石碓、山坡、台阶等，因此放置点的参考面建立是十分必要的。摄影机反求软件求得的信息点是对应三维空间的，对于这类需要在三维软件

15、中精确匹配位置的情况，操作人员可以根据信息点建立精确的参考模型，从而获得最佳的匹配效果。D.支持批处理摄影机轨迹反求技术支持多任务批处 理工作，能够接受用户定义的脚本文件（Script）并自动执行，这对 于提高工作效率和减轻工作负担都有很大帮助。缺点由于摄影机轨迹反求技术自动计算画面中所有的有效信息点，在跟踪结束后还需要二次计算求得摄影机信息，所以运算时间必然较长。传统跟踪技术可以定义少量的有效跟踪点进行跟踪，因此，对于不需要较大透视变化的画面，传统跟踪技术更灵活，运算时间也较短。与 MotionControl 技术相比A 优点成本相对较低摄影机轨迹反求技术是基于软件运算的，相 对于Motio

16、nControl 技术的硬件制造成本要低得多， 对于国内小型制作公司的低成本制作有很大帮助。B.某些 场景更灵活，如航拍， 恶劣环境MotionControl 技术由于硬件设备的原因，对拍摄现场有较高的要求，在某些特殊环境下无法很好的完成工作。在这样的的情况下摄影机轨迹反求技术可以很好的解决或辅助解决画面的需求，完成工作。缺点A.对画面内容及运 动形式有一定要求摄影机轨迹反求技术是基于画面像素信息 进行运算的，因此虽然它可以通过一定的技术手段解决大多数情况下画面的跟踪要求，但在部分特殊情况下就无法很好的工作，如画面中运动物体过多，遮挡物体过多等。B.对拍 摄素材有一定要求基于同样的原理，摄影机轨迹反求技 术对画面的质量也有一定的要求，如文件信息量大小，文件格式，画面清晰度、运动幅度等等。