電影世界中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

張曉偉，臧海英

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島 066100

電影世界中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

張曉偉，臧海英

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北秦皇島 066100

電影從產(chǎn)生的那一時(shí)刻起，就注定會(huì)在人類生活中占據(jù)重要地位?！疤摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)”雖然聽起來還比較陌生，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸走進(jìn)了電影，無數(shù)個(gè)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拍攝制作出的電影不斷充斥著人們的眼球。

電影；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；娛樂

人類社會(huì)不斷進(jìn)步，影視娛樂成為人們文化生活的重要組成部分。隨著電影《阿凡達(dá)》在全球的火熱上映，越來越多的人開始了解并熟悉虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。當(dāng)人們以為3D特效是這部電影的最大賣點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)身卻會(huì)發(fā)現(xiàn)這不過詹姆斯-卡梅隆建立一個(gè)虛擬星球的工具?！栋⒎策_(dá)》不僅給世人帶來了一場視覺盛宴，同時(shí)在電影世界刮起了一場虛擬風(fēng)暴。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)是1989年由美國的蘭尼爾（J.Lanier）最早提出的，蘭尼爾將虛擬現(xiàn)實(shí)定義為：用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。[1]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門綜合技術(shù)，它涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感技術(shù)，具有交互性、沉浸性、多感知性、自主性、構(gòu)想性等特性?！疤摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由交互式計(jì)算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動(dòng)作，替代或者增強(qiáng)一種或者多種感覺反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或者出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。”[2]

2 電影制作中應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

CG（Computer Graphics）動(dòng)畫。隨著利用計(jì)算機(jī)為主要工具進(jìn)行視覺設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)的形成，把利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行視覺設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的領(lǐng)域通稱為CG?，F(xiàn)代電影中為了充斥觀眾的視覺效果，在制作過程中加入了大量使用電腦制作的三維動(dòng)畫和影視特效等視覺藝術(shù)上的創(chuàng)作。

2.1 虛擬影像擷取攝影系統(tǒng)

為了創(chuàng)造出具有立體實(shí)感的環(huán)境，3-D虛擬影像擷取攝影系統(tǒng)（Fusion 3-D Camera System）誕生了，這種系統(tǒng)是使用兩臺(tái)索尼HDCF950 HD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝的，呈現(xiàn)出更強(qiáng)更動(dòng)感的立體效果的同時(shí)又不會(huì)令觀眾感到頭暈。首次應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的電影是《深淵幽靈》，隨后絕大部分的3-D立體電影都是采用這種方法進(jìn)行拍攝的，比《非常小特務(wù)3D》、《立體小奇兵》、《地心游記3D》和《麥莉·賽勒斯演唱會(huì)紀(jì)實(shí)》等。

2.2 實(shí)時(shí)預(yù)覽技術(shù)

當(dāng)電影畫面中應(yīng)用了大量的CG效果，為了讓真人表演與最終的CG畫面完美的契合在一起，卡梅隆專門開發(fā)了一種虛擬攝像機(jī)。

虛擬攝影機(jī)，可以實(shí)時(shí)地將演員的動(dòng)作與虛擬世界背景交互，并呈現(xiàn)在LCD顯示屏上。在拍攝真人表演時(shí)能夠更準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)覽，這種攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)觀察演員的動(dòng)作與虛擬世界的交互。例如，電影《阿凡達(dá)》中，在運(yùn)用動(dòng)作捕捉技術(shù)時(shí)，除了需要演員在拍攝時(shí)穿上布滿捕捉點(diǎn)的緊身衣褲外，影片攝影棚內(nèi)還同時(shí)架設(shè)有一套“協(xié)同工作攝像機(jī)（Simulcam）”來完成此工作。這套系統(tǒng)由布滿在攝影棚頂部的140個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成，形成一個(gè)捕捉舞臺(tái)。攝像機(jī)通過追蹤現(xiàn)場LED燈打出的近紅外光譜的反射，將捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭惶紫到y(tǒng)中，再將光譜的反射與演員的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行組合分析，得出整個(gè)鏡頭的立體模型。之后，這些數(shù)據(jù)再被映射到后期的計(jì)算機(jī)處理，從而令CG場景呈現(xiàn)出高度擬真的效果。

2.3 動(dòng)作捕捉技術(shù)

CG動(dòng)畫大都是采用動(dòng)作捕捉（Motion Capture）技術(shù)。這種用于動(dòng)畫制作的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，迪斯尼公司曾試圖通過捕捉演員的動(dòng)作以改進(jìn)動(dòng)畫制作效果。1988年， SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運(yùn)動(dòng)和表情的系統(tǒng)。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成：傳感器、信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。在捕捉技術(shù)上主要有機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉、聲學(xué)式動(dòng)作捕捉、電磁式動(dòng)作捕捉和光學(xué)式動(dòng)作捕捉。

2.4 表演捕捉技術(shù)

表演捕捉（Performance Capture Workflow）技術(shù)，與“動(dòng)作捕捉”非常相似，區(qū)別在于前者能夠完全捕捉演員的肢體動(dòng)作甚至于面部表情，將真人演出影像與電腦動(dòng)畫結(jié)合，令動(dòng)畫人物的造型與表情更接近于真人。演員甚至可以自由套進(jìn)不同角色中，與不同身份的角色結(jié)合，創(chuàng)造更廣闊的表演空間。面部捕捉頭戴設(shè)備（Facial Capture Head Rig）在每個(gè)進(jìn)行“表情捕捉”的演員頭上佩戴一套攝像裝置，用微縮高清攝像頭將演員95%的面部動(dòng)作傳送給計(jì)算機(jī)里的虛擬角色。該技術(shù)對演員面部表情捕捉的清晰精確度是傳統(tǒng)技術(shù)的6倍，甚至連眼神上的細(xì)微變化都不會(huì)錯(cuò)過。

3 電影表現(xiàn)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

3.1 環(huán)幕電影

環(huán)幕電影能夠表現(xiàn)水平360度范圍內(nèi)的全部景物，這種特殊形式的電影萌芽于20世紀(jì)初期。在觀看這種電影時(shí)，觀眾站在圓形觀眾廳的中央?yún)^(qū)域，四周環(huán)繞著廣闊的畫面，配合著與影片內(nèi)容相一致的全方位立體聲效果的音響效果，人們就仿佛置身于影片當(dāng)中。

目前世界上流行較廣的環(huán)幕電影大都是采用多膠片的電影系統(tǒng)。攝影時(shí)，需使用專門的能保證多條膠片同步運(yùn)行的攝影機(jī)；放映時(shí)，需使用多臺(tái)放映機(jī)，并通過電子連鎖同步系統(tǒng)保證多臺(tái)放映機(jī)及1臺(tái)（或多臺(tái)）還音設(shè)備連鎖同步運(yùn)行；環(huán)幕電影的錄還音系統(tǒng)將立體聲多路聲跡（通常為9-11路）記錄在單獨(dú)運(yùn)行的磁帶（或光盤）上，放映時(shí)，磁性還音機(jī)（或光盤機(jī)）與多臺(tái)放映機(jī)同時(shí)起動(dòng)、同步運(yùn)轉(zhuǎn)、同時(shí)停機(jī)。

3.2 球幕電影

球幕電影是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種大銀幕電影。其拍攝及放映均采用超廣角魚眼鏡頭。放映時(shí)，動(dòng)感球幕電影廳采用70mm放映設(shè)備，半球形銀幕趲直徑達(dá)18m，觀眾觀看電影時(shí)，整個(gè)畫面布滿球體，透射型的金屬銀幕，六聲道的立體聲效果，使觀眾享受變化萬千，栩栩如生的萬千氣象。影廳內(nèi)的動(dòng)感平臺(tái)，是集液壓、電器自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫為一體的高科技系統(tǒng)工程，當(dāng)觀眾坐在平臺(tái)載體上，整個(gè)載體能上下升降，左右傾斜，前后俯仰，不僅可以摸擬航天器去邀游太空，也可摸擬潛水器，飽覽海底世界的奇特景象，隨著逼真的畫面和平臺(tái)載體的活動(dòng)，讓人不由自主的進(jìn)入角色，造成十分真實(shí)和驚險(xiǎn)刺激的特殊感覺。

我國已有幾座球幕影院，最有代表性的是北京中國科技館穹幕影廳，該影廳建成于1995年8月，廳內(nèi)放映銀幕直徑達(dá)27m，設(shè)有500個(gè)座位。已放映的影片有著名的《大峽谷》和《飛向太空》等。

3.3 激光3D放映

激光3D放映將是未來影院影片播放的主流形式。

激光顯示是繼黑白顯示、彩色顯示、數(shù)字顯示之后的新一代顯示技術(shù)。激光顯示能達(dá)到傳統(tǒng)顯示所具有的所有先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)，如大屏幕、高分辨率等。而激光顯示被應(yīng)用于數(shù)字3D放映，則是因?yàn)槠渚哂邢旅鎺讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，光能量利用率高。激光是高純度的光，在數(shù)字電影放映機(jī)上，激光的光能量100%被利用，在同樣一臺(tái)投影機(jī)、同樣的光通量輸出下，使用激光光源產(chǎn)生的視覺亮度是燈泡光源的1.3倍以上。

第二，色域覆蓋范圍廣，帶來更真實(shí)的光影感覺和立體效果。以往使用的傳統(tǒng)投影機(jī)對自然界中人眼可識(shí)別的色彩只能表現(xiàn)出30%左右，這樣觀眾在傳統(tǒng)顯示設(shè)備上觀看影片時(shí)就無法感知另外的70%色彩。激光的光譜帶寬窄，若采用紅、綠、藍(lán)三基色激光作為光源，可以實(shí)現(xiàn)自然界中60%以上的人眼可識(shí)別色彩，是傳統(tǒng)投影機(jī)的2倍以上，能夠再現(xiàn)最真實(shí)、最豐富、最鮮艷的色彩。同時(shí)，由于激光光源具有卓越的灰度表現(xiàn)方面能力，在放映3D時(shí)能更加突出圖像的層次感，帶來更強(qiáng)的3D立體效果。

第三，有利于降低影院成本。激光光源屬于新一代冷光源，不存在發(fā)熱量過大而使其溫度過高的因素，使用光功率總計(jì)約150W的紅、綠、藍(lán)激光器就可以很輕松地將激光投影機(jī)單機(jī)的光通量達(dá)到10 000～50 000流明以上，而且使用壽命可以達(dá)到1萬小時(shí)至2萬小時(shí)以上。使用該技術(shù)投影機(jī)的影院，在大大降低影院的長期成本同時(shí)，還能夠提升影院的檔次和性價(jià)比。

第四，能夠大大提高安全性。激光光源的使用安全性也大大高于氙燈，無高壓結(jié)構(gòu)，無炸燈危險(xiǎn)，無汞污染。

第五，兼容性好，方便影院更新?lián)Q代。采用新一代的激光3D電影放映解決方案具有良好的兼容性，在升級改造過程中，無需更換設(shè)備與屏幕，光通量可提高至30 000流明。

[1]劉向銅，熊助國，曹秋香.基于3Dmax的虛擬現(xiàn)實(shí)的建立過程的探討[J].西部探礦工程，2009(2)：31.

[2]舍曼，shermanw，等著.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)——接口.應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].魏迎梅，等譯.電子工業(yè)出版社，2004，9.

TE5

A

1674-6708（2010）30-0183-02

張曉偉，工作單位：秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，執(zhí)教過數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、軟件工程、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等課程