电影光影背后的无名演员：高科技！

最新的电影《星际穿越》给人们展现了一个看似熟悉又很陌生的未来世界。这一切都需要依靠科技的力量，导演诺兰为了展现最真实的黑洞，花费了30名研究人员将近一年的时间，用数千台计算机联网进行精确模拟才得以实现。

纵观从古至今的电影历史之路，每一次的电影重大变革都得利于技术的发展。从无声到有声，从黑白到彩色，特别是自20世纪90年代以来，数字技术的应用，极大地增强了电影对于观众的吸引力。正是因为有了数字技术的进步，使得电影有了更强大的表现力和视听冲击，让电影更深入人心。而电影本身对于表现力和实现方式的要求也促进了技术的不断进步。

动作捕捉（Motion capture）＆CG

动作捕捉和CG是现代电影最终要两项技术，它们两个的发展是相伴而行。所以很难将他们两个分开来讲，但是为了能说明白。我们先从动作捕捉开始。

先从最基础的讲起，电影最重要的原理是“视觉暂留”。科学实验证明，人眼在某个视像消失后，仍可使该物像在视网膜上滞留0.1－0.4秒左右。电影胶片以每秒24格画面匀速转动，一系列静态画面就会因视觉暂留作用而造成一种连续的视觉印象，产生逼真的动感。1923年，美国人弗雷斯把电子管用在有声电影的录音设备上，录音式电影问世。电影进入有声时代。1935年，三色的彩色系统问世，第一部真正的彩色电影诞生。1949年，美国的沃勒工程师研究成功宽银幕电影。这大概是电影发展到你现在看到的电影形式的关键节点。

早期电影的内容除了拍摄动态物体之外也出现了不是真人的角色。动画师将木偶，泥人等角色摆出略微不同的动作，然后逐帧拍摄，当连起来放映室就成为了活动的画面。这种技术最早出现在1897年的动画短片《短胖马戏团》中，1933年版的《金刚》中表现深刻。在1963年的《杰逊王子战群妖》，逐帧动画发展到巅峰。由于这种技术要求动画师每一帧的摆放造型，所以非常费时费力效率也比较低。

在1937年，动画领域的画师已经发展出了将真人表演转换为角色动画的逐帧转描（rotoscope）技术，画师们依靠逐帧临摹演员表演片段来绘制动画中的角色动作。虽然解决了角色的动作问题，但是这种技术的缺陷是逐帧绘制工作量巨大，而且只能得到二维信息。

到80年代，由于机械和遥控技术的发展，电影特效师开发出了遥控的全尺寸机器人来代替逐格动画。但是这些角色的动作还是不流畅，设计难度和操控都很复杂。

代替了这三种技术的是动作捕捉技术，动作捕捉技术诞生于生物动力学研究机构，演员通过穿戴传感器获取人体的关节运动数据。基于LED的光学式动作捕捉技术，摆脱了沉重的机械设备，靠图像识别演员动作，大大提高了动作捕捉的效率。

普通光学式运动捕捉系统通常使用6～8个摄相机环绕表演场地排列，这些摄相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点（称为”Marker”），视觉系统将识别和处理这些标志。系统定标后，摄相机连续拍摄表演者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹，拍摄速率一般要达到每秒60帧以上。高速摄影机捕捉现实演员的动作后，再将这些动作还原并渲染至相应的虚拟形象身上。

到如今基本上所有的动画都有动作捕捉技术的参与。动作捕捉的范围也不仅限于动作，为了能够表现虚拟人物丰富的表情，动作捕捉也延伸到了表情捕捉的部分。

得益于科技的发展，传感器技术正在对动作捕捉技术进行着下一次的升级。相比于光学捕捉是利用高速摄影机捕捉人身上安装的mark点来反算肢体动作。后者的技术核心，则是利用无线惯性传感器组合辅以数据融合算法来采集人的动作姿态，并利用无线传输呈现在电脑或移动设备上。虽然前者依旧拥有更成熟的技术和捕捉精准度，但从成本考虑，惯性动捕全套设备的市场售价可以低至光学动捕系统售价的十分之一，而且随着技术进步精度也子啊不断提高。

CG（Computer Graphics）

一个很有经验的动画师一天的时间能够手绘几秒钟的动作动画就非常不错了，而用动作捕捉的话一天可以出几十分钟的动作动画，效率高出上百倍。如果算上运动效果，就算很有经验的动画师，在3D制作中要想调出非常逼真、自然的动作是很繁杂困难的事情，如果遇到复杂的动作那就更加难以实现，而动作捕捉得到的动作跟真人表演效果几乎一模一样，人能做到的动作都能通过动作捕捉得到，动作质量上有着突出的优势。因此动作捕捉对于CG制作提升整体生产力有着重大的意义。

有了动作捕捉电影特效中的任务只是有了动作和表情而已，那些虚拟的人物需要皮肤毛发，虚拟的场景需要真实世界的一切，从光影到质地。电影中的一切虚拟的物体都需要遵循真实世界的物理法则。如何将真实世界还原到光影之间的虚幻中呢，要创造一个超越真实的虚幻世界就需要CG的全力参与。到上世纪末，随着CG技术和动作捕捉技术的逐渐成熟，电影“无中生有”的能力已足以让梦自惭形秽。

20世纪70年代，日渐成熟的计算机技术开始运用到电影中，与此同时，一大批我们现在依然耳熟能详的科幻电影诞生：《2001：太空漫游》、《大白鲨》、《星球大战》、《夺宝奇兵》、《E.T.外星人》、《深渊》，这些影片使库布里克、斯皮尔伯格、卢卡斯、卡梅隆成为特效领域的执牛耳者。90年代，CG技术和数字合成技术占据了视觉特效技术的主导位置，而一些传统的光学特效和物理特效也逐渐被CG所取代。

当今的电影拍摄和后期制作中，视觉特效主要依赖CG技术与绿幕、动作捕捉技术的相互配合。

绿幕技术是指在同一色彩的背景上拍摄物体，因为背景所拥有的特殊色调信息明显的区别于前景，所以在后期制作过程中能轻易地将背景去除而保留前景。绿幕技术不一定非要使用绿色幕布，但必须避免拍摄物体含有背景幕布的颜色。由于人的皮肤介于红色和黄色之间，所以在实际应用中蓝色、绿色和青色的幕布比较常见。

世界上第一部完全用计算机动画制作的电影《玩具总动员》突破了数字技术在电影业中的运用限制，给电影制作开辟了一条全新的道路。CG动画的制作比起传统动画片的制作来说是非常有效率的。CG动画无需实质性的纸张，几乎完全动用计算机制作，节省了物理成本，也有助于环保。由于CG动画的制作不像传统动画那么多工序，速度方面也远远比传统动画更快。一般需要2年便可完全完成一部电影作品。

其次在收益方面，CG动画的电影收入也比较可观。拿《玩具总动员2》来说，全球票房收入为4.85亿美元，《泰山》的全球票房收入为4.35亿美元。《怪物史莱克》票房更是达到5.289亿美元，可想而知，全CG动画电影成为好莱坞最赚钱的电影类型。

当然，CG也不是万能的，效率和节省是在特定的情况下的。若要拍摄一个窗帘在阳光下轻轻飘动的镜头或者是一片树叶随风飘落的过程，恐怕搭景拍摄要比用CG作成同样效果来得方便廉价得多；但是，若要拍一个成千上万人大场面的全景，用CG绝对会更划算了。所以，若是灵活运用CG技术，只是在影视方面就可带来无穷的效益。

2001年至2003年，托尔金的魔幻巨作《魔戒三部曲》取材于20世纪最具想象力的同名小说，导演彼得杰克逊把《魔戒三部曲》改编成了电影，成为20世纪最豪华的电影盛宴。据称早在1978年，就曾经有一位名叫拉尔夫巴什克的拍过电影版的《魔戒》，但是由于当时的技术水平有限而不得不流产。

《魔戒》使苏格兰的特效公司Wata Digital一举成名。三部曲的特效几乎都是由Weta设计完成的(在后期制作中，由于要赶进度，美国的Digital domain和澳洲的Animal logic及其他的一些后期制作团队也加入了后期制作的行列)。仅第一部就有560个特效镜头，包括10万个人物合成在一起的镜头和由计算机生成的斯麦哥，在人员配置和分配方面，Weta派出了120名精兵强将，并将其分为奇幻生物、特效、化妆、盔甲及武器、微缩模型、模型特效六个小组，各司其职，以使影片中的综合视觉效果尽善尽美。

除了电影，CG还有其用途。全CG的场景其代表是虚拟现实(Virtual Reality)技术，作为CG技术在一个更高层面上的体现，VR技术的广度和深度可以大大超越电影的范畴与局限性。VR技术起先用于一些发达国家飞机驾驶员和汽车驾驶员的模拟体验上，整个”生态”场景由计算机实时动态生成，根据受测者的行为而模拟出不同后果。VR系统在美国纽约市海德天文馆的应用是一个典型，据称该天文馆拥有全球最大的产生身临其境效果的虚拟系统。利用数字技术，该系统能投影50万颗星星，而利用机械投影系统一般只能投影1万2千颗星星。VR技术的出现进一步拓宽了CG应用的空间。

3D摄影和播放技术

D是英文Dimension(线度、维)的字头，3D是指三维空间。国际上是以3D电影来表示立体电影。人类之所以拥有立体视觉，是因为人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。

根据这一原理，如果把同一景像，用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，也多是运用这一原理，我们称其为“偏光原理”。

3D电影的历史和电影的历史差不多长，其中最早可以追溯到电影发明之初的19世纪末，当时英国电影先驱威廉姆·弗莱斯·格林(William Friese-Greene)发明了世界上第一套放映和观看3D电影的装置，观众同样通过眼睛来获得立体视觉。但是由于装置繁琐，尽管发明人申请了专利，但是没有影院愿意购买这种设备。在之后的发展之中，3D电影虽然一直存在，但是总会起起落落并没有收到大的重视。

2004年，第一部IMAX 3D长片《极地特快》诞生。该片在2000块普通2D银幕上放映，3D IMAX银幕只有75块。然而就是这75块3D IMAX银幕，获得的票房占全片总票房的百分之三十。3D+IMAX的“超强组合”，让发行方看到了巨大的商业潜力。

2009年，《阿凡达》成为有史以来制作规模最大、技术最先进的3D电影。从09年开始3D电影正式成了票房的金字招牌。要是说哪部电影没有3D版那观众一定觉得这个电影是闹着玩的。而3D电影所需的观影条件和影院氛围以及逼真的代入感又一次刺激了萧条的电影票房，让更多的观众回到影院。

想要得到3D电影当然要使用3D拍摄技术，它包含了硬件和软件两个部分。拍摄3D立体影像时，是使用两台高清摄像机或者电影机，通过专业的3D立体可调角度特制云台进行左右平行或上下垂直，并以特定的夹角来拍摄3D立体影像。同时在拍摄过程中，需要专业的3D立体监视器实时监看立体效果，并根据不同的场景、主题等需要调节3D立体拍摄架，使3D立体摄像机形成不同的夹角从而达到不同的立体效果。

3D摄影机拍摄出来的视频素材是平常的两倍，两台摄影机拍摄的画面在指标与色彩方面无法完全一致，需要后期进行平衡处理。该处理工作需要立体环境监看。影片制作完成后立体的特效动画、包括片头、片花、字幕等都需要进行立体处理。

计算机集群计算（渲染）技术

其实介绍了上文的这么多重要技术，除了3D摄影技术之外，其他的技术完全依赖于计算机技术的发展。

多台动作捕捉摄影机获得的动作信号需要导入专门的存储和回放系统进行编辑，而CG系统更不用说。老牌的特效大厂皮克斯和梦工厂都有自己研发的CG系统来完成复杂的环境模拟工程。

1995年在制作《玩具总动员》这部电影时，Pixar制作了一个联网库，由117部Sun SPARCstation 20工作站组成的“群集机”，而每部工作站至少包含两个微处理器，并在Sun的Solaris操作环境中运行，以便完成对这部77分钟电影中共计114，000个画面中，每一个画面“着色”的关键任务。在这一过程中，要把正确的明暗分布、纹理和浓淡处理添加到三维计算模型，以产生轮廓鲜明的彩色图像，而且细节非常逼真。

CG的核心是光照和渲染。在CG特效里面，最难，也是最有挑战的是光照，因为只有光照是最难和真实画面匹配的。角色也好，背景也好，都是单独做出来的，但是真正让你觉得真实，实际上是光照的真实。最大的不真实，很多时候并不是模型不够细腻，动画不够逼真，透视不太对，主要还是光照不匹配。

2006年在《赛车总动员》中，皮克斯运用了“光线追踪”和“环境渲染绘制”技术。“环境渲染绘制”是最浪费时间的一道工序，虽然在进行这项工作时，选用的都是最一流的程序师，同时操作3000台电脑进行复杂的工作，时间也比渲染《超人总动员》时快上四倍还多，可是平均下来，每一帧的渲染工作平均仍在17个小时以上，用如此繁杂的工序完成一部长达近两个小时的动画长片，计算量是无法想象的。

而在2012年《勇敢传说》中，女主角梅莉达一头蓬松卷曲的红发是由1500根单独绘制的曲线构成，总共大约111700根头发。为了完成逼真的毛发效果，皮克斯制作了全新的模拟器用于建模。这头飘逸柔顺的秀发已经动用到了有上万个节点的超级计算机进行模拟计算。

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当今电影的告诉发展是和科学技术的同步发展是分不开的。在皮克斯这样的公司中，负责研发计算引擎的工程师可能比编辑还要多。电影厂商的发展最后要归结到谁家的算法好的地步。而大规模集群计算技术又保证了你看到每一个虚拟人物和每一个CG画面都可以以假乱真。

在电影的发展中，技术已经和导演和演员一样重要，但由于技术以及技术人员通常处于幕后，并不为观众所知。去年就在李安凭借《少年派对漂流》获得奥斯卡小金人的同时，为其制作特效公司却由于入不敷出宣布破产，这不得不说是一个令人悲伤的故事。当在电影上欣赏帅哥美女的同时，我们也要向幕后通过最先进技术带来最震撼画面的科技致敬。