計算機圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用

計算機圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用

1、總結(jié)1.1計算機圖像特權(quán)的應(yīng)用,現(xiàn)代電影的傳播和傳播成為電影傳播的主流電影是一門藝術(shù)，用攝影和鏡頭向觀眾傳達(dá)了一個故事。電影中的每一個元素,對話、服飾和化妝、布景、光、聲音和視覺效果、音樂等等,支撐著故事并引導(dǎo)觀眾從一個情節(jié)到另一個情節(jié)。計算機圖像(CGI)首次用于電影故事片是在1976年,《未來世界》用計算機動畫模擬人的手和臉。這些動畫是由研究生EDCatmull和FredParke在猶他大學(xué)制作的,從而開始了計算機圖像工業(yè)之路,并最終領(lǐng)導(dǎo)了幾乎是無所不在的計算機圖像特技效果在故事影片中的應(yīng)用。20世紀(jì)中后期,計算機技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運用到電影制作中,不過剛開始的時候,在電影中的應(yīng)用還相當(dāng)局部和有限,大多只是幫助導(dǎo)演把圖像進行“無縫拼接”,消除原來“電影魔術(shù)”中明顯的人為痕跡和不真實感。90年代隨著計算機的發(fā)展及3D動畫技術(shù)的完善,電腦特技已經(jīng)成為現(xiàn)在電影制作不可缺少的一種手段。在好萊塢1993年制作的科幻片《侏羅紀(jì)公園》里,造型逼真、兇猛殘暴的恐龍令觀眾深感恐懼。這是借電腦技術(shù)創(chuàng)造的一個銀幕奇跡。影片《侏羅紀(jì)公園》中,由電腦制作的恐龍?zhí)丶肩R頭雖然只占了6分半鐘,但它卻是ILM公司50位電腦繪畫專家們整整工作了18個月、動用價值1500萬美元的技術(shù)設(shè)備才完成的。到20世紀(jì)末,三維特效技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。電影《泰坦尼克》中的計算機技術(shù)不但保證了這部影片取得驚人的效果,它也進一步強化了某些早些時候已開始受到關(guān)注的更為深刻的問題?，F(xiàn)在一些危險或需要加入特定效果的拍攝是演員只是站在藍(lán)色背景下拍攝動作,之后用電腦特技將藍(lán)色背景替換成尋要的背景。一些地震、海嘯、科幻等情節(jié)無法真實拍攝或投入成本過大時都會用電腦特技來完成。電影三維特效技術(shù)為電影視覺效果導(dǎo)演、三維藝術(shù)家提供了全新的工具,解除了他們在影視制作方面的束縛,不斷地給予他們有益的啟發(fā)和創(chuàng)作的靈感。電影工業(yè)苛刻的技術(shù)要求正是真實感圖形技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)和機遇,同時電影特技制作的高速發(fā)展也拉動和促進了該領(lǐng)域新技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用。1.2光的作用和意義光照明模型(illuminationmodel),也稱光照模型(lightingmodel)或明暗模型(shadingmodel),主要用于對象表面某光照位置的顏色計算。表面繪制算法(surface-renderingmethod)是使用光照模型為對象的所有投影位置確定像素顏色。該光照模型可應(yīng)用于每一投影位置,或者先對表面上少數(shù)點使用光照模型計算然后進行顏色插值?，F(xiàn)實世界中,物體所表現(xiàn)的顏色都是光能作用的結(jié)果。客觀世界中的物體都不同程度地具有發(fā)射光線、吸收光線、反射光線和透射光線的能力。光線照射到物體表面時,一部分被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能,其余部分則被反射或透射。正是部分反射或透射的光線被眼睛接收后,我們才感覺到物體的存在及其所特有的形狀和色彩。因此,要繪制高度真實感圖形,首先必須定義場景中的光源。為了便于計算,我們必須定量地描述光的多少或強弱,亮度和強度就是用來定量描述光的兩個基本概念。物體表面光的亮度是指單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光的能量,它是物體表面上的小面元所具有的性質(zhì)。對點光源常用強度來代替亮度。強度是指點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光能。同樣大小的被照射面離光源越遠(yuǎn),接收到的光能就越少。光的傳播服從反射定律和折射定律,光源與物體所表現(xiàn)顏色的關(guān)系可通過光照模型來模擬。物體所表現(xiàn)的顏色與光源有密切的關(guān)系。光照模型的作用就是計算物體可見表面上每個點的顏色與光源的關(guān)系,因此它是決定圖形真實感的一項重要內(nèi)容。物體表面發(fā)出的光是極其復(fù)雜的,它既與環(huán)境中光源的數(shù)目、形狀、位置、光譜組成和光強分布有關(guān),也與物體本身的反射特性和物體表面的朝向有關(guān),甚至還與人眼對光線的生理和心理視覺因素有關(guān)。把這一切都通過計算機精確地計算出來是不現(xiàn)實的,我們只能用盡可能精確的數(shù)學(xué)模型——光照模型來模擬光和物體的相互作用,從而近似地計算物體可見表面每一點的亮度和顏色。1.3光跟蹤、輻射、全球光和最終筆劃技術(shù)的總結(jié)1.3.1簡單光照明模型光線跟蹤算法是真實感圖形學(xué)中的主要算法之一,該算法具有原理簡單、實現(xiàn)方便和能夠生成各種逼真的視覺效果等突出的優(yōu)點。由光源發(fā)出的光到達(dá)物體表面后,產(chǎn)生反射和折射,簡單光照明模型和光透射模型模擬了這兩種現(xiàn)象。在簡單光照明模型中,反射被分為理想漫反射和鏡面反射光,在簡單光透射模型把透射光分為理想漫透射光和規(guī)則透射光。由光源發(fā)出的光稱為直接光,物體對直接光的反射或折射稱為直接反射和直接折射,相對的,把物體表面間對光的反射和折射稱為間接光、間接反射、間接折射。這些是光線在物體之間的傳播方式,是光線跟蹤算法的基礎(chǔ)(見圖1、2)。1.3.2輻射度方法w宏觀輻射度算法是繼光線跟蹤算法后,真實感圖形繪制技術(shù)的一個重要進展。盡管光線跟蹤算法成功地模擬了景物表面間的鏡面反射、規(guī)則透射及陰影等整體光照效果,但由于光線跟蹤算法的采樣特性和局部光照模型的不完善性,該方法難于模擬景物表面之間的多重漫反射效果。輻射度方法基于物理學(xué)的能量平衡原理,它采用數(shù)值求解技術(shù)來近似每一個景物表面的輻射度分布。由于場景中景物表面的輻射度分布與視點選取無關(guān),輻射度方法是一個視點獨立(Viewindependent)的算法,可廣泛應(yīng)用于虛擬環(huán)境的漫游(walkthrough)系統(tǒng)中(見圖3)。輻射度算法的主要特點:1、經(jīng)典的輻射度算法只處理純漫反射封閉場景;2、場景的輻射度計算與視點無關(guān);3、輻射度算法從一開始就建立在求解能量平衡方程組的基礎(chǔ)上,因而輻射度算法比其它真實感圖形的繪制算法更為準(zhǔn)確。1.3.3光子布局充放電技術(shù)全局光照是一種間接光照技術(shù),全局光照主要有四中渲染引擎。第一種是Irradiancemap發(fā)光貼圖渲染引擎,第二種是Photomap光子貼圖渲染引擎,第三種是Quasi-MonteCarlo準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎,第四種Lightcache燈光緩存渲染引擎。這四種渲染引擎在第一級和第二級漫反射反彈中可任意搭配使用(見圖4)。Irradiancemap發(fā)光貼圖:發(fā)光貼圖的計算方式是基于發(fā)光緩存技術(shù)的,是只計算場景中某一些特定的間接照明,對附近的區(qū)域進行插值計算。發(fā)光貼圖在最終圖象質(zhì)量相同的情況下運行速度要快與其他集中渲染引擎。Photonmap光子貼圖:光子貼圖能夠產(chǎn)生光子,并讓光子模擬真實光線在場景中來回反彈,然后在渲染時追蹤這些來回反彈的光線微粒并輸出成最終圖象。光子貼圖對場景中具有大量燈光的室內(nèi)或半封閉的房間來說是較好的選擇。Quasi-MonteCarlo準(zhǔn)蒙特卡羅:準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎計算全局光照是一種非常優(yōu)秀的計算方式。Brazil渲染器的全局光照方式與它非常的相似,它會驗算每個材質(zhì)點的全局光照,因此渲染速度很慢,但效果也是最精確的,尤其是在具有大量細(xì)節(jié)的場景。Lightcache燈光緩存:燈光緩存渲染引擎與光子貼圖渲染引擎十分類似,但它沒有光子貼圖渲染引擎那么多的限制。燈光緩存渲染引擎是追蹤從攝影機中可見的場景,對可見的場景部分進行光線反彈。燈光緩存渲染引擎是一種通用的全局光照計算方式,與Finalrender和Mentalray的全局光照計算方式也十分的類似,被廣泛地應(yīng)用到室內(nèi)外場景的渲染計算。1.3.4盞燈對人類中心點的影響FinalGather是一種先進而快速的全局光照模擬算法(見圖5)。當(dāng)FinalGather被打開時,場景中的所有物體都會變成一個燈光源,模擬真實世界中每個物體的顏色與亮度都會影響其周圍的物體。當(dāng)一束光線照射到物體上面時,一系列的其周邊物體所發(fā)射的次級光線將在不同的隨機角度上被追蹤,燈光的效果將在光線追蹤的過程中重新被計算。不同于以往全局光照的是,FinalGather不使用光子圖去計算一盞燈對場景中一個點的影響,取而代之的是去采樣其周圍點的信息,一個點被照亮的同時又照亮他的周圍。由于FinalGather不計算光線反彈,因此其計算速度較完全模擬真實的輻射度光照算法有很大的提高,但效果極其接近。1.4分段加工的圖像二維影像合成階段的工作大致可以分為6個部分:摳像、變形、運動穩(wěn)定和匹配、色彩調(diào)整、濾鏡效果、畫面元素合成。而三維影像的合成部分與此不同,其并不涉及摳像、變形、運動穩(wěn)定等合成技術(shù),取而代之的是使用光照模型原理將不同的三維渲染圖層進行后期的二維圖像運算而產(chǎn)生最后結(jié)果。三維影像可以一次性渲染得到最終結(jié)果,然后使用二維方法合入到電影畫面中,但由于三維影像的shader(材質(zhì))的調(diào)整與渲染需要消耗大量的時間,因此現(xiàn)在電影三維鏡頭大多使用分層渲染并使用后期軟件進行合成的方式。以RenderMan(眾多渲染器的一種)的PlasicSurfaceShader(塑料表面光照模型)為例,其使用RenderManshadinglanguage(RM光照模型描述語言)描述為:Ci=Os×(Cs×(Ka×ambient()+Kd×diffuse(Nf))+specularcolor×Ks×specular(Nf,V,roughness))其中重要的部分Oi、Ci的輸出由渲染器計算完成,但重要參數(shù)Ks、Kd、Ka需要在渲染之前設(shè)置完成,修改的話則需要重新返回三維軟件調(diào)整3個參數(shù)、重新渲染。而分層的渲染方式則將其分為4個獨立shader分開渲染。渲染得到共4層圖像(見圖6),分別為color(顏色)、ambient(環(huán)境色)、diffuse(漫反射)、specular(高光),在后期軟件中將4層圖像按照color×(ambient+diffuse)+specular的方式進行合成而各層的強度系數(shù)也可在后期軟件中自由調(diào)節(jié),無需返回三維軟件進行渲染,因此大大提高了工作效率。因此三維分層渲染合成需要制作師對光照模型原理有所了解。2、實現(xiàn)方法2.1重建實拍場景在三維電影特效實際工作中經(jīng)常會遇到這樣的問題:在前期拍攝未作任何準(zhǔn)備,后期要求在原有的拍攝畫面之上對原有物體作出修改或替換。此類鏡頭與全三維特技鏡頭不同,后者并不涉及畫面真實性統(tǒng)一的問題,而前者所遇到最大的困難也恰恰于此。三維渲染出的物體放入到真實的拍攝環(huán)境中,在燈光(Lighting)與材質(zhì)(Shader)處理不當(dāng)?shù)那闆r下,很容易影響最終的畫面效果,讓觀眾產(chǎn)生不真實的感覺。因此,只有少數(shù)有足夠的經(jīng)驗與技術(shù)積累的三維特效制作師在大量的調(diào)整與測試之后才能完成。那如何才能快速有效的達(dá)到我們想要的效果呢?那就是在三維軟件中重建實拍場景。傳統(tǒng)的三維燈光布置方法是使用軟件中內(nèi)置的各種類型的燈光(例如:AmbientLightDirctionalLightPointLightSpotLight等)參考真實的燈光布局進行放置。燈光的強度調(diào)節(jié)與陰影控制是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),這也是調(diào)整起來最為耗時的環(huán)節(jié),通常一個普通的場景就需要幾十盞燈去達(dá)到滿意的效果,復(fù)雜的場景則需要上百盞。而較為先進的全局光照渲染技術(shù)則不需要以上復(fù)雜的過程,基于圖像照明的計算方式使得三維物體仿佛就放置于真實的環(huán)境之中,計算機內(nèi)部的計算過程雖然復(fù)雜但使用起來卻非常方便。在沒有拍攝現(xiàn)場環(huán)境貼圖的情況下,如果我們依然希望使用全局光照的方法進行渲染,那我們就需要在三維軟件中模擬現(xiàn)場環(huán)境,聽起來該過程很復(fù)雜,但實際情況并不同。在現(xiàn)實環(huán)境中,每個物體都會被不同的光源所照亮,并且每個物體之間都會有光的影響。在我們得到的拍攝畫面中,已然是光線作用的最終效果,因此在我們添加三維物體到場景中時,就可使用拍攝畫面中的物體顏色與亮度信息作用于該三維物體,等同于將該三維物體放置于真實的場景之中。換句話說,就是將拍攝畫面作為燈光照亮我們的三維物體。在以下實際鏡頭中,需要將拍攝畫面改為地震后的廢墟效果,并制作畫面中的圓柱形磷罐在余震中轟然倒塌的動作效果。因此制作中需要將原有的磷罐擦除,取而代之的是三維的制作磷罐,在三維軟件中模擬磷罐倒塌過程的動畫,再將其合成到原有的鏡頭中。2.2攝像機全轉(zhuǎn)像跟蹤首先我需要將拍攝畫面中的場景等比例復(fù)原(見圖9、10)。場景復(fù)原的方式有很多,常見的方式在電影拍攝階段就實際測量出場景中重要物體的尺寸與距離,繪制現(xiàn)場圖紙供后期三維制作參考;如果鏡頭是運動的并且滿足一些特殊要求,攝像機反向跟蹤也是一種三維后期模型定位的好方法。在此鏡頭中,現(xiàn)場由于特殊原因未能提供圖紙等數(shù)據(jù)信息,并且是固定鏡頭,無法使用跟蹤軟件進行攝像機反向跟蹤,因此只能用手動方式進行攝像機對位。場景與攝像機手動對位涉及幾個重要因素,最重要的就是攝像機焦距大小的確定,其會直接影響到最終場景復(fù)原的準(zhǔn)確性,因此花較多的時間去測試攝像機的焦距是值得的。在此經(jīng)過反復(fù)的測試,最終將鏡頭焦距(FocalLength)設(shè)定為15.419,攝像機開角為77.82度。場景中的重要物體都使用簡單的幾何物體代替。2.3還同畫面與三維場景的匹配因為需要使用場景中的物體作為光源照亮磷罐,因此在對場景進行復(fù)原的工作完成后,需要對場景中的模型進行貼圖。攝像機經(jīng)過對位后,拍攝畫面與三維場景已完全匹配(見圖11),因此可將拍攝畫面直接通過對位相機以投射貼圖的方式為場景快速貼圖。因為場景只是作為燈光使用,而無需計算其他燈光對他的影響,所以需將場景材質(zhì)調(diào)整為不受任何燈光影響的SurfaceShader(表面光照模型),并將其PrimaryVisibility(渲染可見性)參數(shù)設(shè)置為Off,意味著其在畫面中將不會被渲染,但會參與計算并影響其他的物體。2.4最終產(chǎn)物的合成在完成場景復(fù)原與攝像機投射貼圖之后,導(dǎo)入需要制作動畫的磷罐的精確模型,賦予其LambertShader(一種基礎(chǔ)的光照模型),將color設(shè)為<<1,1,1>>,將AmbientColor(環(huán)境色)設(shè)為<<0,0,0>>,將Diffuse(漫反射)設(shè)為1。使用Maya中的MentalRay(渲染器的一種)渲染器打開FinalGather算法開關(guān)渲染結(jié)果如圖12-1:此渲染結(jié)果作為最終三維合成的主陰影層,是實現(xiàn)三維物體與場景相融合最重要一層,這種模擬自然光而產(chǎn)生的柔和效果是傳統(tǒng)的燈光方式很難實現(xiàn)的。其顏色與亮度值即相當(dāng)于整個實拍場景作為燈光將其照亮的效果,因此其能夠很容易的融入到實拍的場景中。2.5表面信息層在最重要的主陰影層問題解決之后,就需要其他重要圖層的渲染工作。其中包括了:Color(顏色)層是非常重要的一層,其存儲了物體的顏色及紋理的重要信息。Bump(表面凹凸)層存儲了物體的凹凸信息,使物體表面看上去不會很光滑。Specular(高光)層存儲了當(dāng)光線照射在物體表面時產(chǎn)生的高光亮度信息。Reflecte(反射)層存儲了物體表面反射其周邊環(huán)境的顏色信息。AmbientOcclusion(環(huán)境自陰影)層存儲了物體的自陰影信息,該層模擬了真實世界中角落的暗部陰影,在后期合成中對提高三維物體的體積感和厚重感起到了關(guān)鍵的作用。Normal(法線)層存儲了物體表面的法線信息,主要用于后期調(diào)整三維物體在不同坐標(biāo)方向上的明暗度。DeepMap(攝像機深度)層存儲了物體上的每個位置相對于攝像機的深度信息,用于后期進行物體與煙霧交互的合成。各圖層的渲染結(jié)果見圖12的2-8。2.6維軟件中的地震數(shù)據(jù)處理在磷罐各層渲染完成后就可進入后期軟件進行后期合成工作,此時分層渲染的優(yōu)勢才完全的體現(xiàn)出來,雖然在三維軟件中多花了一些時間進行三維分層渲染設(shè)置工作,但它給后期合成工作帶來了極大的自由度,只需在后期軟件中調(diào)整各層之間的疊加參數(shù)與顏色就可快速的實現(xiàn)三維物體最終效果的細(xì)微調(diào)節(jié),而以往這些工作都是在三維軟件中進行的。畫面中地震后效果是通過MattePainting(數(shù)字繪景)完成的,按距離鏡頭的遠(yuǎn)近共分為12層,分層繪圖的目的是為了獨立調(diào)整各層景深效果及顏色并有利于動力學(xué)流體及粒子特效的合成。最終合成共分為5大部分:背景合成部分,其中包括了MattePainting圖層的清晰度、顏色、振動等參數(shù)調(diào)整以及磷罐與地面交互各圖層信息;磷罐合成部分,其中包括了三維渲染各個圖層的調(diào)整與合成;特效合成部分,其中包括了三維渲染的流體煙塵及粒子液體模擬特效合成部分;前景合成部分,其中包括了前景MattePainting各圖層的清晰度、顏色、振動等調(diào)整;最終輸出部分,其中包括了實拍素材的摳像與合成以及攝像機抖動。添加ParticleSystem(粒子系統(tǒng))、FluidSystem(流體系統(tǒng))、RigidBodyDynamicSpecialEffect(剛體動力學(xué)特效)后的最終效果見圖16。2.7模擬結(jié)果—三維場景復(fù)原在動力學(xué)(Dynamic)特效制作中的重要作用在此鏡頭制作過程中,制作磷罐轟然倒塌動畫以及為表現(xiàn)漫天煙塵及磷罐倒塌后所揚起的塵土而使用到了大量剛體柔體動力學(xué)、流體(Fluid)及粒子(Particle)特效。在三維軟件中,動力學(xué)特效(DynamicSpecialEffects)是完全依照真實的物理學(xué)原理及精確的數(shù)學(xué)模型計算完成的,因此要想模擬出真實的動態(tài)效果就必須還原真實的物理場景。首先是磷罐倒塌的動畫模擬。磷罐倒塌的速度與其大小尺寸與質(zhì)量有直接的關(guān)系,并且如此大體量的物體在撞向地面時是會有形變的。在以往的制作中一般會采用剛體動力學(xué)(NoDeform無形變)解算完成后再使用變形融合(BlendShape)的方法制作形變,但此方法的形變是人為添加的,這就需要非常有經(jīng)驗的動畫師耗費大量的時間去做調(diào)整。這次使用到了Maya的NclothSystem(布料系統(tǒng))去模擬這個復(fù)雜的過程,在NclothSystem中磷罐體與磷罐支架以及磷罐支架自身之間都做了虛擬焊接,并且設(shè)置一定的焊接力度,當(dāng)