《阿凡达》重映！重新捋捋十一年前这部大片的幕后技术

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时隔十一年《阿凡达》重映，再次掀起了3D观影观潮，也极大提振了国内电影市场，也将连续25天位居单日票房冠军的《你好，李焕英》拉下冠军宝座。重映上映两天，《阿凡达》内地重映票房破亿，累计票房已突破14亿大关！顺其自然这部影片也成了最近大家讨论的焦点。当然了，对于我们来说讨论的都是关于它的幕后制作。那么今天在这里给大家捋捋当年卡梅隆在制作这部电影时所开创的一些技术。

为了实现电影中的视觉效果，卡梅伦在1995年就已经为这部电影想好了解决方案，他的想法是要突破当时数字视效的界限。他的想法是，制作《阿凡达》大部分都需要在一个由电脑生成的三维世界里，将真人动作序列和数字捕捉的表演融合在一起。站在今天这个时间节点上看那个年代电脑技术还是相当有局限性的，特别是受到硬件的限制。以至于卡梅隆等了10年多的时间才觉得电影技术已经发展到了可制作《阿凡达》的地步。

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负责这部大片特效的主力公司是大名鼎鼎的Weta Digital，当时900人参与了其中的视效制作。为了存储、编目和供给所有相关人员所需的大量数据，微软特别为《阿凡达》创建了一个新的云计算和数字资产管理（DAM）系统，名为Gaia，这样可以让工作人员能够实时跟踪和协调数字处理的各个阶段。为了帮助按时完成特效序列的准备工作，其他几家公司也加入了进来，其中包括与Weta Digital合作制作战斗序列的工业光魔。工业光魔负责影片中许多专用交通工具的视觉效果，并设计了一种制作CGI爆炸的新方法。

卡梅隆一直是技术的推崇者，他说“这一直是艺术和技术之间的平行推动。我拍电影的方法总是很技术化的。我一开始并不是想自己会成为一名导演，而是一名特效从业者。”所以为了能将演员面部的表情完美映射到阿凡达角色的面部，它创造了表演捕捉。

1.

表演捕获

卡梅隆其实不太喜欢叫“动作捕捉”这个词来形容《阿凡达》中使用的过程。他更喜欢称之为“表演捕捉”。过程是要求演员戴上一些已经配备了摄像头的特殊头饰。当演员们表演时，摄像机传送到虚拟人物的面部动作。

这个技术是将来自相机的信息产生一个演员面部的数字框架。然后给这个装备一套规则，把每个演员脸上的肌肉运动应用到他或她扮演的阿凡达或纳威人的脸上。为了让一个CG角色和一个人类演员表达同样的情感，这个装备必须将人类眉毛的每一个弧度直接映射到数字角色的脸上。

卡梅隆希望尽量减少动画师的修饰，让演员自己表演。但事实证明，没有什么神奇的公式可以取代艰苦的工作量。在卡梅伦抱怨恐怖谷效应后，Weta Digital又花了一年时间完善了阿凡达的绑定，调整了引导阿凡达动作和表情的算法，直到这些角色活蹦乱跳，以假乱真，才达到卡梅隆的标准。

Weta Digital处理了来自多个表演者的动作捕捉数据，这些数据共同作用于动作捕捉体上。这个头戴式摄像头（HMC）可以使演员在舞台上有更好的移动自由度，允许身体和面部跟踪同时发生。之后Weta Digital开始实施FACETS系统，这个系统从HMC接收跟踪数据来驱动面部求解器，再加上能够编辑和控制求解的动作编辑器和动画师的输入。

但是FACS（paulekman开发的面部动画编码系统）存在一个问题，就是很难跟踪嘴唇的形状，因为嘴部是不断变化的。为此，这个系统被构建成一个大的解算器，可以输入训练数据，这样面部编辑就可以尝试解释正在发生的事情，并不断添加到系统中，直到它收敛到正确的答案，然后让动画师再次检查一遍，并用绑定进行再次检查，确保一切运行在正确的组合中工作。

也正是这一次次的技术迭代，让Weta的动作捕捉技术站在一个无法撼动的高地，以至于后来开发了开发了可应用于各种场景的捕捉服装，比如《猩球崛起》中可在雨中的动捕等等。

2.

立体三维融合摄像系统

这是近年来最先进的技术。卡梅伦对3D的永恒痴迷造就了有史以来设计的最先进的摄像系统，新的Fusion 3-D摄像系统。它特别被用来弥合场景之间的鸿沟，并在现场动作场景和计算机生成的场景之间以艺术的方式形成不可追踪的连接。

3.

虚拟摄像机与Simul-Cam

动作捕捉领域另一个发明是Simul-Cam和虚拟摄像机，它们结合了3D和CGI技术的最佳特性。为了以一种更增强的方式构建或开发虚拟世界，卡梅隆在实时设置中捕捉到了动作捕捉结果。他发明了一种叫做“Simulcam”的东西——一种革命性的新相机，能够将CGI图像叠加在实时拍摄的现场图像上。在Simul-Cam的帮助下，将CGI的角色和环境集成到一个单一的融合目镜中，有助于导演像其他任何正常的实景场景一样观看和指导CGI场景。虚拟摄像机的作用更像一个虚拟监视器，允许导演判断电影最终剪辑的整体效果，超级计算机将CGI数据输入剪辑。

这里最重要的技术是卡梅隆开发了实时工具包和生物圈。为了保持实时系统的完整性，必须要让一个虚拟的数字世界外观一直存在，还能让实时渲染引擎可以实时的工作，为此Weta团队想出了一种技术叫生物圈和半球形摄像机，可以将摄像机放置在一直显示的数字场景中，为此开发了个专有工具，它可以根据需要设置的特定半径渲染360度球面视图，具体取决于需要互动的距离，如果超出这个临界点，这些几何体会塌陷成一个圆顶，但仍然看起来像实际的几何体。之后将其与艺术部门数字绘景结合起来。而且这个实时工具包组织是完全可配置的。

4.

动画

对于动画，Weta在面部解决和跟踪上投入了大量的精力，因为表演捕捉方式有一个问题，那就是只能用一个摄像头看到单一的视角，理想情况下，从技术角度来看，最好配备两个或更多的摄像头。但从表演的角度来看，这会增加分量，会减慢换驱动器的过程，对演员来说会很麻烦。

FACS（paulekman开发的面部动画编码系统）再次被Weta所利用。但是FACS的一个问题是它不包括对话。这是第二层，运动编辑和动画师在这里查看输入的数据，必须弄清楚轨迹在做什么，以及如何解决这个问题。很难跟踪嘴唇的形状，因为它只是不断变化。因此，这个系统被构建成一个大的解算器，你可以输入训练数据，这样面部编辑就可以尝试解释正在发生的事情，并不断添加到系统中，直到它收敛到正确的答案，然后让动画师再次检查一遍，并用绑定进行另一次检查，确保一切正常在正确的组合中工作。

5.

灯光与合成

他们采用了全局照明系统进行打光。主要基于基于图像的灯光，但随后将整个系统转换为球谐函数（是拉普拉斯方程的球坐标系形式解的角度部分，是近代数学的一个著名函数，在量子力学，计算机图形学，渲染光照处理以及球面映射等方面广泛应用），可以预先计算场景中所有的灯光，然后将角色和所有的东西都放入灯光中，TD可以自由移动灯光，然后它会显示对周围所有物体的影响。

还为3D设计了一种新的全合成系统。它可以为渲染的所有内容输出所有深度信息，所以不再需要依赖遮罩。这样就可以知道空间中所有物体并可以找出它们之间的关系。对于像树林这样的环境非常重要，里面有很多植物，需要逐像素地处理，所以可以根据深度把它们按正确的顺序分层。灵活性非常强，比在2D中合成还要容易。

尽管这样，Weta自己仍然不能独自完成里面所有的制作需求，所以最后在ILM、Framestore、Hydraulx、Pixel releasation Front、Blur Studio、Buf Compagne、Hybride、Prime Focus、Halon、Third Floor等公司的合作才完成。据说最终渲染的数据存储使用的硬盘存储容量为1 PB（1000 TB）。

6. 

工业光魔参与内容

其中ILM主要专注于交通工具的镜头，大约有250个。这些包括航天飞机，蝎子和直升机以及AMP服。场景包括在潘多拉丛林上空的首次飞行、航天飞机重新进入并降落在地狱之门、漂浮的山脉、车辆袭击家园树以及部分爆炸场景。

对于爆炸，在过去都是通过元素爆炸的处理手法，但是卡梅隆要求精确匹配模板，以及爆炸需要与其他CG物体交互，最好的解决方案是全CG。

这里的爆炸都是流体模拟，工业光魔使用的是之前为其他电影制作爆炸的方法。但是对其进行了修改，加入了气体膨胀体积和携带温度属性。材质球取整个体积密度网格，使它看起来像火。有一个完整的黑体辐射曲线，可以为火的制作体现所有正确的颜色和颜色梯度，且运动行为可控，能与其他CG对象互动。

《阿凡达》凭借其革命性的制作技术，打破了导演和观众之间的隔阂，让我们体验到一种全新的、发自内心的、身临其境的立体电影。据卡梅隆和他的同事说，《阿凡达》因此改变了VFX制作、观看、讨论和写作方式。难怪斯皮尔伯格称之为“情感奇观”。

好了，今天的内容就到这里吧。

全文完