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，就注定會在人類生活中占據(jù)重要地位。“虛擬現(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)身卻會發(fā)現(xiàn)這不過詹姆斯-卡梅隆建立一個虛擬星球的工具?！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。“虛擬現(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)是使用兩臺索尼HDCF950 HD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝的，呈現(xiàn)出更強(qiáng)更動感的立體效果的同時(shí)又不會令觀眾感到頭暈。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)觀察演員的動作與虛擬世界的交互。例如，電影《阿凡達(dá)》中，在運(yùn)用動作捕捉技術(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個數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成，形成一個捕捉舞臺。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)動進(jìn)行組合分析，得出整個鏡頭的立體模型。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 動作捕捉技術(shù)

CG動畫大都是采用動作捕捉（Motion Capture）技術(shù)。這種用于動畫制作的運(yùn)動捕捉技術(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作以改進(jìn)動畫制作效果。1988年， SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運(yùn)動和表情的系統(tǒng)。典型的運(yùn)動捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：傳感器、信號捕捉設(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)動捕捉、聲學(xué)式動作捕捉、電磁式動作捕捉和光學(xué)式動作捕捉。

2.4 表演捕捉技術(shù)

表演捕捉（Performance Capture Workflow）技術(shù)，與“動作捕捉”非常相似，區(qū)別在于前者能夠完全捕捉演員的肢體動作甚至于面部表情，將真人演出影像與電腦動畫結(jié)合，令動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)微變化都不會錯過。

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)，需使用多臺放映機(jī)，并通過電子連鎖同步系統(tǒng)保證多臺放映機(jī)及1臺（或多臺）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)）與多臺放映機(jī)同時(shí)起動、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)的動感平臺，是集液壓、電器自動化控制、計(jì)算機(jī)動畫為一體的高科技系統(tǒng)工程，當(dāng)觀眾坐在平臺載體上，整個載體能上下升降，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載體的活動，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€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