劉鑫，張昕

(中國傳媒大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，北京100024)

1 引言

隨著3D游戲引擎的發(fā)展，游戲的畫面質(zhì)量幾乎可以和電影相媲美?，F(xiàn)如今，游戲制作和電影大片的界限也逐漸模糊。游戲中的虛擬攝像機(jī)和日益強(qiáng)大的游戲引擎使游戲和電影的結(jié)合成為了可能［1］，游戲電影［2］的前景十分可觀。

國外已經(jīng)生產(chǎn)出許多成熟的游戲電影作品。由《魔獸世界》衍生的《遠(yuǎn)古傳說3》就是十分出色的游戲電影之一，它在玩家中掀起了很大反響并被譽(yù)為《魔獸世界》游戲電影的史詩般作品。由動作劇本改編的《復(fù)仇者聯(lián)盟》在視覺上也有一定的沖擊力?？梢赃@么說，該電影無論是在熒幕色彩，劇情設(shè)計還是配音和字幕等方面都做得非常好。在國內(nèi)也已經(jīng)涌現(xiàn)出比如由石頭熊游戲視頻工作室出品的《誅仙》系列游戲電影，夢羅浮的《天堂2-英雄時代》和其他熱門的游戲電影［3］。

虛擬攝像機(jī)在游戲電影的制作中扮演著十分重要的角色，如何對虛擬攝像機(jī)進(jìn)行控制是有待解決的首要問題。有三種方式去控制一個虛擬攝像機(jī):手動控制、全自動控制和半自動控制。

人工控制是最方便的一種控制方式，利用這種方式使用者只需要利用鼠標(biāo)或者鍵盤就可以輕松控制他的虛擬攝像機(jī)。然而，手動控制虛擬攝像機(jī)也有許多的缺點:攝像機(jī)可能會顫動或搖擺，攝像機(jī)的視角可能變化的不均勻，或者攝像機(jī)可能會沿著一個不準(zhǔn)確的路線移動等等。例如，在《遠(yuǎn)古傳說3》和《復(fù)仇者聯(lián)盟》中偶爾會出現(xiàn)屏幕抖動，《天堂2-英雄時代》和《誅仙》的畫面看起來略生硬、有時會抖動并且攝像機(jī)缺乏速度控制等。

在游戲引擎中，電影工作者可以通過編寫腳本來確定一個虛擬攝像機(jī)的移動，然后讓這些腳本自動控制攝像機(jī)。全自動控制方式避免了上述手動控制的缺點，并能讓攝像機(jī)拍攝穩(wěn)定準(zhǔn)確和高效。但是這種控制方式通常利用人工智能算法［4-6］去設(shè)計攝像機(jī)的移動軌跡［7］，因此它拍攝出來的鏡頭可能并不是游戲電影導(dǎo)演所期望的。

第三種方式半自動控制方式既能保留全自動控制的優(yōu)點，同時又能給予游戲電影導(dǎo)演更多的創(chuàng)作自由。它的主要原理是:讓攝像機(jī)控制算法參數(shù)化，讓游戲電影導(dǎo)演可以設(shè)定并調(diào)整這些參數(shù)來實現(xiàn)攝像機(jī)的運(yùn)動。然而，編寫一系列的控制腳本并為每個鏡頭逐個調(diào)整參數(shù)的工作量巨大。

本篇論文從參數(shù)角度把攝像機(jī)的控制算法進(jìn)行分離，抽象出一個通用的攝像機(jī)控制腳本(GCCS)。有了這個通用的控制腳本，游戲電影制作者不再需要為不同的鏡頭逐個編寫腳本了。除此之外，論文還介紹了電影視聽語言的理論知識來確定攝像機(jī)的運(yùn)動模式，它也是GCCS的參數(shù)之一。因此，無限的攝像機(jī)運(yùn)動方式被歸納為一個有限的攝像機(jī)語言集合，它可以被電影導(dǎo)演反復(fù)的使用。論文在最后總結(jié)了在Unity3D游戲引擎中的數(shù)據(jù)物體集，其中的每一個都代表著一種通用的攝像機(jī)語言(在后面也被稱作“電影語言預(yù)置件”或“CLP”)。利用這套技術(shù)，工程師只需要復(fù)用一個CLP并把它作為參數(shù)傳給GCCS就可以完成一個游戲電影的鏡頭，這樣大大減少了半自動游戲電影拍攝的工作量。

2 虛擬攝像機(jī)概述

正如電影利用攝像機(jī)引導(dǎo)觀眾去了解故事一樣，游戲引擎里的虛擬攝像機(jī)用來給玩家展現(xiàn)游戲中的世界。人們可以通過控制虛擬攝像機(jī)來拍攝他們想要的游戲場景。

2.1 利用游戲引擎制作游戲電影的技術(shù)支持

通用的游戲引擎具備創(chuàng)造一個虛擬世界的全部條件，它可以模擬重力和其他基本的物理原理，可以決定物體的運(yùn)動方式并能讓智能物體對環(huán)境做出響應(yīng)。在游戲引擎中，游戲電影導(dǎo)演可以像操作真實攝像機(jī)一樣操作虛擬攝像機(jī)進(jìn)行自由運(yùn)動并改變視角。

2.2 游戲引擎里的虛擬攝像機(jī)

真實的攝像機(jī)可以被安放在場景中的任何位置并可以輕松調(diào)整參數(shù)去獲得滿意的畫面，虛擬攝像機(jī)亦如此［8］。在游戲引擎里，虛擬攝像機(jī)是一個特殊的物體，它可以被放置在場景中的任何角落。你可以設(shè)置它的位置、旋轉(zhuǎn)角度、景別、投影和其他參數(shù)去獲得你想要的鏡頭。

2.3 游戲電影拍攝輸出

由虛擬攝像機(jī)拍攝出來的視頻可以在計算機(jī)顯示器上渲染。利用視頻錄制軟件，如 Camtasia Studio、KKCapture等來錄下顯示器上的視頻，然后把它保存成合適的視頻格式。這些視頻文件可以被用作可編輯的游戲電影素材的一部分。因此，在錄制前需要設(shè)定好合適的屏幕尺寸和視頻錄制方式。

3 Unity3D游戲引擎概述

半自動虛擬攝像機(jī)控制技術(shù)是基于Unity3D引擎實現(xiàn)的。游戲引擎是游戲的開發(fā)平臺，Unity3D是現(xiàn)在廣泛利用的一個游戲引擎。Unity3D有許多顯著的特點，包括完整的編輯器、跨平臺發(fā)布功能、地形編輯器、材質(zhì)編輯器、腳本模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、物理模塊、版本控制和其他特點等。

3.1 Unity3D游戲引擎腳本編寫

在Unity3D游戲引擎中，游戲場景中的所有物體都是GameObject(游戲物體)的實例。一個游戲物體上可以附加許多組件，這些組件描述了游戲物體的不同屬性。被附加到游戲物體的組件繼承于Component Class(組件類)。程序員寫的腳本繼承于MonoBehavior類，它是組件類的一個特殊的子類。圖1用UML語言描述了在Unity3D游戲引擎中GameObject、Component和 MonoBehavior的關(guān)系。

圖1 在Unity3D游戲引擎中GameObject、Component和MonoBehavior的關(guān)系

在Unity3D游戲引擎里，Camera(攝像機(jī))是個特殊的游戲物體?？梢酝ㄟ^編寫腳本并把它們作為組件附加到攝像機(jī)上來進(jìn)行控制。

3.2 Unity3D游戲引擎里虛擬攝像機(jī)的技術(shù)支持

幾乎所有的游戲引擎都可以為游戲電影制作提供支持，Unity3D也不例外。最重要的是，我們可以在運(yùn)行時給攝像機(jī)添加Unity腳本或是去掉它，這使得操控攝像機(jī)變得更加靈活方便。Unity攝像機(jī)的屬性繁多，這些屬性可以在在設(shè)計期通過游戲編輯器去進(jìn)行設(shè)置，并且可以在運(yùn)行期通過腳本去調(diào)整和改變。圖2展示了Unity3D游戲編輯器中的攝像機(jī)屬性。

Unity攝像機(jī)最重要的屬性是視野，裁剪平面，透視和消隱遮罩。在游戲電影制作過程中，攝像機(jī)的某些屬性會在運(yùn)行時因為腳本的控制而發(fā)生相應(yīng)改變。

圖2 在Unity3D游戲編輯器中攝像機(jī)的屬性

4 游戲電影虛擬攝像機(jī)的半自動控制技術(shù)

4.1 攝像機(jī)控制腳本

一般來說，要使虛擬攝像機(jī)按照一定的方式自動運(yùn)動進(jìn)行拍攝的話，首先需要為這個虛擬攝像機(jī)寫一個控制腳本。然而在游戲電影制作時，有大量的攝像機(jī)運(yùn)動方式需要具體確定，顯然為每一個鏡頭單獨(dú)編寫腳本是如此冗繁的工作。因此減少編寫代碼的工作量是游戲電影制作的關(guān)鍵任務(wù)。

通過對大量攝像機(jī)控制算法的觀察，發(fā)現(xiàn)這些算法的不同之處在于一些參數(shù)數(shù)據(jù)，也就是攝像機(jī)運(yùn)動和改變方式。因此可以把屬性從攝像機(jī)控制腳本中分離出來并抽象出一個通用的腳本。有了這個通用攝像機(jī)控制腳本，游戲電影制作者不再需要為鏡頭逐個寫腳本。他們所要做的就是為每一個腳本確定不同的攝像機(jī)運(yùn)動參數(shù)。

4.2 游戲電影的半自動拍攝步驟

利用通用攝像機(jī)控制腳本，可以將游戲電影的半自動鏡頭拍攝歸納為以下步驟:

1.準(zhǔn)備虛擬攝像機(jī):把通用攝像機(jī)腳本附加到攝像機(jī)物體上。

2.為攝像機(jī)準(zhǔn)備“攝像機(jī)運(yùn)動路徑”(CMP):為了使攝像機(jī)自動運(yùn)動，我們需要為它確定一個運(yùn)動路徑，也就是說在設(shè)計時，我們需要在游戲場景里手動放置一系列的結(jié)點來確定這條路徑。

3.為攝像機(jī)準(zhǔn)備“目標(biāo)運(yùn)動路徑”(LTMP):為了讓攝像機(jī)可以在正確的視角拍攝，我們也需要為攝像機(jī)的目標(biāo)物體確定一個運(yùn)動路徑。路徑上的結(jié)點也是需要在設(shè)計時在游戲場景中手動添加。

4.為攝像機(jī)準(zhǔn)備“屬性改變路徑”(CPCP):攝像機(jī)的位置和視線會隨著已定義好的路徑改變，攝像機(jī)的屬性也會同時相應(yīng)地發(fā)生改變。因此，需要依照拍攝時通用攝像機(jī)控制腳本對攝像機(jī)屬性的改變而配置一組屬性值。通常在運(yùn)行時刻攝像機(jī)的兩個屬性會改變:視野和裁剪平面。

5.為攝像機(jī)準(zhǔn)備觸發(fā)器:鏡頭觸發(fā)器的作用是確定一些條件，當(dāng)條件滿足時，虛擬攝像機(jī)開始自動拍攝。碰撞機(jī)制通常被用來觸發(fā)自動攝像機(jī):把一個會對碰撞事件發(fā)生響應(yīng)的特殊物體放置到游戲場景中，當(dāng)攝像機(jī)碰到這個物體，通用攝像機(jī)控制腳本便會附加到被觸發(fā)的攝像機(jī)上。攜帶通用攝像機(jī)控制腳本的一些屬性，如上面提到的 CMP、LTMP和CPCP，是觸發(fā)物體的另一個職責(zé)。當(dāng)攝像機(jī)碰到觸發(fā)器時，觸發(fā)器所攜帶的屬性便會傳送到通用攝像機(jī)控制腳本中。

在上述過程中，步驟(1)和(5)比較簡單。為了完成不同的鏡頭，必須為通用攝像機(jī)控制腳本準(zhǔn)備不同的參數(shù)，這個過程就是步驟(2)、(3)和(4)。為通用攝像機(jī)控制腳本準(zhǔn)備參數(shù)是十分繁重的工作，因為這需要仔細(xì)地用手動去一一確定這些路徑。這樣的話，減少為通用腳本準(zhǔn)備參數(shù)的工作量是游戲電影制作的關(guān)鍵任務(wù)。

4.3 視聽語言介紹

在電影藝術(shù)里，鏡頭是組成電影的元素，它是由攝像機(jī)從開機(jī)到關(guān)機(jī)所拍攝下來的一段連續(xù)畫面。電影是由鏡頭按照次序排列組成的［9］。攝像機(jī)語言(CL)是以一種特殊固定的運(yùn)動模式來定義的鏡頭序列，它可以用CMP、LTMP和CPCP進(jìn)行描述。事實上，電影導(dǎo)演常用的鏡頭語言數(shù)目是有限的，例如推拉鏡頭、搖移鏡頭、俯仰鏡頭、跟鏡頭等等［10］。因此無限的攝像機(jī)運(yùn)動可以被分類成一個有限的集合，集合里的元素都可以被電影語言所描述。因此攝像機(jī)運(yùn)動的參數(shù)集合便從無限減變成為有限。

4.4 在Unity3D中虛擬攝像機(jī)語言集合

因為攝像機(jī)語言可以被CMP、LTMP和CPCP所描述，那么便可以抽象出一個三元組來表示一個攝像機(jī)語言:

{CMP，LTMP，CPCP}

在Unity3D里，可以用一個特殊的游戲物體來裝載上面描述的三元組信息，然后將這個游戲物體裝載到一個“預(yù)制件”中(Unity3D的一種機(jī)制)，它可以被存儲，分享和復(fù)用。電影語言在預(yù)制品中的結(jié)構(gòu)可以如圖3表示。

如圖3，“攝像機(jī)語言”，“攝像機(jī)運(yùn)動路徑”，“視野目標(biāo)運(yùn)動路徑”和“路徑結(jié)點”都是Unity3D中GameObject的實例。在這個圖示中，尾部帶有菱形形狀的線在UML語言中表示聚合關(guān)系，這表示“攝像機(jī)語言”包含“攝像機(jī)運(yùn)動路徑”和“視野目標(biāo)運(yùn)動路徑”，而“攝像機(jī)運(yùn)動路徑”和“視野目標(biāo)運(yùn)動路徑”也擁有它們自己的子物體“路徑結(jié)點”?！皵z像機(jī)屬性改變路徑”以特殊的格式保存在配置文件里。

圖3 攝像機(jī)語言的三元組機(jī)構(gòu)

在Unity3D里，復(fù)用一個預(yù)制件是十分容易的。你可以在設(shè)計時把它拖到游戲場景中或在運(yùn)行時提到它。為了簡化準(zhǔn)備參數(shù)的工作，我們?yōu)槊恳粋€攝像機(jī)語言都配置一個預(yù)制件，這些預(yù)制件可以被電影制作者反復(fù)使用然后構(gòu)建出一個電影語言預(yù)制件集(CLP)。有了這個集合，當(dāng)游戲電影導(dǎo)演想到實現(xiàn)一個攝像機(jī)語言的時候，他僅僅只要從這個集合中挑選相應(yīng)的CLP而無須再從零開始地準(zhǔn)備攝像機(jī)運(yùn)動參數(shù)了。導(dǎo)演在使用CLP時，他可能會做一些細(xì)微調(diào)整來保持個性或者去適應(yīng)復(fù)雜的拍攝環(huán)境等等。

5 技術(shù)應(yīng)用

最近我們開發(fā)了一個基于Unity3D引擎的3D游戲“中國航母瓦良格”。為了宣傳，我們?yōu)檫@款3D游戲制作了游戲電影。在這個游戲電影里，我們用虛擬攝像機(jī)搖攝整個畫面(圖4)，用推拉鏡頭來拍攝瓦良格甲板上的武器(圖5)，用俯視鏡頭鳥瞰瓦良格全景。我們還使用這些技術(shù)對其他移動的物體拍攝了鏡頭，例如飛機(jī)和導(dǎo)彈等。該游戲電影中的所有鏡頭都是基于通用攝像機(jī)語言腳本和CLP庫來完成的。

6 總結(jié)

在制作游戲電影時如何準(zhǔn)確、高效又自由地控制虛擬攝像機(jī)是本文討論的重點。為此本文提出了一種新的技術(shù)來滿足這個需求。這項技術(shù)的核心思想包括三點:(1)把參數(shù)從攝像機(jī)控制算法中分離出來并得到一個通用的算法;(2)無限的攝像機(jī)運(yùn)動參數(shù)可以被分類成一系列有限的攝像機(jī)語言集合;(3)為每一個攝像機(jī)語言配置一個可以被電影制作者反復(fù)使用的可復(fù)用的預(yù)制件。第一點避免了電影制作者為每一個鏡頭逐個編寫腳本。第二和第三點為游戲電影制作者想要描述攝像機(jī)的運(yùn)動方式時提供了一個自由且高效的方式。

圖7 跟鏡頭

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