摘要： 本文提出了一种全数字式的实现“时间冻结”影视特技视觉效果的制作系统。简要介绍了素材拍摄系统设计方法、构成及功能。同时，着重讨论了“时间冻结”特效后期制作中的关键技术，及其具体的实现思路与方法。由于系统采用了全数字化的设计思想，大大提高“时间冻结”影视特效的制作效率，降低了制作成本，可应用于数字影视、数字游戏和数字广告等制作领域，以及教育和培训领域。
   关键字： 时间冻结、视频合成、抠像、特效
Abstract ： A full digital “time frozen” video special effect production and design system is presented, in this paper. The approach, structure and function of the shooting and collecting system are introduced briefly. The key techniques in the postproduction process of time frozen effect is discussed, and the idea and approach of its realization is presented. Due to the system is designed and realized by full digital way, the efficiency of time frozen video effect production is more improved, and it is properly applied in the fields of film & TV, advertising and game digital production, such as in the field of the professional education and training.
Keywords ： time frozen, video synthesis, key, special effect

1  引 言
   数字技术给影视制作带来了革命性的变革，特别是计算机技术、图形图像技术和数字视音频技术为影视特效的制作提供了更有效、更便捷的手段，大大拓展了影视视觉艺术创作的空间。
   时间冻结(Time Frozen) 是应用于影视制作中的一种特殊视觉效果，它首先采用照相机阵列（往往采用传统的模拟单反相机构成），以被摄体为中心，将照相机按一定的间隔排成一圈、一排或曲线排列，通过计算机控制快门，在同一瞬间(或等时间隔或不等时间隔)进行拍摄，如图1所示。然后借助于图像图形技术把得到的不同角度的系列静止画面编辑在一起，组成相联接的影像，叠加三维虚拟场景，创造出各种不同的特技效果和奇幻场景，给观众以极大的视觉冲击。这些影像也可与现场的摄像机拍摄的影像进行特技合成。

   本文提出了一种全数字的“时间冻结”影视特效设计制作系统，着重讨论了“时间冻结”影视特效制作中的素材拍摄与采集和图像处理与合成两个主要技术环节。介绍了素材拍摄与采集系统的设计思想与实现方法，以及在后期制作过程中的图像处理与合成的关键技术。

2  素材拍摄与采集
2.1 拍摄与采集系统的构成
   本系统主要由照相机阵列模块和主控制模块构成，其结构框图如图2所示。其中主控模块的功能主要有两个：一是控制相机阵列实现各种不同的拍摄模式（如：同时拍摄、顺序拍摄等）并完成素材的自动采集。二是考虑到整个系统的交互性、可视性和可操作性，该模块可使用户通过界面操作完成拍摄和采集的全过程。

   主控模块的核心是一个嵌入式控制电路，扩展并行输入输出接口，输出端口用来连接照相机的快门电路；输入端口用来输入拍摄模式选择控制信号及“有间隔拍摄”时的间隔时间参数等。考虑到在某些特殊场合下，启动拍摄是由外界触发的，比如演员起跳时触动一个压力传感器，使其发出拍摄信号，因此本系统还利用若干输入端口接收传感器、红外等外界发出的拍摄触发信号。嵌入式控制电路采用串行口电平转换电路与工作站连接，实现数据的双向通信。
   相机阵列除了固定在支架上的数十架相机外，还包括相机对焦系统。要将多台数码相机拍摄的图像连接成为一段清晰连续的视频，要求各个相机拍摄的图片要相对相似，主体对象要相对稳定在一定的位置上，因此需要对多台相机精确定位。定位包括两个内容：对相机拍摄方位（俯仰角度和水平方位角度）的标定和对拍摄视角（推拉调整）的标定。
   另外，为实现主控模块对相机快门的控制以及对素材的采集，在相机阵列中还设计了快门控制单元和数据采集单元，采集到的数据通过USB接口传输至工作站。
本系统照相机阵列采用了Sony R1系列数码相机。支架则设计成可移动式、且具有多个自由度，能根据不同的拍摄要求，任意组合相机阵列的水平和垂直的摆设曲线。支架同时为每台相机配有万向云台，以满足对相机机位的不同要求。系统拍摄现场的相机阵列如图3 所示。

2.2 系统功能及操作界面设计
拍摄系统的控制，即相机快门的触发采用了自动和手动两种控制触发方式，以适应不同的特效拍摄需要。自动拍摄方式采用传感器触发，设计了红外触发方式和电磁触发方式。
无论是自动触发，还是手动控制的拍摄方式都可实现以下七种拍摄模式，即：
 同时拍摄
 等间隔顺序拍摄
 等间隔倒序拍摄
 间隔递增顺序拍摄
 间隔递减顺序拍摄
 间隔递增倒序拍摄
 间隔递减倒序拍摄

   对于所有拍摄模式均可设置拍摄前的延时时间，除“同时拍摄”模式外，其它六种拍摄模式都属于有间隔拍摄，间隔时间均可调。拍摄控制交互界面，如图4所示。触发方式、拍摄模式、拍摄间隔和延时参数等均可在界面中予以设置。
   控制电路应与工作站很好地协调工作，因此开机时应与工作站通信，获得相关指令，根据不同拍摄方式进入相应执行程序。
3  图像处理与视频合成
   利用本系统根据编导设计的影视特效分镜头脚本的具体要求，选择相应的拍摄模式，可以得到一组或几组静态图片序列的素材。在后期制作中，要实现“时间冻结”的特效效果，还需要利用相应软件平台对这些序列图片进行一定的处理与合成。
   “时间冻结”视频特效后期制作的一般工作流程主要包括四个步骤，即预处理、精细矫正与运动参数分析、运动参数导入与调整、最终合成，其流程框图如图5所示。

3.1系列图片的预处理
   多架相机拍摄得到的图片是一些静态图像，要把它们连接起来形成动态视频图像，必须将它们以“图像序列”的方式导入合成软件。这里首先要对每张图片按时间顺序进行编号，然后将这些图片以正确的时序读入合成软件，再根据将来播放的情况设置合适的视频格式，包括帧率、像素比、图像分辨率等，这样将来就可以渲染输出为某种格式的数字视频了。
   在实际拍摄过程中，由于每架相机性能的不一致性，所得图片间的亮度、色度并不完全一致，用这样的一系列图片渲染生成的数字视频必将出现闪烁现象，为此在合成软件中对每张图片的色彩和亮度都进行了校准，以求亮度和色度的基本一致。
   为将拍摄主体与三维虚拟物体或场景结合在一起，以呈现出丰富的视觉效果，在合成之前必须把拍摄主体从原实际背景中剥离出来，也就是要进行“抠像”，为此本系统设计了绿屏背景，并且在PHOTOSHOP软件中对图片进行逐张抠像。
   与此同时，系统还使用MAYA软件搭建三维虚拟场景，设计、制作了一些配合“冻结”效果的装置和动画。选用MAYA软件的好处之一是它能接收从其它图形处理软件中分析得到的摄像机运动参数，便于生成动画制作所需的虚拟摄像机。
3.2 系列图片的精细矫正和运动参数分析
   为将“冻结”效果和虚拟场景结合在一起，还要对图片进行精细矫正，并且分析出摄像机的运动参数。
   虽然本系统采用了对焦装置，但每张图片间仍难免存在着视角及空间的偏差，若不矫正，合成后的动态图像会出现抖动。为弥补这些缺陷，本系统在AFTEREFFECTS软件中对图片的位移、旋转和缩放进行了矫正。
   由于相机数量有限，矫正后的图片数量太少，连接成的视频片段时间太短，不能较好地体现“时间冻结”的效果，故必须进行“插帧”，从而达到延长时间的目的。在此系统采用RETIMER软件完成了该项工作，同时这款软件优异的矢量分析能力还能使图像的抖动得到进一步的平滑。
   为了分析出拍摄动态图像的“摄像机”的所有运动参数（包括位移、旋转和焦距等）的变化，在拍摄场地中设置了很多标记点，并且对标记点的位置进行了精确的标定，使这些标记构成了一个较为精确的三维坐标系统，为分析“摄像机”数据提供了参照坐标。在实际制作中，用MATCHMOVER软件对图片序列进行了分析，并得出所需要的“摄像机”参数。由于图片经过事先矫正，所以得到的“摄像机”运动数据还是比较平滑的。
3.3 运动参数的导入与调整
   接下来可将得到的摄像机运动数据导入到三维软件MAYA中，生成虚拟摄像机，以进行与实拍视频相匹配的三维动画的制作。当虚拟摄像机的运动仍然有抖动时，在MAYA中可利用关键帧动画的图形编辑器对相机的运动参数再次进行平滑处理，并且把焦距、Y轴的运动等一些不希望变化的参数进行人为的约束。然后把事先做好的三维场景根据相机的位置和视角做精细的调整，最后就可将做好的动画通过这台虚拟摄像机进行渲染输出了。
   在实际操作中，利用MAYA中的USE BACKGROUND节点，制作了一个遮罩物体，并且渲染输出了一个带遮罩的动画版本，这样在最终合成的时候就可以非常方便地把实拍的人物“置入”虚拟的三维空间中了。
3.4 最终合成
   经过以上步骤后，要在合成软件中把经过矢量帧计算的实拍视频和三维软件渲染出来的动画进行最终的合成。在这一过程中又进行了一些整体的矫正、对焦以及一些视觉特效和声效的添加，在此就不在一一赘述了。利用本系统及上述后期合成方法实现的时间冻结影视特效的示例，如图6所示。

4  结  论
   本文研制与开发的“时间冻结”特殊拍摄系统已在上海市职业培训中心“信息采集实训室”运行。实践表明，要达到流畅的“时间冻结”影视特技效果，除了在硬件方面进一步解决焦点一致性的问题外，还应在后期的处理、合成方法上研究新的处理与合成技术，不断改进。

参 考 文 献

[1]  Kenneth R Castleman.数字图像处理［M］.北京：电子工业出版社，1998,103-106.
[2]  Tao, Ngo Quoc; Long, Nguyen Due，A novel approach for image morphing，IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems - Proceedings, Proceedings - 2004 IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, 2004, p 97-100
[3]  张歌东，基于时间轴的电影特效现代[J]，电视技术2003年 9期：  136-141。
[4]  贺建萍，对影视数字制作技术应用的思考[J]，现代电影技术2006年 3期25-28。
[5]  聂烜，赵荣椿，张晓燕，侯云舒，张程，一种改进的基于径向基函数图像变形方法[J]，计算机科学2005年 32卷 4期：102-103。
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