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数字人C4D基础知识之九 :摄像机反求-- 摄像机校准-1  

2015-06-22 09:28:10|  分类: 基础知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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数字人动画系列-摄像机反求-1 相机校正 - 数字人 - 数字人的学习空间
 
【引言】
这张照片好玩吧?
拍摄者通过调整照相机的角度,把场景中的物体和整体背景进行“对位”,形成的这样特殊有趣的效果,下列照片也是这样:

一边看照片,一边想一想,如果摄影师是你,你是如何拍摄的?

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以下的内容作为“背景”知识,你可以不看。

电影摄制中的两种“运动”:

    在电影摄影过程中有两种运动:一种是被摄体的运动,一种是摄影机自身的运动。电影诞生的初期,卢米埃尔兄弟向世人展示“活动的照片”,这标志了电影的诞生,但当时他们并未意识到只有画面运动(被摄体运动),而没有摄影机运动,电影的魅力只被发掘了一小部分。他们的后继者发现摄影机与演员同时运动产生的惊人效果后,电影的“运动性”才被真正展现在观众面前。现代电影中“场面调度”和“机位调度”成了每位导演手中的一件利器,许多大受欢迎的影片正是很好的运用了这两点才使得电影有了无穷的魅力!

    电影摄影中这两种运动的结合可以在很大程度上帮助影片叙事的完成、风格的建立和人物的塑造。在“演员动作”与“摄影机运动”的变化组合尝试中,电影人创造出许多新颖的手法,比如「拯救大兵瑞恩」中,摄影师将摄影机绑在减振器上拍摄模拟战场的惨烈和混乱;「重庆森林」中摄影机运动加抽帧的手法以体现迷幻与紧张的追逐;「罗拉快跑」、「有话好好说」这样的影片则直接将摄影机运动作为强化影片叙事、突出影片风格的主要手段。可以说摄影机运动和演员调度的丰富组合已经被电影制作者广泛运用。

    对于一些特殊类型的影片,尤其动作类型电影,“运动”更是影片最重要的组成元素。在这类影片中,既有动作本身的美感,又有摄影机运动带来的丰富变换的视角,当两者绝妙结合在一起时,“运动”就成了影片最大的亮点。可以说,没有运动就没有电影。

     正因为“运动”本身具有如此巨大的魅力,运动形式的创新也成为电影创作者永恒的追求目标,然而对于一些变化丰富而迅速的影片段落,常规的摄影机运动拍摄方法显得有些力不从心。过去,只有通过多机位多角度拍摄、平行剪辑等手法来弥补对这类场面段落拍摄的不足。随着现代摄影技术和数字技术的发展,新的方法和技术不断被应用到摄影的运动控制这一领域中,比如Motion Control技术就是很好的将机械技术与数字技术同时应用于现代电影摄影技术的代表,它能帮助摄影师完成高精度、高反复率的画面拍摄,并与数字合成技术结合完成传统方法无法完成的复杂摄影运动。

 

摄影机运动轨迹反求技术的诞生:

    数字技术运用于电影特技需要解决的基本问题之一是运动匹配,用于解决运动匹配问题的主要技术是跟踪技术,目前已经广泛应用于画面跟踪领域的技术是二维画面跟踪技术,它几乎成为所有大型后期合成软件的必备功能之一(如Flame、Flint、Avid DS、After Effects、Shake、Combustion等等)。该技术可以精确的跟踪画面中的物体运动并进行特技合成,但它的缺点是只能针对被摄体进行跟踪,对于电影摄影的另一大主要运动——摄影机运动,则显得无能为力。

    为了解决这一问题,近年来一种新兴的技术发展起来,这就是摄影机运动轨迹反求技术。它的出现使数字特技合成技术中的运动匹配功能趋于完整,也使创作人员在创作过程中能够更方便、更精确的进行运动画面的合成。

在后期合成阶段,传统的画面跟踪技术只能跟踪“画面内”物体的运动,而对于“画面外”的摄影机运动则显得无能为力,同时,对画面中被跟踪物体的透视变化,也只能通过“四点跟踪”技术模拟出来,这和实际拍摄中的物体透视变化有本质的区别,因此当被跟踪物体出现被遮挡或出画的情况时,就往往无法完成精确的跟踪操作。

   因此,对于导演和摄影师来说,他们急需一种技术,可以将他们从前期的摄影机运动局限中解放出来,更自由,更高效,更低成本的完成影片所需要的合成效果。摄影机轨迹反求技术就是这样应运而生的。

      简单说,摄影机轨迹反求技术是根据画面中像素的明度、饱和度、色相三大要素筛选出画面中具有“特征”的像素,并跟踪这类像素的运动轨迹,从而获得在对应该画面的摄影机在每帧(格)的运动轨迹和参数变化的。

在获得这些参数后,创作人员可以在三维动画软件包中加入一个与实拍环境下摄影机运动相匹配的虚拟摄影机,从而给机位运动的画面添加合成用的3D物体或背景,得到运动匹配的图像。摄影机轨迹反求技术可以在以下几种情况下工作。

    1.创作人员精确记录下前期拍摄时的各项参数,如镜头焦距、记录帧率、运动模式等,在软件中输入前期拍摄的参数进行匹配运算。

    2.创作人员不知道前期拍摄的参数,由软件通过画幅大小、像素长宽比自动推算。

    3.与Motion Control设备交互式使用匹配参数。


【理论】

在C4D中,摄像机反求技术有两种:

一种是处理静态的“摄像机校准”标签;另一种处理动态视频的“运动跟踪”(这个更复杂)。

这一篇首先研究一下如何处理静态图片的摄像机反求技术-----摄像机校准标签的使用。


上边啰嗦半天你可能也没有搞懂,这东西有什么用?

比如,老板给你一张照片说,把这个场景逼真地给我用三维软件制作出来;或者说,把这个模型合成到这张照片中,要逼真一些。你拿过那张照片一看,场景是一个特殊的角度,你如何做?在C4D中,建模都是在世界坐标系统进行的,模型的建立也是和世界坐标系统一的。

如果你直接去做,就会如下图这样,透视角度不对!

数字人动画系列-摄像机反求-1 相机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间

 

除非你调整坐标系和照片中的那个“地板”平面一致,否则很难搞定!但是,调整坐标系一是非常费劲,二是很难保证准确。如果,我们依然在世界坐标中建立模型,用最上边的方法,调整摄像机的角度,使这个模型在摄像机里,与背景非常“契合”,那该多好啊。如果你掌握摄像机的“校准”标签,就能轻松搞定! (点睛之处,和前边扣题了。这个广告如何!数字人动画系列-摄像机反求-1 相机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间

原理如下图:

数字人动画系列-摄像机反求-1 相机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间

 

RENDERED OBJECT是在世界坐标系中制作的模型,PHOTO是背景照片,通过摄像机“校准”标签技术,计算出摄像机的一个特殊的位置,如同上边拍摄有趣照片一样,使“模型”和背景照片巧妙的一个“配合”,而相机这个位置,不用你手工调整,是靠计算机软件计算反向算出来的,非常方便吧。实际的场景如上图的右上角所示。


数字人动画系列-摄像机反求-1 相机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间

 

 计算机要反向计算出摄像机的位置,它必须至少知道图片上两个消失点(透视学中的灭点),两条线。


【案例】

还是通过一个案例说明如何操作的吧。

第一个练习:熟悉流程

下载下面练习图片,这是帮助中的练习图片,而且都已经标记好了,使用这个图片熟悉一下操作流程。

数字人C4D基础知识之十五 :摄像机反求-- 摄像机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间

 

1、在场景中建立一个摄像机。

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2、在摄像机上按右键--CINEMA4D标签---摄像机校准标签。

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3、点击该标签--属性面板--图像。点击图像--载入这张图片。 

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 4、点击最重要的面板--校准。

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5、点击“添加参考线”,场景中就出来一条参考线。

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6、用鼠标移动线的一端,通过放大镜,与红色的线对齐。

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7、调整线的另一个端点,对齐红色的标记线。

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8、按CTRL键,拖动复制一条参考线,对齐上边的红色标记线。

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9、现在完成两条参考线的对齐。这两条线通过虚拟延长,相交一点,就会形成一个“灭点”。为什么标记是红色呢?因为这个方向,我们想让它当做X方向(X轴为红色的)。

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 10、下面通过复制参考线或添加参考线都行,添加其他的标记线,并通过放大镜对齐。下图是对齐绿色的标记线(Y)

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11、下图是复制两条参考线,对齐蓝色标记线(Z).

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12、再添加一个“添加固定点”,用鼠标引动到标记为PIN的位置。这个固定点相当于虚拟平面的(0,0,0)位置。

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13、现在场景中已经添加完成7条参考线和一个固定点。看右侧的校准面板参数为红色。这告诉你,计算机还没有找到摄像机的应有位置,你必须手动告诉它。

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 14、下面开始手工解算。

 首先选择上边的参考线,按住SHIFT建更换轴向,点击一下SHIFT建,更换一次轴向。当属性面板出现XOK标记,证明这条参考线,计算机已经认为它是X轴方向了。但是X 灭点还是没有找到,因为一个灭点需要两条线才能确定。

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15、再点击下面的参考线,点击SHIFT建更换轴向,当它更换为X轴时,这两条参考线就能决定X方向的灭点,所以X方向的灭点,计算机找到了。
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16、 点击左侧的参考线,点击SHIFT键更换轴向,当显示为ZOK时,完成。我们要把这个方向当成Z方向,蓝色的。

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 17、点击右侧的参考线,点击SHIFT键更换轴向,当更换为ZOK时,所有解算完成。这是因为,计算机需要知道两个灭点即可算出摄像机的位置,也能算出Y方向。

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18、点击相机启动,点击下面的“创建摄像机映射贴图标签”和“创建背景对象”。不创建这两步,你在摄像机视图将看不到“成果”哟。
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19、建立一个圆锥模型,可以滚动鼠标中间滚轮,拉近拉远,看到它。
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20、再创建一个字体。看看它们的位置和方向和硬币的方向一致。
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21、移动一下字体看看。字体延XZ轴移动时,也和场景透视保持一致。
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22、在建立一个正方形,也是如此。
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小结:
其实,这几个模型还是在世界坐标系中建立的,只不过我们根据背景图,反算出摄像机的位置,重现调整了摄像机。从摄像机里,看到模型好像与背景的透视“契合”了。

第二个练习:进一步熟悉流程
摄像机校准可以用参考线+固定点,也可以用网格+固定点;也可以三者联合应用,以最好结果为准。
1、建立相机,添加“相机校准标签”,载入一个图片。
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2、转换到“校准”面板,这次我们用网格+固定点试一试。
数字人C4D基础知识之十五 :摄像机反求-- 摄像机校准 - 数字人 - 数字人的学习空间
  
3、图片上有两个画框,非常适合应用网格。添加一个网格,调整点,与这个画框对齐。
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4、再添加一个网格,与左侧的画框对齐。
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5、也可以调整下图这样,随你而定。
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6、添加固定点,下图为右下角。
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7、在场景中建立两个网格,你用哪一个都可以独立算出相机位置。
 我们选用左侧的网格。点击左侧网格,点击上边的平行棚顶的线,按SHIFT键切换轴向为Z,那么网格下面的线也自动为Z,Z方向的灭点就自动算出。(当然你也可以让它为X)
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8、点击左侧竖直的一条线,点击SHIFT键,切换为Y,网格右侧的竖直线自动也为Y,那么Y方向的灭点自动找到。两个灭点出现,解算完成。
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9、点击下面的“创建摄像机映射贴图标签”和“创建背景对象”。启用摄像机。
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10、创建角锥和立方体。
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11、在场景移动一下他们,模型和背景图完全“贴合”,好像这两个模型真在这个图片场景中一样。
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【总结】
这个技术适合静态图片的合成。实际上最关键两步:一是在图片相应位置建立参考线、网格、关键点;二是手工指定XYZ轴向。一般情况下计算机知道两个方向的“灭点”,它就能算出摄像机的位置。当然还有其他方法,比如某个参考线的高度或长度等等,还有很多知识,这里不再细讲,抛砖引玉,自己研究吧。

最关键是如何设置参考线和网格,C4D帮助里有几个截图,如下:
注意颜色代表的是哪个轴(X红色、Y绿色、Z蓝色)
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【后记】
1、在这大热天,摇着扇子(我不喜欢空调),流着汗水,写得够多的了,笔记本上都用汗水啊。
2、还有一些问题,比如,如何建立模型在图片背景“地面”的阴影?如何把模型打上恰当的灯光,使之非常“融合”与背景图片?当然在C4D中有很多办法解决。但我想,最好的办法就是把这个放置好的、打好光的模型输出成一个PSD文件,然后到PS中与背景图片去合成,这样做是正路子。因为图像合成,PS是老大,能够处理的非常逼真。
3、这种“摄像机校准”技术,对于客户拿一张照片,让你在三维软件中制作立体场景非常有用。这方面,有机会,我再编写一个教程,根据一张室内照片,制作一个和照片一样的虚拟场景,将非常好玩。
4、下一篇研究:摄像机反求技术--视频部分--MOTION TRACKER--运动跟踪,这个技术对于从事C4D+AE的影视制作有帮助。请等待......
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