《阿凡达：水之道》的技术之道

本文选自《电影艺术》2023年第1期

贾云鹏

北京邮电大学数字媒体与设计艺术学院教授，

研究领域为数字影像设计

张若宸

北京邮电大学数字媒体与设计艺术学院讲师，

研究领域为数字影像设计

摘 要：从电影技术发展与创新的视角对《阿凡达》和《阿凡达：水之道》进行比较研究，可发现后者的技术升级。计算机生成图像、3D融合摄影、协同摄影等技术进步给电影艺术表现带来提升；《阿凡达：水之道》中的水下3D拍摄技术和水下动作捕捉技术，对影片水底视效表现予以了创造性支撑；CINITY放映技术系统也为影片最终呈现在观众面前增色不少。《阿凡达：水之道》的技术创作以及电影前沿技术发展能给中国电影业发展带来重要启示。

关键词：电影视效 计算机生成图像 虚拟形象 水下拍摄系统 CINITY放映技术

2009年《阿凡达》横空出世，以杰出的艺术设计与技术表现，构建出天马行空的外星文明、精美绝伦的视觉效果，也将3D立体电影技术推向了一个崭新的价值高峰，并刷新了商业影片的票房纪录。13年后，《阿凡达：水之道》的创作团队借CGI技术、3D立体技术、运动捕捉技术、高动态范围成像技术、高帧率高分辨率影像技术，为观众带来了一场新的视听奇观和心灵奇景。21世纪以来，计算机生成图像（Computer-generated Imagery，CGI）技术的不断成熟对电影艺术形态的影响日益增强，由后期介入转向全流程介入，并渐渐演变成电影创作工艺流程的主线。¹早在《泰坦尼克号》的创作期间（1995—1997年），詹姆斯·卡梅隆就已完成了《阿凡达》电影剧本的初稿，渴望为观众讲述发生在地外星球“潘多拉”的传奇故事，但当时技术难以支持他完成作品。直到2007年前后，随着表演捕捉（Performance Capture）、3D融合摄影（3D Fusion Camera）、协同摄影（Simulcam System）三项技术的成熟，《阿凡达》的创作才得以正式开展。

导演詹姆斯·卡梅隆的每部代表性作品（如《深渊》《终结者2》《泰坦尼克号》等）都推进了电影技术的革新。而《阿凡达：水之道》更是在《阿凡达》的基础上，实现电影视效技术和艺术表达的再次升级。

（一）为虚拟角色注入灵魂

**部《阿凡达》中，制作团队虽已经制作出栩栩如生的外星种族纳威人形象，但仔细观察仍可以发现角色的不真实之处。例如纳威人不会流汗、其皮肤也不像现实中的人类一样细腻多变。²而在《阿凡达：水之道》中，CG虚拟形象的质感、光影、神情等艺术表现上超越了前作，也超越了《复仇者联盟》系列、《侏罗纪世界》系列、《霍比特人》系列等视效大片的制作标准。故事内容方面，则更加关注人物的情感与情绪的表达，围绕纳威人的家庭、亲情、友情、隔阂、误解、贪婪、仇恨等情感线索展开。

为支撑《阿凡达：水之道》中高精度、大体量虚拟角色的CG制作，负责视效的维塔公司（WetaDigital）开展了庞大的算法研发工作。美国技术专利检索网站的数据显示，近三年维塔获批专利84项，³主要集中于生物类视效、光影渲染算法、流体与燃烧特效、动作捕捉硬件与算法等领域。颅骨表面算法（systems and methods for generating a skull surface for computer animation）⁴由维塔在2021年初开始应用于虚拟角色CG制作中，这个算法系统能够基于对人类面部40多块骨骼肌、7根主神经的解剖结构的数据学习，快速完成用于虚拟角色表情制作的颅骨、肌肉系统、皮肤等结构的模拟，极大提高三维人物表情制作的结果与效率。

《阿凡达：水之道》中虚拟角色的三维美术制作精度，在近五年内也可谓无出其右。尽管截至本文撰写时，尚无官方的可靠数据信息，但结合上一部詹姆斯·卡梅隆担任制片人的影片《阿丽塔：战斗天使》的相关数据，就可窥一斑而见全豹。“阿丽塔”是影片中完全由CG视效打造的人物，拥有132000个通过CGI技术制作的毛发——其中包括2000根眉毛和480根睫毛，而仅仅她的一个眼球模型就由900万个多边形组成。⁵这一极高精度的三维美术制作标准无疑沿用至《阿凡达：水之道》中，影片中主要的虚拟角色数量达到了11个，且制作细节度都在阿丽塔之上。

作为构建虚拟形象表演的硬件技术基础，《阿凡达：水之道》的面部捕捉设备也进行了升级。在传统经典的技术标准下，演员的面部捕捉系统通常使用一个摄像头进行采集。而在卡梅隆监制的《阿丽塔：战斗天使》中，就已开始同时使用两个高清摄像头以及更多的定位点进行面部表情捕捉（见图1和图2）。这一方法能够让角色眼皮、眼角、眉头、嘴角等部位的褶皱和细节呈现得更加清晰、生动。《阿凡达：水之道》中的角色表情也沿袭了这种高标准的制作。

图 1 “阿丽塔”的面部捕捉

在技术算法、三维美术、硬件设备的支持下，13年后的《阿凡达：水之道》为纳威人注入了灵魂。观众在大银幕上所看到的，不再仅仅是能说会动的CG人物，而是严谨的父亲、慈爱的母亲、睿智的长者、顽皮的孩子。顷刻之间，真人演员眼眉和言语的表演，就赋予了虚拟形象非凡的艺术表现力。在许多对话场景中，细腻的画面表现效果就像摄影机真的架设于纳威人的面前，拍摄他们之间发生的故事，给观众带来绝对的感官真实。同时，也使观众更深入地理解纳威人爱好和平、亲和自然的生活习惯及文化特点。《阿凡达：水之道》也通过虚拟形象完成了超越时空逻辑、挑战认知理性的故事表达，例如《阿凡达》里的反派头目迈尔斯·库里奇上校，在第二部中以神似其扮演者斯蒂芬·朗（StephenLang）的纳威人形象复活，率领一只合成体精英部队进入潘多拉星球追杀主角杰克；**部影片中饰演格蕾丝·奥古斯丁博士的西格妮·韦弗（SigourneyWeaver）在第二部中以少女琪莉形象回归。

（二）拓展虚拟世界的真实维度

从某种意义上来说，电影是关于“时空”和“相信”的艺术。《阿凡达》作为致力于构建完整世界观的系列科幻电影，让观众通过银幕空间获得对虚拟世界的真实体验，是其重要的视听表达追求。从《阿凡达：水之道》的呈现效果来看，创作团队不仅让虚拟角色获得了生命，更让虚拟角色与虚拟世界的交互也极其生动，并不断运用高精尖的前沿技术提升真实感的维度。

首先，是对水的表现。在真实世界中，水体在不同比例、体积、运动、光照下会呈现不同的效果。海洋、溪流、水洼、波浪、激流等，虽然都是水体，但从视觉观感上却相距甚远。在电影中，水体在不同景别下所呈现的视觉效果也有所差异。使用CGI技术模拟不同景别的水体效果，也有不同的制作难度。一般而言，景别越全，水体的CG制作更侧重整体性，可在合理的视觉接受基础上忽略部分波纹和泡沫的细节，因而制作难度较小。相反，景别越近，水体的质感细节也更加复杂。并且，近景水体在与人物、道具、衣物等产生互动时，也会出现更为复杂的视觉变化，稍有不慎就容易让影片画面脱离真实。因此，大多数以CG方式制作的水体，常出现在大全景、全景等交代大场面的镜头中。而涉及人物出水、近处海面等内容时，大多以实拍的方式进行表现。对詹姆斯·卡梅隆而言，他的创作目标是构建一个完整的潘多拉星球，并讲述发生在上面的故事。因而，《阿凡达：水之道》中大量的海洋场景，以及发生在海洋中的水，都必须可控并且服从于艺术表达的需要，因此使用CG特效进行制作是必由之路。为此，维塔团队开发了大量技术算法以解决水体模拟中的具体问题。例如，乔尔（Joel Wretborn）等在2022年发表的论文中给出了一种流体模拟方法，用于增强气泡和泡沫的细节。⁶相较于传统方法，这项研究给出了更优秀的气泡视效模拟、气泡与流体之间相互附着运动模拟的解决方案，提升了水体视效的真实性（见图3）。泡沫虽小，但丰富的变换却能让海洋的波涛更具力量感，也能更好地表现纳威人骑乘水中生物的灵动感，或表现类鲸生物图鲲在水中动作的力量感。

图3 乔尔等的泡沫模拟技术效果

图4 水之道剧照——全 CG 的虚拟场景

其次，是画面内CG占比的进一步扩大。在《阿凡达》的许多丛林、室内、飞船等场景中，占画面20%—30%的前景树木、植被或座椅、操控台等内容，都由实体美术部门进行搭建和制作，再与CG视效进行合成。为了追求更高维度的“虚拟真实”，《阿凡达：水之道》舍弃了许多能够降低成本的实拍代替方案，而采用了100%全CG的方式完成画面制作。在杰克教导儿子使用弓箭的丛林场景中，我们能够清晰地看到虚拟角色踩踏植物的交互，感知前景藤蔓和蕨类植物对视线的遮挡，以及后景植被中奈蒂莉慈爱的目光。树木、溪流和人物，完美地融合在3D银幕中，为观众呈现纳威人家庭世代和谐的生活片段（见图4）。当镜头跟随人物“跃入”水中时，纵横交织的水下植被和珊瑚礁、穿梭于前景与远景的奇幻海洋生物，为观众带来奇妙水下观感的同时，也表现出杰克一家的孩子们初离丛林而至海洋时的好奇心。影片基于视听观感的真实体验，在强大视效技术和庞大CG制作体量支撑下，被植入了观众的内心。

从《深渊》《泰坦尼克号》等作品中，我们能够看到詹姆斯·卡梅隆导演对水的娴熟驾驭。而在现实生活中，卡梅隆也痴迷于潜水运动。2012年，他甚至乘坐深海潜水艇，抵达了世界海洋的最深处——马里亚纳海沟。在《阿凡达：水之道》中，卡梅隆为实现最杰出的水下表演和视效，再一次向水进行挑战，并实现了对电影技术的革新。创作之初，团队所面临的**个重大难题就是如何将所有的技术系统（表演捕捉、3D摄影机等）搬到水下。为此，技术团队专为电影研发了一套水下拍摄系统。卡梅隆曾在采访中透露，仅这一系统的研发就耗费了5年时间。⁷

（一）水下动作捕捉系统

水下动作捕捉的传统解决方案为“dry for wet”（陆上模拟水下，见图5），演员们通过威亚悬吊在陆地上模拟水下环境，然后通过后期合成实现身处水中的效果。然而，空气与水体环境存在差异，演员运动所受的浮力和阻力也不尽相同，因此“dry for wet”最终的动作呈现效果必然存在生硬和不自然的问题。并且，演员头发、衣物的浮动，也需要再次独立模拟并制作，在最终的画面合成时难免会产生割裂感，从而影响影片的真实感。据片方提供的资料显示，为极尽可能地模拟真实海洋环境，《阿凡达：水之道》的制作团队搭建了一个90万加仑（约340万升）容量的水箱，并且在其中配置了一个被称为“跑道”的螺旋桨系统。这个系统由两个直径6英尺的船用螺旋桨组成，可以在水箱中模拟各种浪流与海洋运动。

图 5 《阿凡达》**部中的“dry for wet”（上）、《阿凡达：水之道》中的海洋水箱（下）

图6 海洋水箱表面布置遮光塑料球

但要将动作捕捉系统应用于水下，需要解决两个问题。其一是水面波光、水的反射折射现象，会对水底的拍摄与动作捕捉数据的准确性产生影响。为此，团队花费了一年以上的时间才最终找到了解决方案：在水箱上均匀放置一层白色塑料球，以消除来自水面上方的光线对水体内部产生的影响（见图6）。其二是在水中拍摄时不能使用潜水装备，因为呼吸装置呼出的气泡会遮挡动捕系统的光学标识点，导致捕捉系统出现识别错误。因此，演员、灯光师、摄影师等主要的拍摄团队成员都需要在水下憋气，以完成拍摄工作。为了让水下表演更具信服力，卡梅隆要求演员们学习自由潜水，并需要考取潜水证后才正式开始拍摄。片中海洋部落人物罗娜尔扮演者凯特·温斯莱特曾在采访中介绍自己可在水下憋气长达7分14秒。⁸在不懈的努力下，演员们凭借精湛的游泳技术助力真实水下环境的动作数据得以捕捉，最终赋予《阿凡达：水之道》惊艳的水下表演效果。纳美人骑乘水兽遨游海底、驾驭飞鱼坐骑穿梭水下，为观众带来了无比真实自然的观影体验（见图7）。

图7 水下动作捕捉

（二）水下3D立体摄影机

水下3D立体摄影是《阿凡达：水之道》的重要创新。传统方法是先将3D立体摄影机固定在密闭的防水外壳中进行水下拍摄，但设备笨重、移动不便，难以实现镜头的灵活运动和调度。这种设备通常超过120公斤，需要通过起重机才能将其放入水中（见图8）。⁹受防水罩影响，画面易产生畸变、散光、色差等问题，许多标称4K或8K的摄影设备最终的清晰度也只能达到2K甚至更低。显然，这些问题在《阿凡达：水之道》的创作中是无法接受的。

等待合适摄影技术的出现，也是第二部《阿凡达》时隔13年才面世的原因之一。最终，卡梅隆选择了澳大利亚电影摄影师帕威尔（Pawel Achtel）在2015年发明的水下摄影装置：DeepX 3D（见图9）。DeepX 3D包含支架和两个水下外壳，并使用特制潜水镜头，能够完全浸没在水中且无须防水罩。因此能够拥有更宽的视角，同时也不会产生镜头畸变或色差。DeepX 3D的左右眼立体调整范围可达到75mm，能够满足各种范围的镜头拍摄需求。同时，它的体积小巧，重量不到30公斤，可以由一名摄影师独立操作（见图10）。借助DeepX 3D，摄影师可以专注于内容创作，而将陆地环境的拍摄技巧无缝迁移到水下。正是在水下3D立体摄影技术的加持下，《阿凡达：水之道》的水下镜头才能呈现令人惊叹的美。观影过程中，镜头推拉摇移所带来的视觉体验都与正常拍摄别无二致，而海底世界的美景纤毫毕现，令人目不暇接。

从某种意义上来看，《阿凡达：水之道》的水下拍摄系统进一步解放了电影创作受现实的束缚，让更多天马行空的灵感能够在大银幕上成为现实。影片所带来的前沿技术创新，将为整个电影行业注入新的活力。

图 8 传统的水下 3D 立体摄影机

图9 Deep X 3D 水下立体摄影机与发明人帕维尔

自2009年《阿凡达》上映以来，3D银幕数量激增，在全球范围内掀起了3D立体电影创作的热潮。然而时至今日，3D似乎已经不足以成为观众走出家门、走进影院的理由。因此，更高规格的放映标准、更加出众的观影体验，成为电影行业变革的迫切需求。《阿凡达：水之道》以4K分辨率、48帧率、1.85∶1大画幅、高动态范围等较高的影像规格进行制作，也需要更符合其高制作标准的放映技术，以最终实现震撼的视听效果。

CINITY是中国于2019年推出的具有核心自主知识产权的影院放映技术。凭借4K、3D、高亮度、高帧率、高动态范围、广色域和沉浸式声音等技术的综合优势，CINITY最终被卡梅隆团队选中，在2022年欧洲电影展会（CineEurope）上率先公开了《阿凡达：水之道》CINITY工艺版的8分钟片段。作为划时代视效电影的《阿凡达：水之道》，与高新放映技术CINITY的结合，受到众多业内人士的认可，CINITY也获得“特别技术成就奖”。

新冠肺炎疫情影响的三年，是中西方电影业低迷的三年。《阿凡达：水之道》在艺术表达与技术实现两个方面，再次提高了电影工业的标准。观其背后，作品技术之道成功的核心因素仍然归功于，团队十三年如一日在电影艺术与技术上的深厚积累。CINITY在近三年的影坛上大放光彩，无疑为中国电影技术创新的重要亮点。但与西方相比，中国电影在科幻商业类型的成熟性、在艺术表达和技术实现效果等多方面，仍然存在较大的不足。从电影大国走向电影强国，中国需要更优秀的电影作品来发声。

［本文系北京市社科基金重点项目“5G时代智能媒体与文艺创新发展研究”（批准号：20YTA002）阶段性成果。

1 陈双寅．也谈CG特效技术对电影制作的影响．当代电影，2011（12）：148-150.

2 丁鹏．虚拟制片的技术动因与美学追求探析．电影新作，2022（5）：114-120.

3 Justia Patents. Weta Digital Limited Search Patents.(2020-09-11)[2022-12-18]. https://patents.justia.com．

4 Weta Digital Limited. Systems and Methods for Generating a Skull Surface for Computer Animation.(2021-01-20) [2022-12-18]. https://patents.justia.com/ patent/11055892．

5 Hunter Harris．Alita: Battle Angel Designers Created Eyes More Vivid Than Gollum’s．(2018-12-14) [2022-12-18].https://www.vulture.com/2018/12/alitabattle-angels-cgi-eyes-behind-the-design.html．

6 Joel Wretborn, Sean Flynn, and Alexey Stomakhin. Guided Bubbles and Wet Foam for Realistic Whitewater Simulation. ACM Journals , 2022,41(4):1-16.

7 央视网．詹姆斯·卡梅隆不迷信技术 为观众营造真实感最重要．（2022-12-12） [2022-12-18]. https://tv.cctv.com/2022/12/12/VIDEz3yXhCUi8TOMDmbkqZKq221212. shtml．

8 Jack Shepherd．Kate Winslet Reveals the Biggest Challenge She Faced Making Avatar: The Way of Water - and It wasn't Holding Her Breath．（2022-06-18）[2022-12-18].https://www.gamesradar.com/kate-winslet-interview-avatar-way-of-water．

9 Yossy Mendelovich．The Underwater Cinematography Behind Avatar 2: 3D Beam Splitter and Nikonos Lenses．(2022-10-24) [2022-12-18]. https://ymcinema. com/2022/10/24/the-underwater-cinematography-behind-avatar-2-3d-beamsplitter-and-nikonos-lenses．

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