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本帖最后由 orange_ 于 2019-1-31 14:00 编辑
引言
替身演员一直以来都是电影拍摄过程中必不可少的的角色。无论是在以前还是在现在，演员在电影拍摄过程中，一旦涉及到武打、爆炸等危险性较大的情节设计，稍有不慎，一旦演员有所差池对剧组造成的损失都是难以挽回的，因此替身的存在是必须且合理的。随着拍摄内容的增多与需求变更，更是产生了各种各样的替身。当下随着计算机图形学的发展，数字替身应运而生，为此，笔者将在此探讨当下数字替身的作用和具体的工作流程，并会以相应的具体电影为案例，探讨数字替身的具体工作流程和一些具体的细节。
1 传统替身在电影的发展简史及现状
替身自古以来便有着它不可替代的作用，从中国四大名著《三国演义》里让人津津乐道的草船借箭的故事，利用对方的信息量不够充足的情况下，用稻草人替身了士兵，借来了所谓的十万弓箭。而在电影中，更是如此，如电影《见龙卸甲》刘德华的替身演员杜奕衡，在拍摄一场马戏时，差点被失控的战马踩死。可以看出，若果没有替身演员，电影剧组可能会因为一个小小的不慎便造成难以挽回的损失。而如今，影视作品的蓬勃发展使得替身的分类变得更加全面，可以分为以下五大类：
①文替 ②武替 ③光替 ④裸替 ⑤手替
文替即文戏替身，主要工作是拍摄主演“不露脸”的戏份。
武替即武术替身，主要工作便是代替演员拍摄武打等高难度动作戏份，往往是由一些具有武术功底的演员承担。
光替即灯光替身，主要的工作为代替演员站位，以便灯光师调整灯光。
裸替即LT替身，往往是针对女演员，由替身担任正身女演员不愿被拍摄暴露身体的镜头
手替即手部替身，主要工作为完成一些特写手部技巧性较高的动作
（以上来自百度百科：“替身”）
2 传统替身在拍摄时的不足——以《影》为例
从上面看得出传统替身的分类已经十分详细了，而且确实替身在电影中存在着十分重要的作用。然而目前却也存在着相当大的不足，如替身演员有时千金难求，亦或者难度太高没有人愿意作为替身等。这在一部存在着一人分饰多角的戏份的电影是一个相当大难度的问题，接下来，笔者将以电影《影》为例，分析传统替身拍摄时的不足：
张艺谋的电影《影》在故事中，存在着主演一人分饰两角的情况，片中邓超需要在同一场戏里分饰两个角色进行互动，为此邓超要先演一遍，然后等他瘦下来后再回来和他第一遍演的互动，毕竟任何一个人想要在两个月暴瘦40斤并不是那么轻易就能完成的。
除了对演员体态的要求，拍摄周期因为存在了两个月的时间差，剧组因此把摄影机位置严格定位，详细的记录了摄影机仰俯角、镜头夹角和镜头的焦距、焦点，还有现场复杂的灯位布局和各种光线参数，以便在两个月后完美的复制还原。可以想象得到，如果剧组在两个月后没有QTAKE回放时的叠加，严谨的判断影像的重合度的话，再算上数字绘景（MattePainting）后期的合成难度可想而知。
比如做伤的同框镜头（见图1），剧组拍摄回来后的素材分为 AB 两个，素材A是邓超为境州时，素材B时邓超为子虞时，整个镜头长约4600帧。主要制作重点为：对A,B两个素材进行时间匹配、替身演员的擦除（A素材需要还原境州的肌肉动态和伤口位置）、刀划伤口的接触部分，伤口划开的动画效果，流血的动画效果和刀与伤口的交互状态、子虞的手按在境州伤口上的动画透视节奏的匹配等。
可以从电影《影》看出，传统替身在拍摄一人分饰多角的情况下，往往费时费力，如果能够存在替身演员进行对手戏，而后期只需要把替身演员的面部换成正身的面部，整个剧组的拍摄效率将会大大提高。
图1:《影》的AB素材3 数字替身的定义与分类及优势
数字替身（Digital Double）的定义：
通过使用计算机生成的图像和声音，创建或重建一个人或者是一个人的部分，同时并和真实的人难以被区分，从而起到替身作用。
根据替身的作用，笔者将数字替身分为以下三种类型：
①传奇（LEGEND） ②在世(LIVING) ③创造（CREATION）
其中，传奇即已经过世或者是电影中曾经存在的人物，在电影拍摄中无法实拍；在世即目前当下仍然存在却因为某种原因导致无法出现；创造即根本不存在的人或者生物，在电影中根本无法实拍。
数字替身的优势
可以看出，一旦使用了数字替身的技术，我们便可以“随心所欲”的拍摄出我们想要的人物或者生活而不需要该人物亲自登场，对于一些演员档期或者是因为其他不可抗力导致的演员无法到达拍摄现场时，数字替身的优势便显现了出来。我们甚至可以从头到尾不需要演员亲自参与拍摄，只需要获得演员的许可，，然后由数字替身来拍摄，这样便可避免许多问题。
4、数字替身在《金刚狼3》中的运用
电影《金刚狼3：殊死一战》（下简称《金刚狼3》）是由詹姆斯·曼高德执导的一部采用了数字替身的电影，笔者将以此部电影为例，讲述整个数字替身的部分工作流程
4.1 光台（Light Stage）拍摄
首先，为了创建一个人物完整的数字替身，得要获得该人物相应的信息，照相测量法的发展使得人物模型的建立变得简单。数字替身的模型便可使用此法建立。为了在视觉上逼真的重现三维物体，光有几何信息是不够的。不同物体表面在不同光照环境下会呈现出不同的反射效果，这就是Relighting所产生的效果。如果能模拟出与真实物体表面一致的反射特性，对提高计算机渲染成/呈像的逼真度至关重要。而使用由美国南加州大学ICT Graphic Lab的保罗·德贝维奇（Paul Debevec）所领导开发的光台（Light Stage）技术拍摄，便可以做到一个高保真的三维采集重建。电影《金刚狼3》主演便是在光台技术里拍摄（见图2）。
(图2:金刚狼3主演休·杰克曼在光台中拍摄) 因为LED灯可以准确地发出不同的颜色及亮度的光，光台的支架是一种近球形的多面网状结构，一般直径为2米，42个顶点，120个边和80个面。
除去底部的一部分，在其余的各个顶点及边的中部安装一个RGB LED灯，数量可达20000个。这些灯的RGB值由计算机控制，用来模拟环境光。
4.2 模拟环境光
结合光照探头（Light Probe）获得的环境光图像，用光台的软件系统将图像投影到光台的三角面结构上，每个顶点代表的RGB LED灯的颜色值为该顶点邻近面中像素值的加权平均值。这样就可以用光台模拟出不同的环境光。电影《金刚狼3》便是通过此来模拟了各种各样不同的环境光（见图3）。而这一部分，也是整个拍摄扫描的核心部分，光台的拍摄算法直接决定模拟光效的好坏，这也是光台技术的核心。
4.3 偏振光拍摄
每个光源包括12个Lumileds LED灯珠，并且被平均分成2组，分别被覆盖着水平和垂直的偏振片。目前的光台技术采用了球谐调和光照（Spherical Harmonic Lighting），如图4所示，光照模式（Lighting Pattern）有4个，分别是沿X/Y/Z方向递减的3个梯度光照和1个均匀全亮光照。由于需要拍摄水平和垂直两种偏振状态下的图片，因此每个相机一共需要拍摄8种光照模式下的8张图片。（见图4）
4.4 人物肤色的重建
人脸通常情况下可分为低频、中频和高频三种几何信息，低频几何信息主要是指鼻梁高低、脸型胖瘦等；高频几何信息主要是指毛孔、胡须、唇纹等。中频则是非低频和高频信息。对于低频几何信息，光台技术采用两种三维建模方法：一种是用DLP高速投影仪和Phantom高速摄像机构成基于结构光的实时三维重建。另一种是采用5个单反相机构成多视几何（Multi-view Geometry）重建三维人脸模型。在上述两种三维建模方法的基础上，进一步采用Photometric Stereo来生成高频几何模型。图5为光台所完成的“Digital Emily”项目中重建的数字演员艾米丽，左侧为重建的高精度Normal Map（法线贴图，见图6），中间为只用Diffuse Component（漫反射）重建的人脸模型，右侧为同时加上Diffuse Component和Specular Component（高光）以后重建的高精细人脸。在电影《金刚狼3》中共用了normals、diffuse、displacement（置换）（见图7）和specular（见图8），并从这四个纹理通道来合成人物。
(图6:在Autodesk Mudbox中的Normal Map)
(图7:在Autodesk Mudbox中的Displacement Map)
对于演员来说，当他们在光台里被扫描时，他们需要作出各种各样的，且相互独立的面部表情，以便后期提取面部的几何特征，并可以生成每个面部运动的时间轮廓。对于演员而言，他们一般要做40-60个表情，如图9。在做表情之前，还需要像运动捕捉一样，对演员贴上标记点，并用RMSE（均方根误差）来衡量（如图10）
标记点并不是越多越好，主要遵循以下三个原则：
①避免摄像头边角变形区 ②演员做极端表情时不会被藏到褶里 ③放在肌肉顶峰处
在遵循上述三个原则的条件下，便可以对演员进行跟踪点的标记，可以使用可擦的中性笔来画在脸上，也可以使用反光球粘在脸上。贴标记点的目的是为了后期软件能够精准的识别跟踪点，方便VFX的制作。电影《金刚狼3》在演员脸上贴的标记点分布如图11，在做完了摄影机路径的反求之后，导入三维软件之后，便可进行更加精细且更加复杂的动画的制作和合成了。
(图12:电影《金刚狼3》演员模型在三维软件中的制作）
在数字替身的模型制作合成中，往往还会涉及到毛发和眼睛，而这两者往往会大幅影响观众对最终人物的观感。电影《金刚狼3》中，毛发制作使用了Yeti（雪人）插件（见图13）。因为电影《金刚狼3》在数字替身的拍摄时，为了获得下巴最好的质感而不被胡子遮挡，为此特地将主演休·杰克曼的胡子剃光，然后使用了后期制作的方式（见图14）。在眼睛的制作上，使用了功能制作了眼睛。对于人物而言，有句话叫做“眼睛是心灵的窗户”，对于数字替身更是如此。如果直接使用数字替身在拍摄时的眼睛，观众会发现，人物的眼睛基本是不太会动的，这对表演的影响巨大。因此在电影《金刚狼3》中，便制做了多个焦散效果的滤镜，以适应数字替身在最终合成中，不同光线下有着不同的眼睛和相应的折射（见图15），从而做到人物看起来让人难以区分。
(图13:电影《金刚狼3》演员模型使用Yeti插件制作毛发）
(图15:电影《金刚狼3》caustics开关效果对比）
电影《银翼杀手2049》（下简称《银翼杀手》）是由加拿大导演丹尼斯·维伦纽瓦执导的一部电影，片中瑞切尔采用了数字替身的技术拍摄。瑞切尔是《银翼杀手》上一部的女主角，当《银翼杀手》再次拍摄之时，距离上一部拍摄时间已经有40年了。可以想象的到，一个人经历了40年再去扮演同一个角色会对观众有多大的落差（见图16和图17）。所以本片采用了数字替身的技术拍摄，笔者将以此部电影为例，讲述当下数字替身在此部电影的发展与运用。
5.1 骨骼绑定
电影《银翼杀手》里的瑞切尔可以被笔者的数字替身的分类为传奇。因为瑞切尔已经在电影拍摄中无法实拍了。不过，电影在拍摄时仍然使用了肖恩·杨，因为肖恩·杨虽然老了，但是对于一个人而言，20岁左右以后，骨骼便会停止增长，也就是说，60岁的肖恩·杨和20岁的肖恩·杨骨骼是一样的，为此，数字替身拍摄时，特地在光台里获取的照片建模的同时，把骨骼信息也获取了（见图18）。获取完骨骼信息之后绑定，整个白模（图19）的建立会变得更加精准、无误。
5.2 置换贴图
获得了白模之后，便是要做皮肤纹理细节的建立，为此模型的UV信息是必须要建立的。拥有了UV信息之后，便是对皮肤的低频、中频和高频信息的置换了（见图20）。置换贴图是指用高度图将经过纹理化的表面上实际几何点位置沿着表面法线根据保存在纹理中的数值进行移位的技术。瑞切尔皮肤纹理细节的置换有低频置换、中频置换和高频凹凸置换，还有一些小细节和手工雕刻。凹凸置换是指把粗糙信息加到多边形上，这样便可以产生一些非常好的效果，并且节约了空间，凹凸映射本身是一种负责光方向的纹理映射，它存储了凹凸信息，本身便是一种灰度图，用灰度的变化来描述目标表面的凹凸，映射时便会对法线向量产生轻微的改变。通过贴图的置换，便可以最大限度的还原数字人物模型在现实生活的观感，图21为法线、置换和最终效果贴图的对比、关于贴图的更多信息，可以参看AUTODESK MUDBOX 2014的帮助文档，里面详细介绍了各种贴图的概念，也可以去看CSDN。
5.3 面部封装绑定
面部运动编码系统封装（FACS wrapped ）指的是在光台拍摄时，人物做出的表情可以直接封装到模型，这样在三维软件里，如maya，便可以直接通过面部插件Facial Rigging进行绑定。Facial Rigging可以轻松的通过它的官网进行了解和学习，其主要功能为符合FACS（Facial Action Coding System）的标准代码。这样在三维软件制作时，便可以简单的做出各种各样符合人类逻辑的面部表情而不被发现异常。电影《银翼杀手》在制作瑞切尔的数字替身时，大部分的shape是根据特定表情雕刻而成的。
5.4 与上一部电影的实拍的比对
《银翼杀手》在建立好模型之后，特地的将建立好的模型放入40年前的《银翼杀手》进行比对，以求观众无法区分。为此还原了当年的影片，可以看出，除了微小的地方，几乎一模一样（见图23），正常观众是无法区分的。有意思的是《银翼杀手》本身另一个角色乔伊在拍摄时也是用了数字替身，不过这里的数字替身并不是可以归类为传奇，而是属于在世。影片中，因为女主是可以思考的数字影像，但是没有实体，所以便寻找了一个“自己”来扮演自己，即数字影像寻找了实体，如果从数字替身的角度来看，刚好和数字替身的目的相反，用实体来代替数字。拍摄时，CG部分只渲染背对镜头的那部分，再以半透明加一定量的空镜背景合成进实拍镜头来体现乔伊为全息的影像（见图24）。
6 数字替身的用途
数字替身的方法一旦使用，便可以进行规避很多当下电影无法避免的拍摄问题，如拍摄进度，如拍摄难度等。以下将介绍几种情况：
6.1不可抗力事件
数字替身可以有很多的用途，并且避免当下电影很多拍摄时的麻烦，如电影《速度与激情7》（以下简称《速7》）主演保罗·沃克在拍摄进度过半之时，因为一起严重的车祸而意外身故。于是电影剧组便也选择了数字替身的拍摄方式，不同的是，因为事发突然，所以保罗·沃克的本身数据只能从前六部的镜头中进行采集，正好符合笔者数字替身分类的传奇，然后使用保罗·沃克的两个弟弟进行代替拍摄（图25为《速7》的海报）。可以想象，如果没有数字替身，无论是对剧组还是对观众，整个电影的拍摄和呈现都将会是灾难性的。
6.2 婴儿与动物的拍摄
电影拍摄中，最难拍摄的便是小孩和动物，试想如果一部电影，既要拍摄小孩，又要拍摄危险动物，还要拍摄小孩和危险动物之间的互动，可以说，基本是无法实拍的。电影《查理与巧克力工厂》花费了10个星期，训练了40只松鼠，自它们出生开始便每天都进行训练（见图26）。可以想象，拍摄所需的时间和精力需要耗费很多，如果使用数字替身分类中的在世和创造，便可以省下大量精力和时间。而电影《雷蒙斯尼奇的不幸遭遇》则采用了数字替身的技术，给小孩和动物做了数字替身，按照笔者数字替身分类，为在世。的从而使得小孩可以完成各种各样的高危镜头，如吃石头、铁管，或者是和巨蟒在一起戏耍（见图27和图28）。
(图27:电影《雷蒙斯尼奇的不幸遭遇》婴儿吃拐杖）
(图28:电影《雷蒙斯尼奇的不幸遭遇》婴儿和巨蟒玩耍）
当下电影在拍摄时，部分演员的选角会自带流量，然而往往容易被诟病演技不佳，为此，如果能够在这些电影上的拍摄使用上数字替身技术，那么甚至流量演员本身都不需要亲自去演，只需要向他们进行授权，进行形象等协议的签约，然后使用一些所谓的“实力派”进行数字替身拍摄，处理得当的话，说不定会有奇效。国内目前有类似的作品，不过是一人分饰两角的由黄渤主演的《记忆大师》，不过这应该算得上是实力派+“实力派”了（见图29）。
7 数字资产
跟其他数字资产一样，数字替身的数据本身也是数字资产，那么其潜力便是无穷，让我们来看一下在数字替身里，数字资产的定义和用途。
7.1 数字资产的定义与DAM
Mediavalet在数字资产的定义上有三个关键的元素，分别是：
①是一个数字文件 ②能够提供价值 ③可搜索和可发现（通常使用元数据）
我们可以发现，如果一部影片一旦使用了数字替身的手段拍摄，那么留存下来的资料往往是非常宝贵的，存储得当的话，可以通过数字资产管理系统（DAM）的管理下，产生价值。试想一部电影，有时候要拍一部续集，可能要等40年，亦或者是突然要拍一个已经过世的人的人物传记，那么如果能够在DAM下搜索得到的话，那将是一个非常大的优势。资产如果无法重建，那么资产将会变得越来越有价值。当拥有数字资产之后，其本身的价值必须能够被搜索和发现，否则便没有意义。数字替身的资产价值也要能够体现在其本身的元数据上，元数据可分为两种：
①技术性元数据 ②描述性元数据
技术性元数据往往是指分辨率、位深、帧速率、文件大小等。
描述性元数据往往是指数据的内容，例如标题、描述或者是关键字等。
7.2 数字资产的完善与使用
当数字资产管理系统完善后，每部电影都用上其他电影的数字资产，到时候便会构成一个各种电影宇宙（像漫威宇宙一样），同期的电影里，每个主角都可以是同一个人物，或者是这部电影里还是主角是正派，结果到另一部便成为了大反派。举个例子，电影A里，黄渤还是主演，电影B里，黄渤便变成了路人。所以对于这样的一个电影世界，离不开DAM。不过这也需要一个更加系统更加完善的标准来使得大家去遵循。目前有一个数字资产平台可以进行参考（见图30）
8 数字替身和恐怖谷
电影制作的精细程度在很大程度上取决于制作技术，当一个技术不够成熟或使用不当之时，便会导致很多无法预料的问题。数字替身也一样，当数字替身做的不够精细之时，便会遭遇恐怖谷。
8.1恐怖谷理论
恐怖谷理论（Uncanny Valley）是1970年由日本机器人专家森政弘提出，它表明由于机器人与人类在外表、动作上相似，所以人类亦会对机器人产生正面的情感；直到一个特定程度，人类对他们的反应便会突然变得极为负面。哪怕机器人与人类只有一点点的差别，都会显得非常显眼刺眼，整个机器人会让人感觉非常僵硬恐怖，使人有面对僵尸的感觉。可是，当机器人和人类的相似度继续上升，相当于普通人之间的相似度的时候，人类对他们的情感反应会再度回到正面，并且持续上升（见图31）。
8.2 跨越恐怖谷
2014年，德芙拍摄了一条奥黛丽·赫本的广告，因为赫本已经并不在世，所以本片采用了数字替身的拍摄技术。广告本身的故事内容我们在此不做评价，但是在脸书（facebook）上，评价却是两级分化（见图32）。一方面，觉得好的便是认为，赫本转世，让人重温经典；另一方面，有人则认为这过于令人毛骨悚然。可想而知，当一个技术不够完善的时候，或者是滥用技术的时候，便会暴露很多的社会问题，数字替身也是如此。一旦决定使用数字替身的时候，那么就得要好好的做到底，如果不能够做到底，那么不如不做。如果做得不好仍然坚持要做，那么就很容易引发各种各样的负面问题，数字替身也会遭遇恐怖谷，但是一旦决定要做了，那么就得想办法跨越恐怖谷，因为一旦跨越了恐怖谷，便会使人们对数字替身好感度直线上升。而这需要我们对其精益求精，做到跨越恐怖谷，更好的去为电影服务。
(图32:德芙广告在脸书（facebook）的评论）
数字替身本身是电影领域的技术，但是也可以用在其他领域，让其大放光彩。
9.1 数字替身在演唱会中的运用
在2015年，由数字王国（Digital Domain）技术团队耗费巨资，累计多年经验将邓丽君的数字替身进行制作并以全息影像的方式制作出来，并举办了多场演唱会（图33）。可以预想，一旦此技术在电影领域的成熟，那么其他领域也会慢慢的使用，并且产生意想不到的结果。如平时生活中，可以远隔千里之外，使用数字替身，然后和别人见面等等，只要需要有交流的地方，都可以使用数字替身，无论是一对多的电视或广播还是一对一的私人聊天，发展前景其实是十分巨大的。
9.2 数字替身在AR/VR中的运用
如果每个人都有了美国总统奥巴马的数字资产，并且将其运用在各个地方，如3D打印将会如何（见图34）？虽然说数字替身被用来3D打印有点大材小用，但是如果是在AR中或者是VR中使用呢？到时候，人人都将是奥巴马，人人都可以体会到当美国总统的感觉，模仿他的语言、行动，感受奥巴马的一切，亦或者是每一个数字资产管理系统里有的数字资产人物（如瑞切尔、金刚狼），或者为了满足关公战秦琼，亦或者是在AR或者VR的帮助下，亲自来一场超人大战蝙蝠侠（见图35）也未尝不可，想要这样，便可以使用数字替身技术。可以想象，如果有足够多这样的数字资产，那么便进入了数字替身改变世界的时代。
转载自知乎马小帅
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