基于solid works电影特效智能运动摄像机结构设计与仿真
摘要：电影是一种表现形式的艺术，创作者利用视觉和听觉创作出一个个动人心弦的故事。随着计算机技术的发展影视特效有了更多可能，例如电影与动画的结合就使很多原本无法用影片表达的主题得以呈现在屏幕上。这些新的技术新的表现形式为创作者提供了无限的想象空间，让电影人的思想从技术的束缚中解放了出来；给了他们更大的发挥空间，也为他们提供了更广阔的创作视野，从而形成了一种崭新的电影语言与形式。
本论文的研究目的是通过介绍电影特效的发展大致了解在电影的拍摄过程中使用过的特效技术，以及结合本人机电一体化专业的专业知识以近期上映的热门电影《流浪地球2》中550系列智能量子计算机550W（又名MOSS）的主要登场形象——智能运动摄像机“MOSS之眼”为原型，设计并制作MOSS的机电一体化运动模型。
关键词：机电一体化；运动模型；特效技术；实体特效技术发展
Abstract: Film is an art of expression, where creators use sight and sound to create compelling stories. With the development of computer technology, film and television special effects have more possibilities, such as the combination of film and animation, so that many themes that could not be expressed in films can be presented on the screen. These new technologies and new forms of expression provide unlimited imagination space for creators, freeing filmmakers' minds from the shackles of technology; It gives them more room to play and provides them with a broader creative vision, thus forming a new film language and form.
The research purpose of this thesis is to introduce the development of special effects in films, understand the special effects technology used in the filming process, and combine my professional knowledge in mechatronics to design and produce the mechatronics motion model of MOSS based on the intelligent action camera "MOSS Eye", the main image of the 550 series intelligent quantum computer 550W (aka MOSS) in the recently released hit movie "The Wandering Earth 2".
Keywords: Mechatronics; motion models; special effects technology; Physical special effects technology development
目录
第一章 绪论 1
1.1 电影特效技术的研究背景及意义 1
1.2 电影特效的技术特点与运用分析 1
1.2.1 影视特效技术 1
1.2.2 实体特效技术 3
1.2.3 现代电影特效 4
1.3 电影作品中使用特效的原因 4
1.4 课题研究内容 5
第二章 机电一体化运动模型的总体设计 6
2.1 机电一体化技术概念 6
2.2 机电一体化运动模型在电影特效中的定义与分类 6
2.3 智能运动摄像机整体方案设计思路 7
第三章 智能运动摄像机的模型主要结构设计 9
3.1 顶部单元设计 9
3.1.1 顶部单元底座的零件参数设计与功能介绍 9
3.1.2 顶座上盖的零件参数设计与功能介绍 11
3.2 联动单元J型机械臂的零件设计 12
3.2.1 机械臂1的零件参数设计与功能介绍 12
3.2.2 机械臂2的零件参数设计与功能介绍 13
3.2.3 机械臂3的零件参数设计与功能介绍 14
3.3 主体单元机箱设计 15
3.3.1 机箱后壳的零件参数设计与功能介绍 15
3.3.2 主体正盖的零件参数设计与功能介绍 17
3.3.3 主体正盖面板的零件参数设计与功能介绍 17
3.3.4 外挂组件的零件参数设计与功能介绍 17
第四章 机电一体化运动模型的零件装配 19
4.1 SolidWorks软件简介 19
4.2 运动模型装配过程 19
4.2.1 顶座单元顶座组件的模型装配 20
4.2.2 联动单元J型机械臂零件的模型装配 21
4.2.3 主体单元机箱组件的模型装配 21
4.2.4 模型零件的整体装配 23
总结与展望 25
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1电影特效技术的研究背景及意义
电影是满足人民对美好生活期盼的重要精神产品。自党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央对文化事业高度重视；把文化建设作为社会主义现代化强国建设的重要内容，把电影作为宣传思想工作的重要领域，推动我国文化建设取得了新的历史性成就。党中央高度重视中国电影事业发展，大力推进中国电影产业改革创新，在全党和全国人民的共同努力下，我国的电影事业迎来了千载难逢的历史机遇，得到了前所未有的发展机会进入了繁荣发展的黄金时期。
在这期间我国电影行业涌现出大量优秀的作品，例如弘扬革命历史红色基因的代表作品《古田军号》、《红星照耀中国》，开创了中国科幻电影新征程的优秀作品《流浪地球》、《流浪地球2》，以及对中华优秀文化的创造性转化、创新发展的动画电影《白蛇传·情》、《哪吒之魔童降世》等等。以上优秀的作品为我国带来巨大的社会效益和经济效益的同时引起了我对电影的幕后制作的问题的思考，什么是电影特效？电影中的哪些场景运用了特效制作？电影中的道具是如何做到栩栩如生的效果？电影道具的制作又运用了那些技术？接下来就让我们一起了解一下电影中的特效技术。
1.2电影特效的技术特点与运用分析
一个好的电影特效能给观众带来什么样的视觉盛宴？这个问题似乎有很多答案。但是对于特效的意义，却有很多人不理解。特效的意义不是为了满足观众的猎奇心理，而是用技术手段给观众营造一个独一无二的视觉盛宴，让观众真切地感受到犹如“身临其境”般的观影体验。作为电影创作手段之一，影视特效的创作也遵循着艺术创作的基本规律——真实。“它既不像生活真实那样与生活本身是同一的，又不像科学真实那样能够验证和还原”[15]。“梦”是什么？“梦”是一种艺术，它要带给人一种未知的美感和想象。那么电影特效也可以让观众在梦里去体验未知之美。这就是影视特效带来的魅力所在，通过影视特效，电影可以创造出观众从未见过，也从未想过的梦境。
1.2.1影视特效技术
在电影和电视剧等影视作品中，人为产生的假象和幻觉被称为影视特效（也被称为特技效果）。电影摄制者利用它来让电影更扣人心弦，使影片更加精彩。就其制作手段而言，影视特效主要有两类：一类是经典的电影特效（传统特效），另一类是计算机动画特效（CG特效）。
（1）经典电影特效（传统特效）：
直到1930计算机问世之前，在影片中出现各种特殊效果图片都来自于常规的特殊效果。早期影片中的特效还可以进一步细分为：化妆特效、布景特效、烟花特效、早期影片特效等。使用上述传统特效技术制作而成的影视作品中我最熟悉在国内也广为流传的作品是八十年代杨洁导演执导拍摄的《西游记》。虽然此时国际上的电影拍摄技术已经比较成熟但国内尚处于起步阶段。不过即使面对种种困难，杨洁导演依旧我们提供了一部匠心巨作。
《西游记》中经典的的妖怪形象都是靠着化妆技术来制作的。要想刻画出一个活灵活现的妖怪，就必须要让专业的人来做妖怪的头套，然后演员把它戴在自己的头上表演，这样才能在演出时让演员扮演的妖怪以假乱真。在特效拍摄搭建场景的过程中，最为突出的表现就是构建天宫的场景过程。首先要搭建起与天宫相似的建筑物，然后在一定的地方放置干冰，向其喷洒清水，通过干冰的升华，自然就形成了一幅云雾弥漫的画面。至于孙悟空腾空而起的那一幕，是用胶片特效拍出来的，但自从有了计算机之后，这些技术就被淘汰了。
（2）计算机动画特效（CG特效）：
CG，就是借助计算机进行动画制作。在常规的特效技术不能满足电影所需效果的情况下， CG特效是必须的。说起 CG效果，自然要提到卢卡斯和他的工业光魔公司。他创造了一个奇迹，让电影和梦幻只有一线之隔；从那以后，只要是人们能想到的东西，都能用 CG特效制作出来。
CG特效由功能来分，大致可分为三类：
1.三维特效
大部分具有不同的立体视角的人物和场面是用3D效果制作出来的。三维特效是所有特效中技术难度最大的一个，但是却是所有效果中最容易处理问题的一个。通常的创作过程是：建模，材料灯效，绑定，动画，渲染。目前，国内主要是以 MAYA为主要开发工具，并有 MAX, realflow, huodini,C4D, XSI, LIGHTWAVE等十几款软件作为辅助。
2.合成特效
最普通的人工合成特效就是古装电影里，江湖高手们用轻功在天上飞来飞去。具体的操作大致是将演员的打斗和天空分别进行拍摄。在这两个场景中，演员的打斗部分是由演员吊着威亚，在蓝幕或绿幕的背景中进行拍摄。之后再在电脑中通过后期软件将蓝幕和钢丝去除，只剩下演员的那一部分，再贴到实拍的天空画面上，让他们看上去就好像是在天上打架一样。实际的制作过程要更复杂一些，虽然有一些后期的程序可以制作一些3D的特效，但这些程序都是用来辅助的，并不能代替3D的制作过程。常用软件：nuke/fusion为主流，也有AE、COMBUSION、SHAKE、flame、smoke等平台。
3.数字绘景和概念设计
数字绘景与概念设计简单来说，就是画图。所谓的数字绘景，就是在一部电影中如果想要展现一座古老的城市，其场景除了出现大量古老的房屋或宫殿，更有些还会出现花虫草树木、小桥流水等等。如果要求特效设计师用三维软件来做，那么这个项目的费用就会很高，而且经常要几个人一起来做才能完成。如果让数字绘影师来制作，他一个人就能把所有的场景都画在一幅画面上，这样不仅能减少特效的工作量，还能节省成本。
一般的概念设计方案都是用来做前期的设计参考的。打个比方，电影里会有妖怪，但妖怪是什么模样？这个时候就需要导演把这个妖怪的大概轮廓用文字描述出来，然后让概念设计师按照他的想法把妖怪的形象绘制成图片。外形设计好后，就可以用3D特效制作出各种逼真的怪物。
1.2.2实体特效技术
当我们在观看上述的科幻片时或战争片等影片时，我们常常被其中的CG特效所震撼。可是还有一种特效在其中同样发挥了重要的作用，它就是不可忽视的实体特效。
实体特效是指通过物理、化学、雕塑、美术等方式实现特殊效果的一种特效技术方式，它与镜头特效（通过镜头以及拍摄方法实现特殊效果）以及数字特效（通过计算机图形处理技术实现特殊效果）两类特效技术并存[16]。
实现特效的分类有数字特效和物理特效两种。与CG特效不同的是，物理特效大多是指那些可触摸的、真实存在的特效部分，它们往往需要一些特殊的手法和材料来完成。其类型包括但不局限于特效化妆、特殊道具、机械仿生、微缩景观、灾难装置、机械平台等。
这些看得见、摸得着的实物，可以极大地满足导演及演员的创作需求，也有助于尽可能的避免后期制作中各种不可控的问题，最为重要的是可以增加影片视觉效果的真实性。随着电影制作品质的提升，实体特效正在成为一个越来越吃香的行业。即便是CG特效霸屏的今天，也难掩实体特效的光芒。
1.2.3现代电影特效
伴随着时间的推移和新技术的不断涌现，电影特效技术得到了飞速的发展。在以往传统时期影片的生产过程中，特技的概念就已经被体现了出来。影视特效对原本传统的电影制作的过程和方式进行了一次彻底的变革，它让创作者跳出了传统的线性思维模式，彻底地打破了时间和空间的观念。这样，某些受摄影技术限制的画面就能得以实现。创作者可以自由地进行自己的创作，可以把自己的想象力发挥到极致。除了传统的剧本和分镜头剧本之外，电影和电视剧还需要有自己的特效剧本。在初期的拍摄过程中，除现场的实景拍摄以外，搭景、蓝幕、模型、数字天光画等镜头越来越多。为了满足抠像的要求，演员们经常被要求在蓝幕的摄影棚内拍摄。在蓝幕棚里，没有任何的场景带入，所有的一切都要依靠演员自己的想象，而且还要表现出与合成的画面中的情景一致的情感，这对于演员的经验和演技来说，无疑是一个巨大的考验。而且，它对照明和道具的要求也跟常规的拍摄不同，光效师需要考虑到背景光线的影响，还需要考虑到各种情况的影响，比如风雨雷电等等。道具的某些部分也会隐藏在蓝幕中，在后期的画面中这些东西也要和其他的东西完美的融合在一起。这个时候，布景师和道具师就需要在电脑上绘制出需要的画面和物品，为后期的制作提供便利。在前期工作结束之后，所有的后期制作都采用了电脑技术，原来的遮片和叠影等常规的特效手段已经被电脑的一些功能所取代。
1.3电影作品中使用特效的原因
通过之前对影片中特效技术的发展与介绍，我认为运用特效技术的理由有两个：（1）电影和电视剧中的一些内容，里面的生物和画面都是虚拟的，不是真实的。比如令人毛骨悚然的怪物，科技感十足的变形金刚以及各种使用起来十分炫酷的魔法等等。既然不存在但又需要在影视中呈现出来，所以就需要这方面的专业人士来创造和解决。（2）有的东西在现实生活中也有，但是却没有特定的效果，这就需要特效了。打个比方，在电影里某个角色要从数十层高楼上往下跳，但在现实中，演员是无法做到这种程度的，那就只能用电脑合成的特效来代替了。或者是现实中这些东西完全可以制作，但因为价格太高或效果太差，所以只能用特效来制作。像是战争电影里经常会出现的飞机坠毁，或是灾难电影里经常会出现的地震和海啸等。
1.4课题研究内容
本文将通过对电影特效的技术特点及运用进行分析，大致介绍影视特效的发展过程。并结合对机电一体化技术的理解与运用，以近期上映的热门电影《流浪地球2》中550系列智能量子计算机550W，简称MOSS的主要登场形象为原型设计并制作一个机电一体化运动模型。
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