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第1章影视特效后期合成基础

本章学习目标：

什么是合成技术；

常用的影视特效后期技术软件简介；

After Effects CS5的基础知识；

After Effects CS5的工作流程。

本章首先介绍影视特效后期合成技术的基本概况，使读者了解After Effects CS5 （下文均简称为After Effects）的基本功能和视频编辑的基础知识；然后通过一个简单实例引导读者使用After Effects，掌握利用After Effects制作影片的过程。

1.1 影视特效后期合成基础

1.1.1 什么是合成技术

随着当代计算机图形图像技术的发展，影视特效后期合成技术经过不断的创新，在当代影视、动画制作中发挥了越来越重要的作用。

特效是指用专门的数码特技效果软件做出来的特殊效果，它包括对自然属性的数字化模拟，如通过集群动画、粒子动画等制作出大自然的雨、雪、云、雾等效果，也包括各种光电、弧光、水波、爆炸、烟火等人工效果。

合成是运用计算机图像学的原理和方法，将多种源素材采集到计算机里，并用计算机将其无缝合成，然后输出到磁带或胶片上的系统处理过程。

天气预报节目就是一个典型的合成范例。

1.1.2 主流的影视特效后期合成软件

1.Discreet公司的数字合成系统

最为专业的后期合成软件是Discreet公司的Inferno、Flint、Flame等，是运行在SGI工作站的高端合成软件，其价格极其高昂。

Combustion是Discreet 公司将原来的PC合成软件Paint和Effects进行合并推出的一款合成软件，经过几年的发展增加了很多新的特效，使其自身的功能变得日益强大。Combustion吸取了Discreet的Inferno、Flame和Flint获奖系统的抠像、颜色纠正和动态跟踪等技术，将许多以前只在SGI工作站上才有的制作功能移植到NT，不但制作手段和制作过程同 SGI 工作站完全相同，而且可以同高档工作站共享制作参数。值得一提的是，Combustion可以使用90%的After Effects外挂插件，这使得它的性能大大提高，甚至可以将After Effects内部功能也引进到软件内部来使用。Combustion工作界面如图1-1所示。

图1-1 Combustion工作界面

2.Avid公司数字合成系统（美国）：Avid DS（合成模块）

Avid DS是集合成与编辑于一身的非常全面的后期制作软件系统，如图1-2所示，其合成模块来自Avid当年最为强大的合成软件Media Illusion，并且在其基础上有所提升，主要以流程方式进行合成。

图1-2 Avid DS硬件及软件界面

3.Quantel（宽泰）公司数字合成系统（英国）：GenerationQ

宽泰（Quantel）公司推出的后期合成系统GenerationQ具有强大的功能、完全可分级性，可提供高利润的解决方案，如图1-3所示。

图1-3 宽泰硬、软件系统

4.Apple（苹果）公司数字合成系统（美国）：Shake

自诞生以来，Shake一直是获得奥斯卡特效奖的艺术家们特效制作的选择，现在更为Power Mac G5和Mac OS X做了优化，适用于所有的分辨率。多年来，Shake的艺术家们不断将奥斯卡视觉特效奖拿回家，其中包括《魔戒三部曲：国王归来》。

Shake工作界面如图1-4所示。

图1-4 Shake工作界面

5.Adobe公司数字合成系统（美国）：After Effects

Adobe公司的After Effects一直是最流行的PC平台视频合成软件之一，现在比较新的版本为After Effects CS5，其主要特点体现在以下几方面。

（1）优化OpenGL。OpenGL是一种跨平台的二维和三维图像加速的渲染标准，使用OpenGL可以加速二维和三维图像的渲染速度，大大提高了在屏幕上渲染的速度和交互性。在调整灯光、摄像机、图层变形、文字层、阴影的时候，只要计算机的速度足够快，就可以实时看到操作的结果。另外，它对于最新的处理器也进行了优化，而且支持Intel的HT（超线程）技术。

（2）与Adobe家族系列软件结合使用。与Adobe Photoshop结合使用，可以导入带有多个图层的图像文件，导入时有两种方式：一种是合并图层；另一种是选择各图层。与Adobe Premiere结合使用，Premiere形成的项目文件可以直接导入After Effects来直接使用。

本书中将对After Effects进行深入学习。

6.Eyeon公司数字合成系统（加拿大）：Digital Fusion

加拿大Eyeon公司推出的Digital Fusion合成软件一直是PC平台上功能强大的合成软件，它以节点流程方式进行视频合成，即每进行一步合成操作，都要调用相应的功能节点，若干节点构成一个流程，从而完成整个合成操作。这种方式与After Effects以图层方式进行图像合成的方法截然不同，操作虽然没有那么直观，但逻辑性很强，能够实现非常复杂的合成效果。Digital Fusion工作界面如图1-5所示。

图1-5 Digital Fusion工作界面

其他数字合成软件还有Commotion、5DCyborg、Houdini等。

1.2 After Effects可以做什么

After Effects是Adobe公司推出的重要的影视后期制作软件产品，它是一款用于高端视频特效系统的专业特效合成软件，是为动态图形图像、网页设计人员及专业的电视后期编辑人员提供的功能强大且高效的创建动态图形和视觉效果的影视后期合成处理软件。其简单友好的用户界面、方便快捷的操作方式，使得视频编辑的难度大大降低。从普通的视频处理到高端的影视特效，After Effects都能应付自如。

After Effects可以帮助用户高效、精确地创建无数种绚丽的动态图形和视觉效果。利用与其他 Adobe 软件的紧密集成，高度灵活的 2D、3D 合成，以及数百种预设的效果和动画，能为电影、视频、DVD和Adobe Flash作品增添动人的效果。

（1）强有力的合成：针对视频、音频、静帧、动画文件进行无限层画面合成。

用 Adobe 标准的钢笔工具或其他易于使用的绘图工具创建复杂的游动的蒙版，然后将这些蒙版用各种各样的特性应用到图像上。每层画面最多可以加到128个打开或关闭的路径。

（2）无压缩动画控制：每层画面的动画属性，如位置、旋转、缩放、透明度等都可加到无限数量的关键帧点。

用运动草图绘制运动轨迹并记录其速度，就像在纸上画手绘画一样简单，实时采集运动路径，模拟真实自然物体的不规则运动。

文字路径插件使文字沿着任意形状的挡板运动。

（3）先进的特效：使文字沿着既定的路线运动，还可加各种特效，如拖尾、字母旋转等。

① 不少于85种外挂特效。

② 每层画面都可使用多种不同的特效。

③ 创建调节图层，把特效整体加到其下的所有图层上。

（4）Adobe家族产品的无缝集成：常用的Adobe Photoshop图层效果、混合模式、蒙版、透明度等合成到After Effects后，都能够维持原始状态；文字可进行编辑，路径可作为蒙版和动画路径。当然，After Effects中也可导入Adobe Illustrator源文件和Adobe Premiere方案并保持完整性。

（5）输入/输出格式：可便捷地输入Quicktime、Photoshop、Illustrator、Tiff、Targa、Bmp、静帧图像序列、FLV、Wav音频等各种电子图像文件。

可便捷地输出Quicktime、Photoshop、Gif动画、Tiff、Targa、静帧图像序列、FLC等各种电子图像文件。

对于Windows格式，可输入/输出Avi文件。

1.3 视频基础知识

1.3.1 电视制式

电视信号采用的编码标准不同，形成了不同的电视制式。电视制式是指一个国家的电视系统所采用的特定制度和技术标准。具体来说，现在世界上共有3种电视制式，目前大部分国家（包括欧洲多数国家、非洲、澳洲和中国）采用 PAL 制式，采用 25 fps帧速率；美国、日本、加拿大等国采用的是由美国国家电视标准委员会（NTSC）制定的NTSC制式，采用30 fps帧速率；另一种制式SECAM制主要用于法国及东欧国家。帧速率是指在播放视频时，每秒钟播放多少帧，帧速率取决于最终视频结果的用途。

PAL制式也称逐行倒相制式，它克服了NTSC制式对于色度副载波相位的敏感性，把两个色差信号变为U、V信号，带宽均为1.3 MHz。在发送端把副载波色度信号V进行逐行倒相，在接收端再把极性复原，并利用延迟线使相位误差引起的色调变化，在相邻行之间互相补充。

NTSC制式是把被传送的彩色图像分解为红、绿、蓝三基色信号，然后变换成亮度信号和两个色差（I、Q）信号，以便于与黑白电视机兼容，根据大面积着色原理，把两个色差信号对副载波进行正交平衡调幅以后，进行频谱交错，加入到亮度信号中一起传送。NTSC制式有相位敏感的缺点。

SECAM制式是顺序传送彩色与存储制式。每行都传送亮度信号，利用延迟线将上一行的色差信号作为未传送行色差信号。它把两个色差信号分别对两个副载波调频，也克服了相位的敏感性。

1.3.2 电视扫描方式

电视扫描方式有如下两种。

1.逐行扫描

顺序地分解像素和综合像素，这个过程称为扫描。逐行扫描的规律为从左到右、从上到下进行扫描，扫完第一幅后扫第二幅，如此循环。如果扫描速度足够快，使换幅频率既高于动态景物运动连续感所需的换幅频率（也称为融和频率，20 Hz），又高于临界闪烁频率（45.8 Hz），则接收到的是既有连续感又无闪烁感的动态影像。由于上述扫描的过程是逐行进行的，因此称为逐行扫描。

根据人眼的视觉暂留效应，只要画面的更换频率（换幅率）大于20 Hz，在视觉上就会有画面连续运动的印象。根据视觉暂留效应把电视画面的换幅率定在了 25 fps （PA L 制式），又根据临界闪烁频率的原理，再考虑到交流电源的干扰问题（如我国是220 V/50 Hz的交流电），将电视画面的换幅率确定为50 fps。

2.隔行扫描

如果按照扫描原理进行逐行扫描，需要相当大的图像信号带宽来传送电信号，在技术上有限制，而且成本高。解决的办法就是采用隔行扫描。

电视采用隔行扫描是为了减小带宽。隔行扫描的原理是：将一帧画面分为两场扫描，即将扫描线分为两组，交叉进行扫描。电子束先扫描一帧的所有奇数行，构成奇数行光栅，称为奇数场；再扫描同一帧的所有偶数行，构成偶数行光栅，称为偶数场。两场光栅在重现图像上精确镶嵌，构成一帧画面。这样图像带宽可以减小一半。由于整体画面的重现频率为50 Hz，所以在一定距离上观看整体画面没有闪烁感。隔行扫描的优点是可以保证在图像清晰度无太大下降和画面无大面积闪烁的前提下将图像信号带宽减小一半。

1.3.3 数字视频的压缩

对视频进行压缩是实际应用的要求，视频压缩可以采样多种不同的压缩算法，算法在很大程度上决定了视频格式的优劣。

1.数字视频压缩的必要性和可能性

视频信号往往都是模拟信号，必须将其进行数字化处理，即经过采样、量化、编码转换成数字视频信号。视频图像经过变换成为数字图像后，就可用计算机显示器来显示，也可以像数字图像一样进行处理。视频信号与静止的数字图像的根本不同在于：视频信号是连续的运动图像，如我国电视采用的 PA L 制式电视信号，每秒钟要播放25帧画面；对于NTSC制式来说，要求每秒钟播放30帧画面。由于数字视频信号表示的是连续的运动图像，所以在将其数字化后产生了一系列问题，主要表现在以下几个方面。

（1）存储方面。数字化后的视频信号的数据量十分巨大，需要大量的磁盘空间，这是因为每一个图像帧的每个像素的色彩和亮度信息都必须被存储。不仅存储数字视频需要使用大量的磁盘空间，数字音频也需要存储空间。一部电影长度通常为一个半小时，电视节目的长度也以小时计，要想存储如此巨大的数据，需要相当大数量的光盘，显而易见这是非常不经济、不必要的。

（2）传输方面。目前，传输介质中的数据传输速度远远低于动态视频所需的存取速度，这会导致大量数据的丢失，因而会影响到接收端的质量，会出现跳帧的现象。对于PAL制式电视机来说，我国PAL制式电视机的视频带宽fc=6.0 MHz，根据奈奎斯特定理，取样频率fs≥2fc。CCIR 601建议书规定：亮度信号的取样频率为13.5 MHz，色度信号的取样频率为 6.75 MHz，每个取样 8 bit，即每有效行的取样数，亮度信号为 720个，每个色差信号为360个。亮度信号和每个色差信号都采用线性PCM，那么传输PAL制式彩色电视机所需要的信号的传输速率为：

13.5×8+2×6.75×8=216（Mbps）

要以25帧/秒的速率来播放数字视频信号，以上面提到的数据量为例，数据传输速率要达到216 Mbps，即216 Mbps左右，而现在各种传输技术的速度都远远达不到这个水平。现在最快的传输介质——光纤的数据传输选择也只有 100 Mbps。可想而知，以正常的速度传输、播放不压缩的数字视频信号是根本不可能的。

（3）实时播放方面。对于视频图像，因为它是动态影像，要求以电视机以每秒 25帧（PAL制式）或30帧（NTSC制式）的速度播放，这样根据人眼的视觉暂留现象，所看到的画面才能自然流畅。如果播放速度低于这个速度或存在丢帧现象，图像效果就难以令人满意。

通过以上分析，了解了视频数字化所带来的问题，而这些问题的产生归结为一点就是数字视频的数据量太大。解决方法有两种：一是增加存储载体的容量；二是减少数字视频的数据量。目前作为数字视频主要存储载体的光盘和硬盘的技术发展得相当快，容量也大幅度提高，尤其是硬盘容量以几万兆字节的速度增长。但即使这样，也难以承载数字视频巨大的数据量，而且这样做很不经济。在这种情况下，选择减少数字视频的数据量就是最明智的选择。

减少数据量也是可能的，因为数字视频中有许多数据是多余的，图像数据是密切相关的。例如，一幅图像内或一段视频的相邻图像之间有着大量的重复内容，在空间和时间上存在着相关性。根据视频信息的这个特点可以尝试去除视频数据中的冗余数据，这样就可以对数据进行压缩。

另一方面，数字视频可以进行压缩而不影响或较少地影响画面质量，这种可能性也建立在人类视听系统的特点上。视频图像的最终接收者是人，眼睛是图像信息的接收端，耳朵是声音信息的接收端。图像、声音数据压缩的可能性既建立在数据本身中含有冗余信息的基础上，又建立在人类听觉、视觉非线性的特点基础上。这种视听的非线性表现在两方面：一是人的感官对信号的时间变化和幅度变化的感受能力有一个极限，对超过或低于某一极限的幅度变化无法感知。例如，人耳只能听到20 Hz～20 kHz范围内的声音；人的视觉系统对亮度敏感，对色彩不太敏感；对空间频率低的能量敏感性强，对空间频率高的能量敏感性差。从视觉心理上说，当人在关心画面的某一重要特征时，往往会忽略其他次要的信息。

根据人的视听系统非线性的特点，可以把超过人类视听辨认极限的部分去掉，对人不敏感的信息用较少的数据来描述，这样可以相应地减少这部分信息的数据量，从而达到数据压缩的目的。

通过以上分析可知，没有必要存储全部的数字视频数据。以舍弃一部分信息为代价，保留最重要的、最本质的信息，用新的编码方法来重构原来的画面，既减少重复信息又保证质量，以达到更高的数据压缩比，这就是视频压缩的实质。

2.视频压缩的原理

数据压缩的实现就是对数据进行重新编码，它的理论基础是信息论。从信息论角度而言，压缩基本上是这样一个过程：通过消除信息中的冗余成分来减少数据量，即保留不确定的信息，去除确定的、可推知的信息，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有的描述，这涉及信息的重新编码。

（1）图像压缩编码。

动态图像的压缩实质上是将数字化的视频信息重新编码成一种数据流。图像的数字编码是指在保持原图像质量的前提下减少需要存储和传送的图像或视频数据。

视频压缩通常利用两种基本原理。一种是减少图像信号中冗余的信息，即时间冗余信息和空间冗余信息，以减少存储和传送冗余信息，这可以通过分析视频信号来实现。这些基于数据统计（去掉数据冗余）的编码方法属于第一代即低层的编码方法，总的来说就是要识别并去除冗余信息，从而减少存储量和所需带宽。

另一种是利用人类视觉心理特性的编码方法，一方面考虑了人眼的视觉特性；另一方面考虑了图像传递的景物特征。其实人眼视觉系统本身就是一种最优的图像编码系统，这种编码方法属于第二代（即中高层的）编码方法。

具体来说，压缩过程涉及空间和时间两个方面，利用视频信息在空间上存在冗余成分进行编码的方法称为空间冗余编码；利用视频信息在时间上存在冗余成分进行编码的方法称为时间冗余编码。

（2）空间冗余编码。

空间冗余编码也常常被称为帧内压缩或空间压缩，即数据的压缩发生在同一帧内，仅考虑本帧内的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息。

一般来说，在同一幅图像中，规则物体和规则背景在形状、颜色上具有相似之处。更具体地说，一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的，因此一个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在一定的关系，呈渐变状，这种关系称为空间相关性。一幅图像中或连续运动的图像之间有可能存在着大量的色彩或亮度相同、相近的像素块，这些相关性在数字化图像中就表现为数据的空间冗余。

帧内压缩的编码效率较低。但是由于帧内压缩时各个帧之间没有相互关系，所以压缩后的视频文件可以以帧为单位进行编辑，它适用于电视节目的制作。

（3）时间冗余编码。

时间冗余编码也常常被称为帧间压缩或时间压缩。它的依据是动态图像之间存在着时间上的相关性。电影、电视等动态影像的一段画面常常由若干帧连续图像组成的图像序列构成。一般来说，图像序列中相邻帧的图像内容变化不大也存在一定的关系，这种关系称为时间相关性或时间冗余度。

降低时间冗余度的有效方法是只记录和传送相邻图像之间变化的部分，即差值它代表了图像的运动部分和变更部分。一幅图像与其前一幅和后一幅图像都是相关的，或者说一幅图像可以通过前一幅图像和后一幅图像描述出来是可以推知的。在编码时只要描述一幅基础的画面和表示图像之间差别的数据就可以表示出连续的画面来。如果用一种代码描述一幅画面，再用包含更少的数据量的代码来描述当前画面与后继画面之间的差别，同样可以还原出动态图像。这种冗余编码发生在相邻帧或连续帧之间，这种压缩类型也被称为帧间压缩。

帧间压缩可以获得较高的压缩比。它采用预测技术对一幅画面及其相邻画面进行分析而得出其他画面，对于内容变化不大的画面的预测性能较好，画面还很流畅；而对于内容变化较大的画面，预测性能较差，画面就不连续了。

3.视频压缩方法

压缩方法可以归类为无损压缩与有损压缩、对称压缩和不对称压缩等。

（1）无损压缩与有损压缩。根据信息在压缩过程中是否有丢失来划分，视频压缩可分为有损压缩和无损压缩两种。

无损压缩中，在解码后还原出来的数据与原始数据完全一致，不存在任何差别，即在压缩中没有丢失任何信息，能够精确地重构原始图像，是可逆编码方法。这种既能压缩信息量又不对信息造成任何影响的无损压缩方法最符合视频制作的要求。但是这种压缩方法有一定的适用条件，即它对那些内容重复比较多的信息压缩比最大，而对没有重复信息或重复信息很少的文件压缩比较小，这就限制了它在数字视频领域中的应用。

有损压缩在压缩过程中会丢失视频中的一些信息，解码后的图像与原始图像存在一定的误差，而且丢失的信息不能恢复，也称为不可逆编码方法。作为高质量的视频压缩手段，尽量丢掉了一些人眼视觉功能不需要的信息或人眼不敏感的信息，但解压缩后的信息与原始信息没有多大差别，在视觉效果上是可以接受的。这种压缩方法既保持了视频信号的高质量，压缩程度又很高。目前数字非线性编辑系统大都采用有损压缩的方式，而且压缩程度（即压缩比）可调，可以适应视频制作不同的要求。

（2）对称压缩和不对称压缩。

对称性是压缩编码的一个关键特征。

对称压缩，指压缩与解压缩所需要的处理时间和处理能力相同。在节目制作中常用到这种方法。对称压缩适合于实时压缩和传送视频。

不对称压缩，指在压缩和解压缩的过程中所需的处理能力不一样，当然所需时间也不一样。一般来说，在这种情况下需要很强的压缩处理能力，而一旦压缩完成，解压缩过程就很简单、快速且可以多次使用。

采用这种方法时，需要用档次较高的设备，而解压缩设备往往只需要大众化的、比较便宜的设备即可。

1.4 热身运动：飞机导航图制作

1.4.1 实训目的

虽然本章还没有介绍关于After Effects软件的基本工作窗口与命令，但是在这里主要通过一个简单的实例——飞机导航图的制作，引出用After Effects制作影片的流程，让读者了解，并且培养读者的学习兴趣。

1.4.2 实训操作步骤

实训具体操作步骤如下。

（1）启动After Effects，打开After Effects的工作界面。选择“开始”→“程序”→“After Effects CS5”命令即可。

（2）在After Effects的工作界面中，新建一个合成。选择“图像合成”→“新建合成组”命令，弹出“图像合成设置”对话框，如图1.6所示。设置合成名称为“飞机导航图”，持续时间为5秒，其他的参数设置如图1.6所示。

图1.6“图像合成设置”对话框

（3）导入素材。选择菜单命令“文件”→“导入”→“文件”，弹出“导入文件”对话框，如图1.7所示。在此导入一个Photoshop格式的文件，导入方式选择“素材”。

图1.7“导入文件”对话框

（4）单击“打开”按钮，弹出“图层选项”对话框，如图1.8所示。选中“选定图层”单选按钮，选择图层2，单击“OK”按钮，可导入5_PLANE.PSD中图层2的内容作为素材，同样，采用相同的步骤，导入5_PLANE.PSD中图层1的内容。导入后素材被放在“项目”窗口中，如图1.9所示。

图1.8“图层选项”对话框

图1.9“项目”窗口

（5）将素材拖入“时间线”窗口。分别将素材“图层1”和“图层2”拖入“时间线”窗口，如图1.10所示，飞机所在的图层在地图所在的图层之上。

图1.10“时间线”窗口的摆放位置

（6）选中“飞机”图层，调整它的大小。

（7）下面将让飞机从大洋洲开始，分别经过南极洲、南美洲、北美洲、亚洲和非洲，产生一个运动动画。

（8）选中“飞机”图层，按键盘上的“P”键，打开“飞机”图层的“位置”属性，如图1.11所示。单击“位置”旁边的小闹钟图标，给它增加一个关键帧。

图1.11 增加关键帧

（9）将时间指示器移动到时间线中 1 秒的位置，将合成预览窗口中的飞机移动到南极洲的位置；将时间指示器移动到时间线中 2 秒的位置，将合成预览窗口中的飞机移动到南美洲的位置；将时间指示器移动到时间线中 3 秒的位置，将合成预览窗口中的飞机移动到北美洲的位置；将时间指示器移动到时间线中 4 秒的位置，将合成预览窗口中的飞机移动到亚洲的位置；将时间指示器移动到时间线中 5 秒的位置，将合成预览窗口中的飞机移动到非洲的位置。这样分别在不同的位置产生相对应的关键帧，如图1.12所示。