第1章 電影虛擬化制作基礎 / 1
1.1 電影虛擬化制作概念 / 1
1.2 電影技術的發展 / 2
1.3 數字電影特效的革新 / 4
1.4 電影虛擬化制作的產生與發展 / 4
1.4.1 電影虛擬化制作的產生 / 4
1.4.2 電影虛擬化制作的發展 / 5
1.5 思考練習題 / 6
第2章 數字電影特效技術 / 7
2.1 電影特效概念 / 7
2.2 傳統電影特效發展歷程 / 7
2.2.1 傳統電影特效的出現 / 8
2.2.2 傳統電影特效的發展與革新 / 8
2.2.3 傳統電影特效概述 / 10
2.3 數字電影特效發展歷程 / 11
2.3.1 特效的數字化革命 / 11
2.3.2 數字特效技術流程 / 17
2.4 電影特效的發展趨勢 / 21
2.5 思考練習題 / 22
第3章 虛擬現實技術 / 23
3.1 虛擬現實概述 / 23
3.1.1 虛擬現實的定義 / 23
3.1.2 虛擬現實的性質 / 23
3.2 虛擬現實發展歷程 / 24
3.2.1 技術誕生期（1950—1960年） / 24
3.2.2 技術發展期（1970—1980年） / 26
3.2.3 技術消沉期（1990—2000年） / 26
3.2.4 技術啟蒙期（2000—2018年） / 27
3.2.5 穩步發展期（2019年至今） / 27
3.3 虛擬現實繫統 / 28
3.3.1 虛擬現實繫統概述 / 28
3.3.2 虛擬現實繫統類型 / 28
3.3.3 虛擬環境表現形式 / 29
3.4 虛擬現實技術與電影制作 / 30
3.4.1 新穎的觀影方式 / 30
3.4.2 虛擬預演與電影虛擬化制作 / 31
3.5 思考練習題 / 32
第4章 渲染技術 / 33
4.1 離線渲染技術 / 33
4.1.1 光柵化渲染 / 33
4.1.2 光線追蹤 / 35
4.2 實時渲染技術 / 36
4.2.1 渲染方程 / 37
4.2.2 實時陰影 / 37
4.2.3 實時環境光照 / 43
4.2.4 實時全局光照 / 45
4.2.5 PBR材質渲染模型 / 50
4.2.6 實時光線追蹤 / 52
4.3 電影虛擬化制作中的渲染方式 / 54
4.3.1 離軸渲染 / 54
4.3.2 基於復雜表面模型的渲染 / 54
4.3.3 多機同步渲染 / 55
4.4 思考練習題 / 56
第5章 實時合成技術 / 57
5.1 實時合成技術分類 / 57
5.1.1 藍/綠幕實時摳像合成 / 57
5.1.2 攝影機內視效拍攝 / 58
5.1.3 XR實時合成 / 58
5.2 實時合成關鍵技術 / 59
5.2.1 攝影機跟蹤技術 / 59
5.2.2 實時渲染技術 / 60
5.2.3 LED顯示技術 / 60
5.2.4 擴展現實影像制作技術 / 60
5.3 藍/綠幕實時摳像合成 / 60
5.3.1 實時合成步驟 / 61
5.3.2 常見問題及解決方法 / 63
5.3.3 常用工具 / 64
5.4 攝影機內視效拍攝 / 65
5.4.1 實時合成步驟 / 65
5.4.2 常見問題及解決方案 / 67
5.5 XR實時合成 / 68
5.5.1 實時合成步驟 / 68
5.5.2 常見問題及解決方案 / 69
5.6 思考練習題 / 69
第6章 投影與顯示技術 / 70
6.1 投影顯示技術 / 70
6.1.1 CRT投影 / 70
6.1.2 LCD投影 / 70
6.1.3 DLP（DMD）投影 / 71
6.1.4 數字電影放映機光源 / 72
6.2 直接顯示技術 / 72
6.2.1 自發光 / 73
6.2.2 非自發光 / 74
6.3 LED顯示技術 / 75
6.3.1 LED顯示技術原理及發展概述 / 76
6.3.2 LED顯示技術的應用歷史 / 76
6.3.3 LED發光原理和關鍵特性 / 78
6.4 思考練習題 / 82
第7章 動作捕捉與表演捕捉技術 / 83
7.1 動作捕捉技術 / 83
7.1.1 動作捕捉技術概述 / 83
7.1.2 動作捕捉技術分類 / 84
7.1.3 動作捕捉技術流程 / 88
7.2 表演捕捉技術 / 92
7.2.1 表演捕捉概述 / 92
7.2.2 面部捕捉技術 / 92
7.2.3 手部捕捉技術 / 96
7.3 思考練習題 / 98
第8章 攝影機跟蹤技術 / 99
8.1 攝影機跟蹤技術概述 / 99
8.1.1 攝影機跟蹤技術定義 / 99
8.1.2 攝影機跟蹤技術發展 / 100
8.1.3 對電影虛擬化制作的意義 / 100
8.2 攝影機跟蹤技術原理 / 100
8.2.1 真實攝影機的模擬 / 100
8.2.2 攝影機內參 / 102
8.2.3 攝影機外參 / 102
8.3 攝影機跟蹤技術流程 / 104
8.3.1 標定 / 105
8.3.2 注冊 / 106
8.3.3 跟蹤 / 107
8.4 思考練習題 / 112
第9章 照明控制技術 / 113
9.1 用於照明控制的光源 / 113
9.1.1 光臺 / 113
9.1.2 LED光源 / 114
9.2 燈光控制 / 115
9.2.1 燈光控制協議 / 115
9.2.2 燈光控制方式 / 117
9.3 數控照明 / 121
9.3.1 數控照明設備 / 121
9.3.2 數控照明應用 / 123
9.4 未來與展望 / 124
9.5 思考練習題 / 125
第10章 電影虛擬化制作中的虛擬現實技術 / 126
10.1 虛擬現實建模技術 / 126
10.1.1 虛擬現實建模技術概述 / 126
10.1.2 虛擬現實建模技術與電影虛擬化制作 / 128
10.2 虛擬現實全景技術 / 129
10.2.1 虛擬現實全景技術概述 / 129
10.2.2 虛擬現實全景技術與電影虛擬化制作 / 129
10.3 虛擬現實顯示技術 / 130
10.3.1 虛擬現實顯示技術概述 / 130
10.3.2 虛擬現實顯示設備 / 130
10.3.3 虛擬現實顯示技術限制 / 135
10.3.4 虛擬現實顯示技術與電影虛擬化制作 / 135
10.4 虛擬現實跟蹤技術 / 136
10.4.1 虛擬現實跟蹤技術概述 / 136
10.4.2 虛擬現實跟蹤技術與電影虛擬化制作 / 140
10.5 人機交互技術 / 141
10.5.1 人機交互技術概述 / 142
10.5.2 人機交互設備 / 142
10.5.3 人機交互技術與電影虛擬化制作 / 146
10.6 虛擬現實聲音技術 / 146
10.6.1 虛擬現實聲音技術概述 / 146
10.6.2 虛擬聲音技術與電影虛擬化制作 / 147
10.7 思考練習題 / 147
第11章 電影虛擬化制作中的信號處理技術 / 148
11.1 電影虛擬化制作信號流程概述 / 148
11.2 電影虛擬化制作中涉及的信號傳輸接口與
   協議 / 149
11.2.1 網絡接口與協議 / 149
11.2.2 視頻信號接口與協議 / 151
11.2.3 同步信號接口與協議 / 152
11.3 用於實時交互預演的信號處理手段 / 153
11.3.1 攝影機信號的獲取與傳輸 / 153
11.3.2 現場信號的處理與錄制 / 155
11.3.3 信號的分發與管理 / 156
11.4 用於LED虛擬化制作的信號處理手段 / 158
11.5 思考練習題 / 158
第12章 電影虛擬化制作理論與應用概述 / 159
12.1 電影虛擬化制作的概念 / 159
12.2 電影虛擬化制作的發展 / 160
12.2.1 數字技術的發展 / 160
12.2.2 預演技術的發展 / 161
12.2.3 電影虛擬化制作的發展 / 163
12.3 電影虛擬化制作中的虛擬預演分類 / 164
12.3.1 前期階段 / 165
12.3.2 現場拍攝/制作階段 / 166
12.3.3 後期階段 / 167
12.4 電影虛擬化制作中的虛擬預演制作 / 167
12.4.1 常見預演軟件 / 167
12.4.2 常見預演硬件設備 / 174
12.5 電影虛擬化制作的典型流程 / 175
12.5.1 電影虛擬化制作的實時交互預演 / 175
12.5.2 基於LED背景牆的電影虛擬化制作 / 176
12.6 思考練習題 / 177
第13章 電影虛擬化制作的實時交互預演 / 178
13.1 實時交互預演的產生與發展 / 178
13.1.1 實時交互預演的概念 / 178
13.1.2 實時交互預演的發展與特征 / 179
13.1.3 實時交互預演的現存問題 / 180
13.2 實時交互預演的框架與技術 / 181
13.2.1素與交互方式 / 181
13.2.2 實時交互預演遵循的原則 / 182
13.2.3 實時交互預演的基礎框架 / 183
13.2.4 實時交互預演中的實時技術 / 186
13.3 實時交互預演的應用總結與發展展望 / 187
13.3.1 技術應用實例 / 187
13.3.2 技術優勢及對產業的影響 / 194
13.3.3 應用中的局限性與討論 / 198
13.3.4 發展趨勢與展望 / 199
13.4 思考練習題 / 200
第14章 基於LED背景牆的電影虛擬化制作 / 201
14.1 LED虛擬化制作的產生與發展 / 201
14.1.1 實時交互預演中的藍/綠幕拍攝 / 201
14.1.2 LED光源在影視照明效果光中的應用 / 202
14.1.3 LED虛擬化制作 / 204
14.2 LED虛擬化制作的框架與技術 / 205
14.2.1 LED背景牆顯示技術 / 206
14.2.2 渲染技術 / 207
14.2.3 跟蹤技術 / 209
14.2.4 照明技術 / 210
14.2.5 人機交互技術 / 212
14.3 LED虛擬化制作的應用總結與發展展望 / 213
14.3.1 技術應用實例 / 213
14.3.2 技術優勢及對產業的影響 / 218
14.3.3 應用中的局限性與討論 / 219
14.3.4 發展趨勢與展望 / 220
14.4 思考練習題 / 221
第15章 電影虛擬化制作技術發展現狀及展望 / 222
15.1 發展現狀 / 222
15.2 未來展望 / 224
15.3 思考練習題 / 226
附錄1 中英文術語對照及釋義 / 227
附錄2 書中出現的影視、書籍、遊戲作品列表 / 246

2009年，詹姆斯.卡梅隆（James Cameron）導演的電影《阿凡達》上映並取得了巨大成功。伴隨著影片的上映，其拍攝制作過程中采用的新興技術手段——“電影虛擬化制作”（Movie Virtual Production）也開始為世人所知，它是多種新興技術交彙融合的產物，也是一個包容開放的技術框架。它通過計算機技術輔助內容創作，強調制作過程的可視化、非線性、交互性、智能化，致力於在電影制作的全流程中打破部門、環節與技術壁壘，打破虛擬與真實的界限，從制作到呈現都實現數字化與可視化。當前，電影虛擬化制作技術不斷迭代和發展，全方位融合各個領域的最新技術，為行業發展和產業升級提供了革命性的技術手段，成為影視行業研究與產業應用的熱點。
從“電影虛擬化制作”這一概念誕生開始，北京電影學院影視技術繫就組織研究團隊進行專項研究，圍繞電影虛擬化制作關鍵技術、電影虛擬化制作流程、電影虛擬化制作的示範應用，進行了深入研究和應用實踐。在完成相關研究的過程中，我們形成了一繫列研究成果，項目團隊共發表論文20餘篇，相關技術內容申請發明專利10餘項，授權軟件著作權4項，相關研究成果“基於LED背景牆的電影虛擬化制作繫統”獲2022年中國電影電視技術學會科技進步二等獎。集成研發的電影虛擬化制作繫統和相關技術也在行業中成功應用，從2014年開始便在多部商業大片中推廣應用這一技術，並在實踐中不斷完善，在新技術發展過程中不斷迭代提高。
影視技術繫在完成相關研究的基礎上，已將這些研究成果用於本科生和研究生的專業課程教學當中，分別作為課程的理論教學內容和實踐環節內容。電影虛擬化制作研究的相關成果，服務於北京電影學院影視技術繫和校內相關院繫的教學與實踐，大量測試片和學生作業也應用了這一技術，學生也充分學習和實踐新興技術，了解最新的電影創作手段。
電影虛擬化制作技術已經在電影制作中發揮了重要作用，受到國內外影視從業者的重視。然而，目前國內介紹這一技術的相關書籍和教材卻很少，數字電影技術與制作的相關書籍大多數還是按照“前期籌備、拍攝、後期制作、發行放映”的線性制作流程進行講解，或是針對專門的數字電影特效技術及相關軟件進行介紹。針對電影虛擬化制作技術的講解主要見諸相關領域論文或專著的部分章節，尚未形成專門教材。為了改變這一狀況，北京電影學院影視技術繫身負使命，在十多年來對電影虛擬化制作的研究和應用的基礎上，組織專門團隊撰寫了這部教材。
本教材面向影視技術相關專業方向的學生、影視行業從業人員，以及對影視制作與影視技術發展有著濃厚興趣的愛好者，立足於電影技術的歷史、現狀以及未來的發展趨勢，結合當前的新興科技，重點介紹影視制作領域最新的技術方向與未來發展趨勢—電影虛擬化制作。全文圍繞“電影虛擬化制作的產生與發展”“電影虛擬化制作的關鍵技術”“電影虛擬化制作的理論與應用”三個部分展開，篇章結構如圖1所示。化制作的光源、燈光控制方式與數控照明方案；而第10章則結合當下的虛擬現實技術，介紹了應用於電影虛擬化制作中的虛擬現實的關鍵技術；第11章著眼於信號處理，從流程、信號傳輸接口、信號處理手段等方面介紹了電影虛擬化制作的信號處理技術及其原理。
第三部分—理論與應用篇，包括第12章至第15章，共4章。第12章是理論與應用的概述章節，介紹了目前電影虛擬化制作技術的整體發展與應用情況，同時對當前各項電影虛擬化制作中的具體預演技術進行了歸類與概念闡述，並按照典型制作流程，將目前的電影虛擬化制作劃分為“電影虛擬化制作的實時交互預演（簡稱‘實時交互預演’）”與“基於LED背景牆的電影虛擬化制作（簡稱‘LED虛擬化制作’）”兩個大類，並分別通過第13章和第14章進行了細致與深入的應用講解。第15章是全書的總結，結合目前電影虛擬化制作的發展現狀，對該項技術的未來發展進行了展望。
本書由陳軍、趙建軍編寫，參與編寫第一部分內容的還有魯夢河、王瀟玨；參與編寫第二部分內容的還有侯爵、肖翱、耿天樂、魯夢河、李想、盧柏宏、羅瑞珍；參與編寫第三部分內容還有耿天樂；參與全文統稿修改的還有王瀟玨、魯夢河、程緒琪、耿天樂；參與圖片修改和完善的有盧柏宏、魯夢河。
在此，特別感謝北京電影學院以及教學科研平臺對本書的支持，正是得益於學院政策上的支持，得益於教務處在教學資源建設和教材建設中的具體支持，纔使本教材能夠圓滿完成。
由於編者能力所限，本書難免有不當之處，懇請專家和廣大讀者不吝指正。
 編  者