虚拟镜头系统

虚拟镜头系统（Virtual camera system）在三维电子游戏中是一种透过控制一个或多个镜头的方式，呈现一个三维的虚拟世界。用于电子游戏的镜头系统旨在于最佳角度展示动作；广泛而言，这些镜头用于需要第三人称视角的三维虚拟世界。

与电影制作者不同，虚拟镜头系统设计师需要应付一个互动而无法预计的世界。设计师不可能知道玩家角色在接下来的数秒会前往哪里，故无法像电影制作者般事先规划镜头 (电影摄制)。为解决该问题，该系统依靠既有的规则或人工智能选择最合适的镜头。

虚拟镜头系统主要可分为三种：

- 固定视角镜头系统（fixed camera system）：镜头不会移动，系统透过一连串静止镜头显示玩家角色。
- 追踪镜头系统（tracking camera system）：能够追踪角色移动的镜头系统。
- 互动镜头系统（interactive camera system）：一种容许玩家直接转换视角的半自动系统。

电子游戏开发者通常利用约束解算工具、人工智能脚本或自主代理等技术实践这类镜头系统。

## 第三人称视角

在电子游戏中，“第三人称”指在略高于玩家角色身后一个固定距离位置上生成的一种图像透视。这种视角容许玩家从屏幕上看到更强描绘性的头像，并于动作游戏及动作冒险游戏中最为常见。采用这种透视的游戏通常使用位置音效（positional audio），该技术透过头像的所处位置以调节周遭声音的音量大小。

第三人称镜头系统基本上可分为三种：于游戏创制时已经固定镜头角度的“固定视角镜头系统”、跟随玩家角色的“追踪镜头系统”，及由玩家自由控制的“互动镜头系统”。

### 固定视角镜头

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有了固定视角镜头，开发者可在游戏设计时设定镜头的位置、方向及视野等特性。由于镜头角度不会动态改变，在同一个视野下会常常显示同一处地方。采用固定视角镜头的游戏数有1998年的《神通鬼大》，以及早期的《生化危机》与《战神》游戏。

固定视角镜头的其中一个好处是容许游戏设计者使用电影语言，透过摄影技术和镜头选材营造氛围。使用这种技术的游戏作品往往于电影质素上备受赞颂。不少采用固定视角镜头的游戏均采用坦克式控制，该种技术容许玩家依靠玩家角色的位置（而非镜头位置）控制角色移动，有助玩家在镜头角度转变的情况下仍能维持既有方向。

### 追踪镜头

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追踪镜头于身后追踪角色，玩家并不能透过旋转或移动镜头位置等任何方式控制有关镜头。由于这种镜头系统易于实践，故于《古惑狼》或《古墓丽影》等早期三维游戏中大为流行。然而，该系统有着数项问题，尤其是在当前视角不适宜的场合中（原因可能是镜头被外来物件堵塞，又或镜头展示玩家并无兴趣的内容），镜头在玩家无法控制镜头的情况下不能被移动。在部分情况下，这种视角于角色转身或面朝外靠墙站立的情况下出现困难，或令镜头抖动，甚或以尴尬形态收场。

### 互动镜头

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互动镜头系统是在追踪镜头系统的一项改进。当镜头仍在追踪角色时，镜头的角度或与角色之距离等部分参数可被调节。在电子游戏机中，玩家通常透过类比摇杆操控镜头，皆因该种摇杆的准确度良好；而电脑游戏中则常以鼠标作控制。这种情况在《超级玛利欧阳光》和《萨尔达传说 风之律动》等游戏中体现得到。由于全互动镜头系统往往难以透过恰当方式实践，故《GameSpot》认为《超级玛利欧阳光》的操作困难在于玩家对于镜头的控制。相对而言，《萨尔达传说 风之律动》在镜头方面的实践则更为成功——《IGN》形容该镜头系统“智能得甚少需要人手修正”。

《超级玛利欧64》是首批提供互动镜头系统的游戏之一。该游戏备有两种镜头系统供玩家随时切换：第一款是标准的追踪镜头系统，但部分改由人工智能驱动。系统确实会“留意”关卡的结构，从而预测特定的镜头。如在第一关中，当通往小山的道路准备向左转时，镜头亦会开始自动向左看，从而推测玩家的动作。第二款则是容许玩家依据玛利欧的位置控制镜头。按动左／右按钮会令镜头围绕玛利欧移动，而按动上／下按钮则会令镜头靠近或远离玛利欧。

## 实践

目前有大量的研究集中于镜头系统的实践方法。约束解算软件的作用为于在一系列的视觉限制下生成最好的镜头。换言之，该软件会收到一个所需的镜像构图（如“在确保这个角色覆盖屏幕空间至少30%下展示他”），然后利用不同方法构建一个符合该要求的镜头。在找到一个适合的镜头后，该软件输出镜头的方位及旋转角度，而相关数据可供图形引擎渲染器（graphic engine renderer）生成视图（view）。

在部分镜头系统中，若果无法找到可行解决方案，一些限制可获放宽。例如，若果解决者无法在角色占用30%屏幕空间的情况下生成一个镜头，则可无视屏幕空间限制，只需确保有关角色在屏幕上可见即可；相关方法包括缩小。

部分镜头利用预定义的脚本以决定如何在常见的镜头场景（film idioms）中选择当前镜头。一般而言，脚本会作为一个动作的结果而被触发——譬如，当玩家角色与其他角色开展对话时，会触发“对话”脚本，当中包含如何“拍摄”二人对话时的指示；故此，上述情景中的镜头将包含一连串过肩镜头和特写等镜头。这类脚本为本（script-based）的方法可将镜头在一组预定义的镜头中切换，又或依靠约束解算工具所生成的镜头方位以解释场景布局中的可变性。这种运用脚本与利用约束解算工具以计算虚拟镜头的方法最初是由史蒂文·M·德鲁克（Steven M. Drucker）提出的，而后续的研究演示了脚本为本的系统如何能自动切换镜头，使得在实时沟通应用上展示不同头像之间对话。

比尔·汤姆林森（Bill Tomlinson）就上述问题采取了一种更原始的方法。他设计出一种系统，并将镜头视为一个有个性的自主代理，其心情将会影响镜头的风格与节奏。故此，镜头在愉悦的心情下会“更频密地剪掉镜头、花更多时间于近镜镜头上，并会以一种快活而俯冲的方式移动，且会将情景明亮地照亮”。

当过往大部分于自动化虚拟镜头控制系统上的工作在于减少人手控制镜头的需要下，导演镜头方案透过计算及提出一系列建议的虚拟相机镜头，让操作者只需处理创意镜头（creative shot）的选择工作。在计算随后的建议虚拟相机镜头中，系统会分析视觉创作（visual composition）及编辑先前已录制的镜头模式，从而计算能遵守连续性惯例（continuity convention）的建议相机镜头——相关惯例计有不越过行动线、在令角色于横切处看似互望对方下为虚拟角色匹配位置，以及较喜欢操作者之前按顺序使用的镜头等。

## 混合实境应用

微软于2010年发表集三维扫描及摄像头于一身的混合周边设备Kinect，为Xbox 360玩家提供全身侦测，及于电子游戏和其他应用程序之用户界面中的免提操控。该装置后来经由加利福尼亚大学戴维斯分校的奥利弗·克雷洛斯（Oliver Kreylos）修改，透过一系列的YouTube视频展示将Kinect与基于个人电脑（PC）开发的虚拟镜头结合。由于Kinect能够于一个捕获的画面中，利用电脑立体视觉和结构光侦测全深度范围，故奥利弗·克雷洛斯展示了Kinect和虚拟镜头能够以自由视角在深度范围中导航的特性（纵然镜头只能在Kinect前方展示的场景进行视频捕获），结果镜头在深度范围内无法捕获视频的地方呈现一片黑暗而空白的空间。及后，他就结合两台Kinect的视讯串流之修改进行深入而详细的阐述，而相关的修改旨在进一步提升虚拟镜头取景范围内的视频捕获效果。奥利弗·克雷洛斯对于Kinect的开发工作在《纽约时报》的一篇文章中获提及，而该文章亦包含其他人于Kinect黑客与自制程式 (电子游戏)社区中的作品。

## 实时录影与动作追踪

虚拟镜头之开发容许导演在一个预先建构的数位环境（如房子或太空船内）中摄制动作捕捉镜头，并于实时观看数位角色的动作。《生化危机5》是首部使用该技术的电子游戏，而有关技术是为2009年电影《阿凡达》开发。利用动作捕捉控制虚拟镜头的位置与方向有助操作者透过简单移动和转动虚拟摄影机装置（virtual camera rig），即可凭直觉地移动及瞄准虚拟摄影机。虚拟摄影机装置包含一个便携式显示器（或平板装置）、运动传感器、可选的支援框架，以及常用于开始／停止录影及调校镜头特性的摇杆／控制按钮（可选）。1992年，麻省理工学院媒体实验室的迈克尔·麦肯纳（Michael McKenna）将一个波尔赫姆斯牌磁力运动传感器及一部3.2吋便携式液晶体电视连接至一把木尺上，示范了文献记载上首部虚拟摄影机装置。北卡罗来纳大学教堂山分校的走查计划制作了一系列专为控制虚拟镜头而设的实体输入装置，包括一对三轴摇杆和一个名为“UNC Eyeball”的桌球式设计道具，当中后者包含一个整合式六自由度动作追踪器和一个数位按钮。