一、早期的探索
自《阿凡達》上映以來，不斷聽聞各路媒體驚呼“蟄伏十二年，卡梅隆傾力重金打造《阿凡達》”，意思大致是《泰坦尼克》功成名就後老卡就一門心思搞《阿凡達》了，而且一味宣傳5億美元的重金投入，所以影片理所當然的應該震撼，似乎《阿凡達》就是個擺在高檔店鋪內的商品，不過是貴了點，任哪個暴發戶只要願意花錢都可以買到。
事實上，卡梅隆這些年沒有像很多人那樣稍有名氣之後，就趁熱打鐵拍些亂七八糟的故事片狠撈幾筆，反而踏踏實實地參與到了NASA（美國國家航空航天局）的太空科研計劃，利用拍攝紀錄片的機會，成功研發出了無數領先世界平均技術甚至概念水平的影片製作工具和工藝流程，從而能夠為打造出《阿凡達》這樣無人能望其項背的作品做足準備。如果沒有老卡和他的團隊十幾年如一日的刻苦鑽研，怎麼可能有這些工具和經驗可用？知識和經驗是無價的，卡梅隆從來也不絕不可能拍賣他的研發成果，就如同任誰花多少錢也不可能買到美國最先進的軍事科技一樣。
其實從2001年拍攝《深淵幽靈》時開始，卡梅隆就開始與好萊塢著名攝影師文思·佩斯（VincePace，ASC）、索尼公司和潘納維申（PANAVISION）公司的工程技術人員合作，設計和應用基於高清技術的立體攝影系統。他們經過一系列的方案研究和實驗，製成了以兩臺SONYHDCF950為主機，富士雙10×5mm鏡頭的雙機平行排列的高清攝影系統，並命名為“現實攝影系統”（RealityCameraSystem）。此係統使兩鏡頭光軸的距離精確地保持在69mm，和人眼瞳距相等，且可以根據被攝主體的遠近調整匯聚角度的大小變化，以光學的方式重現人眼對深度的感受。由於兩臺HDCF950機身寬大，如不加以改造無法靠近到需要的間距，因此在索尼工程師的協助下，他們將F950的光學部件和前置信號放大電路拆卸下來並重新裝置在一個小型的機身內，通過30英尺長的光纖信號纜線連接記錄和控制設備。
利用這套系統，卡梅隆實現了他多年以來從另外一個角度重新詮釋泰坦尼克的願望，並重新定義了立體電影在製作方式上的新方法和新標準。
《深淵幽靈》 中，改造而成的“現實攝影系統”
2003年，在IMAX3D版本的《深淵幽靈》於北美上映並大獲成功，而他在《深淵幽靈》成功後沒有著急拍《阿凡達》，據他自己講其中最主要的兩個因素是：要進一步完善立體和視覺特效技術，更要等待商業數字立體影院在世界範圍的普及。而2003-2009年，正是世界上數字影院建設、數字電影拷貝標準討論和確立的重要階段，在此期間世界各地，特別是我國數字影院建設速度不斷加快，這就為《阿凡達》數字3D版本的上映創造了良好條件。卡梅隆非常明智地在這個時候選擇了潛心技術研發，待到時機成熟一鳴驚人。
《深淵幽靈》後卡梅隆沒有停步，他與文思·佩斯一道繼續改進完善“現實攝影系統”。在2003年開始進行的《深海異形》項目中改進了系統，使雙機封裝更為緊密，同時增加了基線、匯聚、雙鏡頭變焦、跟焦、光圈聯動同步調整機構，以及雙機內部參數設置等全部參數的遠程控制，而且在此基礎之上更嘗試在拍攝過程中將上述參數變化的數值實時精確記錄下來，並將此數據傳給三維和後期合成部門，以便CG鏡頭的立體參數可與實拍鏡頭完美匹配。2005年，與《深淵幽靈》同樣使用了IMAX公司DMR技術製作的IMAX3D版本的影片成功在北美IMAX影院上映，延續了卡梅隆科學紀錄片的輝煌。導演在片中表現了強烈的探索未知領域的激情，甚至希望自己能夠駕駛潛艇在火星的海底與外星人親密接觸，實現自己在外星球拍攝立體電影的願望。如此的敬業、熱忱和浪漫深深感染著觀眾，讓人肅然起敬。
卡梅隆親駕潛艇深入海底，操作立體攝影機拍攝海底生物
2007年，在一年一度的美國NAB展會上，文思·佩斯正式展示了他們團隊成熟的產品和服務：佩斯-卡梅隆Fusion攝影系統（Pace-CameronFusionCameraSystem），以及名為FusionMobileUnit的世界首套移動式3D節目製作和轉播系統，自此佩斯和其技術團隊終於實現了世界領先的從前期採集到後期製作，乃至現場直播的整體解決方案，為3D節目製作提供了強有力的技術支援保障。展會後各類導演、製片商和電視臺對佩斯公司提供的技術服務爭先使用，同時為系統的進一步成熟和新方案的開發提供了機會。同年，斯皮爾伯格和傑佛瑞·卡贊伯格（JeffreyKatzenberg）旗下的夢工廠動畫公司對外宣佈：自2007年起，夢工廠將所有正在和即將生產的動畫片全面轉向3D立體流程，自2009年起，之後上映的所有動畫片都將具有立體版本。
佩斯 - 卡梅隆 Fusion 攝影系統
Pace Fusion 移動式 3D 節目內容製作和轉播系統
二、《阿凡達》的數字立體攝影
《阿凡達》是卡梅隆迄今製作的難度最大的電影，為了能達到影片拍攝要求，卡梅隆和佩斯一起對原有的3D數字攝影系統進行了大幅度的改進。原來的系統對於拍攝IMAX3D紀錄片來說已經非常完美了，但對於故事片來說則形成了一種挑戰。
他們改進的成果便是新的Fusion3D攝影機系統，最重要的變化是將原本水平放置的雙機改為垂直放置，雙機光軸交匯之處放置一個與水平方向成45度角的半透半反平面鏡，光線可以被半透鏡均分，分別進入左右攝影機記錄下左右眼影像。採用這種雙機放置形式的最大好處在於可以使雙機不受體型大小限制，雙機光軸間距可以無限接近，甚至為零，這就滿足了近景、微距等拍攝需要。但由於其組成結構相對平行排列方式複雜，也會帶來若干問題，如：
1．半透分光鏡會減少通光量，削減曝光，如果不在照明上補償則會迫使開大光圈而縮小景深，從而影響空間縱深感；
2．半透鏡基材本身以及鍍膜工藝質量如果不夠高則會造成反射面出現殘影，透射和反射面光量和色彩不一致等問題；
3．複雜的結構、金屬變形和運動攝影中的顫動都會導致雙機位置的相對穩定性大打折扣 ，必需使用牢固的結構和材料，加以精密的工藝調校才可維持穩定；
4．垂直方式會顯著增大立體攝影系統的體積和重量，提高整個系統重心，造成平衡問題，使用不便，特別是在運動鏡頭、手持拍攝和高、低角度等情況下。
困難雖多，但卡梅隆和佩斯迎難而上，逐一克服了眾多難題。
新的Fusion3D系統中包括了11通道的運動控制：雙鏡頭同步變焦、跟焦及光圈控制，雙機之間的獨立匯聚控制、基線控制以及為維持支架平衡（特別為安裝斯坦尼康）而設計的反光鏡控制等。該系統還可以實現倒裝方式（垂直機器安裝在立體支架的下部，鏡頭朝上），以實現手持攝影。
垂直分光系統原理圖
手持 Fusion3D 立體攝影機的卡梅隆和佩斯
為了提高手持系統的穩定性，必須做到在雙機改變基線和匯聚的時候系統的整體平衡也要發生相應的改變。因此研發團隊製作了一套伺服機構，根據實時計算的系統重心變化作出重力補償 ，使攝影系統保持完美的平衡。這套安裝於斯坦尼康上的伺服系統也可以做到將基線收縮至1/3英寸。使用分光鏡當然也有代價：曝光中損失了2/3檔光圈。而且對於大廣角鏡頭而言，就需要很大尺寸的分光鏡。此套配置可使用的最小焦距為4.5毫米，相當於35毫米膠片攝影的15毫米鏡頭，而這種鏡頭在3D攝影中並不常用。過大的分光鏡肯定是不適合手持攝影的，因此在多數情況下將這種配置安裝到了Technocrane上。
Fusion3D 系統可以方便地掛接在斯坦尼康上實現手持攝影
卡梅隆操作掛接在 Technocrane 上的 Fusion3D
《阿凡達》是費奧裡拍攝的第一部數字故事片，而且這也是他第一次嘗試3D。他在總結中說道：“對我來講最困難的事情之一就是
2/3英寸CCD對於景深的延展效果，這使得畫面看上去很像用16毫米膠片拍攝的。這樣想把影響觀眾注意的東西放到景深範圍之外從而引導觀眾的視線就很困難了。有意思的是，小景深對於3D電影來說又是個不利因素，因為人眼需要看到深度信息才能獲得縱深感，但如果景深太大且背景中有太多的細節的話，你的眼睛就會在整個銀幕上游移不定，就不知道該看什麼地方了。所以我就要找到新的方法來引導觀眾的視線，去看畫面中正確的部分。通過照明和場景佈置的調整，我們儘量降低了背景對視線的影響，達到了預期的目的。我也學習到如果我能控制背景光線的衰減範圍和程度的話，我就能夠幫助觀眾把注意力放到我們想讓觀眾注意的部分。我必須通過反差和照明強度來創造景深，這真是個很有意思的挑戰。”值得注意的是，卡梅隆在拍攝過程中並沒有像許多導演那樣只會坐在監視器前發號施令，而是釋放著他那似乎無窮盡的精力，在預覽、拍攝、現場剪輯等每個環節上都事無鉅細的親歷親為，不辭辛勞地親自扛機器拍攝。如此大牌的導演對技術這般痴迷和熟悉，當然令人敬佩，但作為其身邊的工作人員，自身專業素質的要求之高和工作的壓力之大也可想而知了。
攝影指導費奧裡與導演卡梅隆
三、虛擬攝影與立體攝影的結合
《阿凡達》製作的另一大亮點就要數虛擬攝影及其與立體攝影的結合了。早在1998年《指環王》系列電影的製作中，導演彼得·傑克遜就曾經成功地運用運動捕捉系統，通過佩戴虛擬仿真眼鏡，在少量鏡頭中實現了
虛擬實境的拍攝。格倫·戴瑞（GlenDerry）是《阿凡達》的虛擬製作總監，他貢獻出了很多項發明來完成卡梅隆的想法。通過預先在歐特克（Autodesk）的MotionBuilder軟件中建立三維場景和人物，戴瑞開發出一個能將動作捕捉的信息實時放置在CG世界當中的系統。對於之前的特效電影而言，導演通常用運動捕捉來完成複雜的預覽鏡頭和序列：先將動作捕捉臺上的演員動作拍攝下來，然後將動捕數據送到後期。他要實現在拍攝現場和CG角色實時交互，角色之間帶有真情實感的交流，並結合面部表情捕捉系統存儲演員的細微表情，使生成出的CG角色就如同真實的演員一樣，從而在真正意義上實現“表演捕捉”（PerformanceCapture）而非尋常的“動作捕捉”。
結合表情捕捉的運動捕捉系統構成整體的“表演捕捉”
卡梅隆使用了兩個主要的工具來實現他的虛擬攝影：其一是手持的“虛擬攝影機”，實際上就是一個監視器，上面裝備著類似視頻遊戲機所使用的控制器，且這個監視器上貼著運動捕捉系統中使用的反射球，其位置能在各個維度上被固定在攝影棚頂的數百個紅外攝像機跟蹤定位，將運算得出的軌跡與現場的計算機內的三維攝像機進行參數綁定，就可通過此三維空間的虛擬攝影機“看到”被攝演員和主體。計算機對虛擬攝影機的取景進行實時低質量的運算，並將結果以視頻的信號的方式傳回到卡梅隆手持的監視器中，這樣卡梅隆就能夠看到穿戴著動捕衣服的演員就像他們所扮演的數字角色一樣。
虛擬攝影機拍攝的動作實時呈現在現場監視器上
卡梅隆在虛擬世界中自由拍攝
對此工具的進一步運用可稱為“仿真攝影機”，與其說是一種機器，倒不如說是虛擬攝影的另外一個形式的應用更為貼切。其
原理就是把反射點貼到Fusion3D攝影機的機身上，其位置同樣可以被動捕系統所捕獲。通過動捕系統對Fusion3D攝影機運動軌跡的追蹤，就可以在CG世界中生成一個和現實攝影機完全相同運動軌跡的虛擬攝影機，在三維空間裡實時生成場景中需要的造型元素，並將實拍和CG兩路畫面以較低質量實時合成。比如通過窗外可看見飛機和士兵運動等等。所有這一切都能夠通過Fusion3D攝影機的尋像器和現場監視器實時看到，這就可以讓真人演員與CG角色直接互動，並且可以讓卡梅隆精確地拍攝他想要的畫面。
卡梅隆在虛擬世界中自由拍攝
由於仿真攝影機會在虛擬世界中成為虛擬攝影機，它可以放置在空間中的任何一個位置。納美人站立高度超過9英尺（2.7米），與人類身高比為1.67∶1。如果卡梅隆需要一個納美人眼睛高度的鏡頭的話，他就會讓系統操作員將他自己的身高重新設定為原來的1.67倍。
可以說，卡梅隆實現了在他的幻想世界中，通過自己身體和攝影器材的真實的運動，自由地在真實人物以及虛擬角色和場景中拍攝取景。
現場監視器中可以看到真人演員與 CG 角色的實時互動
四、誰是“阿凡達”？
自2005年卡梅隆投入影片製作開始，他的鐵桿粉絲們就在競相打探和共享各類關於AVATAR的消息，其翻譯片名版本眾多，如：天神下凡、神之化身、化身、異次元戰神……也許AVATAR這個印度佛教外來詞的內涵太深或者出於破除迷信的考慮，國內直接按音譯來了，這也簡單，留給觀眾無限遐想。
AVATAR這個詞源於梵語，意思是從天國到地上、從神到人的“下凡”，它本來是印度教毗溼奴教派特有的宗教概念，後來被溼婆教派以及佛教等印度其他教派所吸收，具有了較為寬泛的“化身”的意義。在電影中，雖然是通過基因合成等“科學”手段使傑克變成了阿凡達，但從“文明人”到“土著人”，也不失“下凡”的基本意義。
回顧卡梅隆，他不但是世界頂級導演，影史上最賣座的兩部影片《阿凡達》和《泰坦尼克號》均出自他手，且作為金牌製片人監督過多部賣座大片。
此人同時還是狂熱的海底探險家，美國國家航空航天局（NASA）的高級顧問，憑藉其豐富的想象力、科技知識和豐富的實踐經驗，對前沿軍事科技的開發提出過寶貴的設想和建議。他還是NASA火星科技實驗室的成員之一，計劃參與2011年的火星任務，到火星上去拍攝3D電影……最近，卡梅隆對紛紛借3D的火爆勢頭而匆匆將原本平面版本的電影轉為立體而上市撈錢的影片大加指責，特別點名批判《諸神之戰》。他對此片的評價是“低於可看的最底線”，譴責“偽3D”的急功近利。他奔走於好萊塢各大製片公司的老闆周圍，呼籲大家不要為了給自己的電影貼上3D的標籤以圖忽悠票房而不顧影片的質量，這種危險的行為無疑是在扼殺新興的市場。他同時呼籲美國導演協會和攝影師協會盡快行動起來，深入討論和制定3D影像的質量標準。
卡梅隆的影迷不難發現，他最近這兩部大作中的主人公名字都是“傑克”——JakeSully（AVATAR）和JackDawson（TITANIC），從發音上看，JAKE≈JAC，而JAC正是JAmesCameron的首字縮寫。難道這僅僅是巧合，還是老卡先生暗藏的彩蛋？他其實想說他本人就是正義自由的化身，是天神下凡？!
毫無疑問，詹姆斯·卡梅隆對於數字立體和虛擬攝影技術的貢獻是偉大的，《阿凡達》的出現必將成為整個電影發展史上的重要里程碑。如卡梅隆所說：“現在我們的技術領先世界5年，但5年後這些技術將成為大家常用的工具”，衷心祝福數字立體電影的明天更加光輝燦爛！
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