█ 此為攝影師操作Steadicam®穩定器樣貌

機械為工業之母，眾所皆之；舉凡是飛機汽車乃至奈米微機電，電資材化領域各有機械問題值得研究。甚至在理工行業以外的地方，機械原理應用的重要性仍不容小覷。筆者為B94級畢業生，恰巧對於影片製作頗有興趣；雖然未曾待過專業影視公司，我還頗喜歡在閒暇之餘製作小短片供親友分享。然而先前即便已使用了現今好萊塢片場經常採用的專業單眼相機攝影（如Canon 5DII或7D），仍無法取得如電影般的畫質與效果。後來深入探究之後，得知專業電影不只注重畫質，整體色調亦須在後製階段處理。而凌駕於眾多因素的關鍵要點，即是穩當流暢的「運鏡」，故在此提供一個巧妙運用力學平衡的影視器材發明與各位分享。

現代電影製作不可或缺：Steadicam®穩定器
在電影中，我們常可見到鏡頭隨著劇中角色移動的畫面。這種稱為“Tracking Shot”的鏡頭移動，儘管道理非常直覺，卻無法直接讓攝影師手持攝影機邊走邊拍。原因在於我們走路時（假設在XY平面）會有些許上下的位移，而大腦在產生視覺時已經自動忽略到Z軸的振動，讓我們不會因為這些視覺晃動而暈眩。但是攝影機沒有這麼聰明，會很忠實地記錄下這些機器移動中經歷的搖晃；除非是導演刻意呈現此類效果，試圖讓觀眾身歷其境（尤其近年的好萊塢動作片），此類搖搖晃晃的畫面對於大部分類型的電影其實並不堪用。讀者若曾手持消費型數位相機或是DV錄影大概就能體會，最後檢視成果往往晃得慘不忍睹。

█ Steadicam組成主要部位說明

為了得到平穩的移動畫面，以往都是將攝影機架在預先設置好的簡易軌道上推行，或是安置在專用推車上再由攝影師推動。但前者的缺點為須費時布置軌道且長度有限，後者則限於在非常平坦的路面使用；若是想在野外使用或是拍攝移動的距離過長，上述兩項方法就不實用了。到了1975年，一位美國攝影師Garrett Brown為了解決前述問題，索性自己找答案，最後成功研發出名為Steadicam®的攝影機穩定器。從此以後，電影的拍攝作業產生了極高的彈性及創意維度，也讓導演與攝影師能夠嘗試與以往截然不同的嶄新手法拍攝題材。

Steadicam®機構組成與原理
為在不使用軌道及推車的情況下穩定攝影機，除須想辦法將操作者產生的振動和搖晃與攝影機隔離，同時也須抑制攝影機組自體的移動及旋轉。

█ Iso-elastic Arm實圖

Steadicam®穩定器巧妙的利用一帶有攝影機基座的中柱（Camera Sled）與穿戴式背心（Supportive Vest)，以及連接兩者的Iso-elastic懸臂（Arm）解決了上述問題。它的操作原理其實並不複雜，即是完美調整配重與重心位置，讓操作者得以在最省力的情況下精確控制攝影機。以下便分項介紹各部分的機構與原理。

█ 圖一、Iso-elastic懸臂基本原理示意

由家裡常見的雙節金屬臂工作燈，就能明白此懸臂的原理。以圖一為例，想像有一組金屬平行四邊形連桿，該四連桿所在平面與XZ平面平行，然後我們把AD兩點釘在Z軸上。假設現在的重力是負Z方向，我們再在C點上掛重物，那麼連桿當然就往下垂了。但如果這時我們拿一條彈簧勾住AC兩點，讓AC間產生回復力，這股回復力就能抵抗重力；控制得宜便能讓兩力達到平衡，使得整體連桿停在定點。Iso-elastic懸臂的基本原理即為如此。一個常見的應用就是牙醫診所裡面的手術燈，讓牙醫隨手一拉就能把燈光拉至任意位置固定。

至於攝影機穩定器的懸臂，不僅要能固定機器，亦要能讓操作者適時調整攝影機位置；所以懸臂裡加入了滑輪與彈簧，並由一cable作為連接連桿系統中兩個對點的主要原件（如圖二所示）。如此設定之後，只要先確定攝影機與外接螢幕、電池等相關附件的總重量，便可藉由調整懸臂內cable長度，調整懸臂末端的離地高度。滑輪與彈簧的組合亦能適當地吸收操作者活動時帶來的振動。至於臂內彈簧的彈性係數以及cable拉力應該調校至何等數值，就是該公司的商業技術啦！

█ 圖二：懸臂內部構造

抑制中柱晃動的關鍵：Gimbal
有了上述懸臂以後，已大致能抑制Z軸的小幅度位移；但若要防止攝影機產生Roll、Pitch和Yaw，則有賴中柱裡的Gimbal發揮作用。Gimbal為可繞單軸旋轉的機構；若將多個Gimbal組合使用便可讓末端元件達到多自由度，並讓元件與比鄰機構的旋轉各自獨立。例如在航海與飛行器常見的陀螺儀就是個三軸Gimbal。 Steadicam®穩定器的中柱與懸臂連接處即為一個低摩擦係數的Gimbal。使用穩定器之前，操作者會先將欲使用的器材全都掛上中柱，然後藉由調整器材的位置將整支中柱系統的重心調整至柱內，讓重心略略低於Gimbal。如此當操作者移動時，位置靠近重心的Gimbal不僅可輕易的移動中柱系統，也不會對系統產生過大的Pitch與Roll。
位於中柱下方的外接螢幕與電池設備也有協助配重的角色。通常攝影師都會（在不影響運鏡的情況）把螢幕與電池與中柱的距離稍微拉大，以增加系統的轉動慣量，讓系統不易繞著中柱旋轉；Yaw因此獲得抑制。

█ 陀螺儀示意圖
█ The Steadicam sled spreads out the camera equipment to achieve greater balance

最後，攝影師將上述所有器材連上穿戴式背心，才終於能開始拍攝。儘管這項發明已經為電影工業帶來無比的便利性，實際的操作並不容易；因為攝影機加上其他儀器差不多有二十到三十公斤，而這些重量全是由攝影師的軀幹支撐。辛苦之餘，攝影師通常還要在行動之餘微調拍攝角度，因此操作Steadicam®在影劇工業中可是視為一項專職。下次讀者看電影時可以看看片尾工作人員名單裡，常會出現Steadicam® Operator，就是這群產生流暢畫面的幕後功臣了。順帶一提，近日的倫敦奧運場上也有許多新聞轉播是利用Steadicam®取得運動員在競賽中的流暢畫面，好比跳遠。
電影工業聽起來跟機械搭不上什麼關係；但是只要仔細探究，諸位可以發現世上還真是充滿了許多需要「古典」力學解決的「現代」問題。
參考資料
圖片出處: http://www.tiffen.com/filmUltra.html
圖片出處: http://entertainment.howstuffworks.com/steadicam3.htm
How Stuff Works: http://entertainment.howstuffworks.com/steadicam.htm
Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Steadicam