影评：《阿凡达》打造空前绝后的科幻帝国（组图）
南都周刊报道这部电影，需要语言学家创造一套完整的语言，需要植物学家创造几十种新植物的详细描述，需要天体物理学家计算星球的大气密度，甚至需要为之写出一部350页厚的百科全书？？这就是耗资4.5亿美元的《阿凡达》空前绝后的科幻世界。
14岁的詹姆斯卡梅隆在看完库布里克的《2001：太空漫游》后，买来电影的模型套件，照着厚厚的幕后制作资料开始建造自己的飞船模型。当他拍摄完《真实的谎言》，卡梅隆给已经隐居于英国乡村的库布里克打电话。在库布里克住所地下室的平面式剪辑台前，卡梅隆详细地解释了影片最后施瓦辛格发射导弹穿过大楼击毁直升机的特效是如何完成的。
22岁的卡梅隆走出放映《星球大战》的剧场，恨不得找人打一架。业余时间热衷制作飞船模型和撰写科幻小说的他面对着这么一个事实：卢卡斯已经把他一直幻想的世界变成了现实。受了刺激的卡梅隆开始沉迷于特效知识，并最终说服当地的牙医投资2万美元拍摄了他的第一部科幻短片《Xenogenesis》。这段卡梅隆版本的《星球大战》片断没能如愿吸引到更大投资，他也不得不暂时收起超越卢卡斯的雄心，直到30多年之后的这部《阿凡达》（Avatar）。
电影镜头如何模拟人眼？
自1984年《终结者》奠定其顶级导演地位之后的10年中，卡梅隆执导的《异形2》、《深渊》、《终结者2》和《真实的谎言》在全球票房收入达11 亿美元。金钱已经不再是书写他自己的星际史诗的障碍。1995年，他完成了一部82页的剧本，描述了地球成为废墟之后一名下身瘫痪的士兵在一个遥远星球上的虚拟征程。在这个名叫潘多拉的外星球上居住着一种身高10英尺，猫脸兽尾的蓝皮肤类人生物——纳美（Na'vi）。人类无法在潘多拉的大气中呼吸，于是科学家们培育了一种基因被改造过纳美人，也就是阿凡达。阿凡达与人的意识相通，允许人对其身体远程控制从而在潘多拉上生存。卡梅隆原本打算在拍摄完《泰坦尼克》之后就启动阿凡达项目来实现自己多年的星际幻想。但当《泰坦尼克》问鼎11项奥斯卡奖，所有人都期待卡梅隆的下一个惊喜时，他却销声匿迹了。随后的 12年中，卡梅隆没有制作过一部好莱坞电影，也几乎没有谈及过阿凡达。这是为什么？
回顾一下《泰坦尼克》的制作能让我们了解其中部分原因。《泰坦尼克》的成功很容易让人们忘记这部影片上映之前在所有人眼中都将是个灾难。好莱坞杂志《Variety》称它为“电影史上最大的一次赌博”。因为影片制作严重超支，卡梅隆受到了来自主要投资方——20世纪福克斯公司——的巨大压力，以至于放弃全部执导费用和利润分成。虽然《泰坦尼克》奇迹般地创下18亿美元的全球票房纪录，但在精神上和体力上完全透支的卡梅隆已经不想再跟“所有好莱坞的狗屎”打交道，对阿凡达项目也不那么迫不及待。
另一个让卡梅隆迟迟没有启动阿凡达的原因则是技术上的。超越卢卡斯是件非常困难的事情。卡梅隆需要发明一系列电影制作技术，推动全美影院升级，并且想像外星世界里的每一个细节。卡梅隆曾经在自己的视觉效果公司Digital Domain的一次会议上阐述了对阿凡达的构想。他要求影片中的绿皮肤外星人必须看起来非常真实，不带一点化妆的痕迹。这种效果只能通过电脑生成。但卡梅隆的团队告诉他，即使是当时最尖端的电脑也不可能实现这种特效。要做到这一点将耗费太多时间和金钱，以及超乎想像的电脑3D运算能力。卡梅隆开始意识到，要让观众完美体验他构想的外星世界，他还需要等待。
2000年夏天，在一次潜水探险中，卡梅隆跟水下摄影专家文森特佩斯探讨了打造一台能同时在2D和3D下呈现正片质量的数字化HD摄影机的可能。采用红蓝滤光成像技术的影片无法制造完美的立体效果，而采用偏光滤光成像技术进行拍摄，几百磅重的传统摄影机极大约束了导演的想象空间。2个月后，卡梅隆和佩斯一起来到索尼的HD摄影机部门，说服索尼将其专业级HD摄影机的镜头和图像传感器从处理器中分离出来，通过电缆相连。3个月后，佩斯成功地把两台索尼HDC-F950HD摄影机的镜头融合到一个能让摄影师精确控制3D影像的设备上。这就是后来的Fusion摄影系统（Fusion Camera System），或现实摄影系统（Reality Camera System）。卡梅隆说：“我们都在3D视角下看东西。这是我们看世界的习惯。在屏幕上看2D电影则是人工体验。这不是我们的生活方式。3D帮助我们摒弃屏幕，目睹真实的世界。这就是为什么我们称这种摄影机为现实摄影系统。”为了充分模拟人眼的立体视觉，这种摄影机的双镜头不仅保持着2.5英寸的间隔，还能根据目标距离的远近像人眼球一样调整角度。它装配的不同滤镜会在被摄物进入镜头时移除图像的不同部分，传递给大脑一种视差错觉，最终形成3D视角。卡梅隆把这台摄像机装在一架二战时期的P-51战斗机上，拍了一段P-51在空中用50毫米口径机枪扫射B-17轰炸机的场景，结果3D影像非常精确。
随后的数年中，卡梅隆用这套摄影系统拍摄了《深渊幽灵》和《深海异形》两部纪录片。在此期间，卡梅隆不断对这项技术进行改善，使其影像的3D效果更加完美。同时，卡梅隆还积极推动全美影院的3D化，为《阿凡达》的诞生奠定一个市场基础。2005年春天，卡梅隆用一段30秒的试验短片从福克斯公司争取到了1.95亿美元预算，正式开始了他的星际之旅。
卢卡斯有30年的时间来扩张《星球大战》的世界，他已经通过星战系列建构了一个用于归类和追踪所有早期角色，星球，社会和争端的复杂系统。而《阿凡达》的世界还只存在于卡梅隆的脑海中。卡梅隆需要专家让这个外星世界变得真实。他首先找到南加州大学的语言学家保罗弗罗默，让他为纳美人创造一套完整的语言。13个月后，弗罗默写出一本《纳美语指南》，开始培训演员们说一门从来没人说过的语言。语言确定之后，卡梅隆根据纳美语，拉丁语和日常用语对星球上的所有动植物进行命名，还请加州大学Riverside分校的植物学家茱蒂霍尔特为他创造的几十种植物撰写详细的科学描述。卡梅隆还雇佣了一名天体物理学家来计算潘多拉星球的大气密度。所有的信息最终被整理成一部350页厚的《潘多拉百科全书》（Pandorapedia），里面记录了这个幻想星球上的一切。
虚拟摄像机的突破
在洛杉矶西部Playa Vista园区内有一个占地280000平方英尺的摄影棚，素以承接历史上一些宏大而冒险的计划闻名。现在，这里成了卡梅隆导演奇迹的舞台。这个奇迹将打破观众与屏幕，现实与幻觉之间的界限，颠覆我们观看电影的方式。
在《阿凡达》拍摄现场的一个角落里，20多名技术人员分成3排坐在电脑显示器后面紧张地忙碌着。前排是视频专家，中间是Giant Studios公司的动作捕捉技术人员和Lightstorm Entertainment公司的即时CG操作人员，最后是视觉特效总监和Weta Digital公司的脸部表情捕捉专家。他们是《阿凡达》的大脑。借助Simulcam系统，制作组能将在Play Vista拍摄的表演捕捉图像，在新西兰拍摄的真人动作胶片和CG背景在几秒中内结合成3D实景效果给卡梅隆参考。
《阿凡达》中60％的场景都应用了电脑创造的世界与表演捕捉相结合的虚拟环境。演员们穿着嵌满金属圆片的动作捕捉服装。布满在摄影棚顶部的140个红外摄像机通过追踪现场LED灯打出的近红外光谱的反射，捕捉表演的基本动作，随后再用电脑将这些动作映射给数字创造的角色。对于演员们来说，在虚拟空间中进行表演是一个巨大的挑战。动作捕捉技术能够记录360度的表演视角，因此演员在表演过程中完全不知道摄像机最终会在哪个角度。这对卡梅隆也是个问题。他并不想等上几个月后在电脑显示屏上选择自己想要的镜头和角度。虚拟制作总监格伦德瑞为此开发出一种虚拟摄影机，让卡梅隆在拍摄时看到的不是空洞的舞台，而是将在电影中出现的3D世界。
德瑞的虚拟制作系统建立在一款3D角色动画程序MotionBuilder的基础上。在Giant Studios的协助下，德瑞增强了它的实时数据解读能力，使其进化成一套先进的视觉预览系统，能将真人表演与计算机生成图像（CGI）融合成电影中应该出现的场景。斯皮尔伯格和他的视觉特效公司Industrial Light & Magic在拍摄《世界大战》时，曾试图突破视觉预览的瓶颈。在拍摄一段动作场面时，斯皮尔伯格虽然事先知道几个月以后的电脑屏幕上外星机器人会往哪个方向走，但他没办法在自己的摄影机上真正看见这个画面，卡梅隆却可以。
虚拟摄像机是《阿凡达》带来的另一个突破性技术。这种摄像机本身并没有镜头，只有一个LCD显示屏和用来记录在一场戏中其相对于演员的定位和朝向的标记器。定位信息随后被导入到特效转换器中处理，这个转换器在第一时间将包括演员和潘多拉景物的对应CG图像反馈到摄像机的屏幕上。当身穿表演捕捉服的萨姆沃辛顿和佐伊萨尔达娜在灰色单调的木挡板前表演时，卡梅隆在虚拟摄像机中看到的却是10英尺高蓝色皮肤的Neytiri和Sully在潘多拉的雨林中第一次邂逅的画面。森林中的万物都散发着光芒，热情的精灵们在潘多拉的大气中穿行。当Neyriti试探Sully是不是能够被信赖时，无数精灵降落在Sully身上。
卡梅隆能做到的不止这些。他可以随时调出之前拍摄的场景，重新捕捉不同的摄影角度。在展示一段潘多拉的夜行精灵蜥蜴（Fan lizard）飞行的3D影像时，卡梅隆拿着倾侧的摄影机在舞台上回旋。“我可以把图像缩小一点。我能跟随着它在空中飞翔。从下面，如果我愿意也可以从上面，来看它怎么飞越平川。”就像他在用真正的摄影机拍摄。卡梅隆说，“我没法用个破鼠标来操作摄影机，那是开玩笑。这就是为什么CG里的镜头移动看上去就是电脑生成的。”
捕捉最细微的表情
完美的3D体验是《阿凡达》的核心部分。这也是卡梅隆让自己和观众多等待了14年的原因之一。正如电影中的人类角色为了融入外星世界而寄居于外星躯体之中。
在屏幕上对沃辛顿进行渲染就像是人类演员为了寄居于数字世界的数字躯体之中而玩的一个数字戏法。要让这个戏法成功，沃辛顿的表演以及那些用来呈现角色的细微表情，都必须通过他那张阿凡达的脸。但阿凡达最初了无生机而且让人毛骨悚然的脸却几乎让卡梅隆崩溃。卡梅隆回忆说，“太恐怖了！它就像个死人，糟糕透顶，根本不是萨姆。”
卡梅隆的反应在心理学上被称为恐怖谷现象。这是一种人类对在某种程度上非常类似人的物体或形象的排斥反应。如果一个实体充分地“不够拟人”，那么它的类人特征就会显眼并且让人产生移情作用。在另一方面，如果一个实体“非常拟人”，那它的非类人特征就会成为显眼的部分，从而让人产生一种不安的感觉。这种起源于机器人理论的原理也可以延伸到电脑动画角色上。观众对人类面部渲染尤其敏感，数字创造的形象与真人越接近，观众的心理期待越高。如果你将人的动作和表情投射到像人类一样载歌载舞的毛茸茸的可爱生物上，那么观众能够欣然接受。但如果你想给一个数字角色赋予一张人类的面孔，任何细微的不足都会让人感觉怪异。这种情况在《Beowulf》和《极地快车》这两部影片中都有体现。
卡梅隆的虚拟摄影机无法解决这个难题。捕捉演员的动作不过是创造真实可信的数字角色过程中的一小步。没有细微的脸部表情，卡梅隆的阿凡达不过是戴着面具的沃辛顿。事实上，卡梅隆更愿意用“表演捕捉”而不是“动作捕捉”来称呼《阿凡达》的制作过程。在他看来，许多之前的动画角色都缺乏那种界定一个演员演技的细微脸部表情。在那些影片中，动作捕捉的过程只不过是动画制作者的起点，他们最终还是会用数字画笔来完成这个工作。而卡梅隆要让演员们充分发挥自己的演技。
为了从演员们的脸部采集到更多的数据，卡梅隆和来自Weta Digital的动画指导里奇巴恩汉姆制造了一套脸部捕捉头戴设备。这个设备的核心是一个离演员脸部只有几英寸距离的微型摄像头。它的广角镜头能记录下演员脸部最微妙的表情变化：从眨眼睛和抽鼻子到皱眉毛，以及下颌、嘴唇、牙齿和舌头的互动。光这样还不足以让阿凡达变得真实。在加入《阿凡达》之前，巴恩汉姆是《指环王》中的Gollum这个动画角色的主创人员。以前的动画制作人员制造微笑效果时只是把嘴角画大一点，看上去当然很虚假。为了让Gollum 的表情具备足够的表现力，巴恩汉姆和他的团队特别进修了生理学：什么肌肉的运动产生微笑？有何顺序？皮肤会吸收多少光线，又会反射多少？瞳孔有多深？让 Gollum栩栩如生的脸部细节是耗费巨大人力逐帧制作的CG作品。《阿凡达》的系统简化了这个过程，从头戴设备采集到的表情信息生成了演员脸部的数字架构。这个架构随后被赋予一组规则，这组规则将每个演员的脸部肌肉运动应用于阿凡达或者他们出演的纳美人。为了让一个CG人物表达跟演员一样的情感，这个架构必须将人眉毛的每一条曲线都直接转换到数字角色的脸上。在卡梅隆抱怨恐怖谷效应之后，Weta Digital通过优化控制阿凡达的动作和表情的算法，又用了一年的时间才让沃幸顿的阿凡达生动到足以符合卡梅隆的高标准。
“创造一个世界是件令人心悸的事情，”卢卡斯说，“我很高兴吉姆（卡梅隆）正在做它——世界上只有很少几个这么不可救药的人。我在《星球大战》里这么做了，现在他正试图挑战它。这是个大工程。我真的相信吉姆会把它做得超出任何人的想像。”卡梅隆自己宣称，阿凡达的数字元素是如此的真实，即使当它们与演员并肩共存，观众也将分辨不出真与假。“这部电影综合了我一生的成就，”他说，“这是从未有人做到的最复杂的东西。”一直诟病3D技术的电影史学家和著名影评人罗杰艾伯特（Roger Ebert）也不得不承认卡梅隆的《阿凡达》宣告了一个新的时代，是“一个和《星球大战》同等意义上的里程碑”。
潘多拉星的精灵
卡梅隆在《潘多拉百科全书》网站里对潘多拉星的生物进行了详尽说明。
潘多拉星（Pandora）
潘多拉是一个巨型气体行星的卫星。这个巨行星叫做Polyphemis，它位于半人马座的阿尔法星系，这个星系距离我们 4.4光年，是离我们最近的恒星系统。阿尔法星系有3颗恒星，分别是阿尔法A、阿尔法B和阿尔法C，Polyphemis就绕着阿尔法A星运转。
潘多拉有一种稀有的矿藏“Unobtainium”，由于磁场漩涡效应，一些外露在地表的巨型“Unobtainium”岩石飘浮到了空中，形成了壮观的空中山峰，人类把它们叫做“哈利路亚山”（Hallelujah Mountain），因为这些矿石可以让他们致富；而纳美人则把它们叫做“雷岩”，并对这一区域心怀畏惧。
纳美人（NA'VI）
纳美人是潘多拉星球上的土著，他们是一种身高3米的高级智慧生物（文明尚处于原始人阶段），其体型、样貌几乎都和人类一样。他们的脖子很长，可以转向180度，他们的身体都很苗条，但并不瘦弱，肌肉恰到好处。他们的眼睛是人类的两倍大，有点像猫眼，他们的嘴也很大，牙齿很白。他们还长有长长的尾巴，轻微的弯曲，很像豹子的尾巴。
每个纳美人身上的花纹都有两种，一种类似斑马条纹遍布全身，另一种如繁星点点沿着他们的神经和循环系统分布，能在黑暗处发出美丽的荧光。后者还能充当纳美人交流的信号，依据不同的情绪改变发光颜色。纳美人全身都没有毛发，头上长长的像头发一样的东西其实是他们露出体外的神经系统。
重铠马（Direhorse）
纳美人的陆地坐骑，相当于人类的马，不过它比人类的马要大得多，有六条腿，4米高、4.25米长，堪比地球上的大象。重铠马脖子很长、头很小有两根触角，身上有类似斑马的条纹，没有毛。它们是杂食动物，嘴部细长还有长长的舌头，可以探到树洞里吸食昆虫以获取蛋白质。
斑溪兽（Banshee）
潘多拉空中的一种肉食动物，纳美人通常骑着它们去打猎。斑溪兽有点类似地球远古的翼龙，有四个翼膜翅膀，完全展开宽度可达13.9米。它们的体色非常复杂，骨骼由有机的碳纤维构成，嘴没有颌骨，因此可以张得非常大，还有着锋利的如大白鲨般的牙齿。
霸王飞龙（Leonopteryx）
潘多拉的空中霸主，虽然和斑溪兽同种，也有膜状翼和碳纤维骨骼，但其体型要大得多，翼展可达25米。纳美人非常敬畏这种凶猛美丽的生物。能驾驭这种飞兽的纳美人被尊称为“魅影骑士”，具有无上的威望。
霸王飞龙身上有红、黄、黑的条纹，脑袋则是深蓝色，头顶下颚均有冠，冠很锋利，可以用来伤害猎物。还有一对利爪可以紧紧地抓住猎物，也可以帮助它们栖息在树上。霸王飞龙还有两个尾翼，可以让它们获得更好的空气动力。
斯塔姆兽（Sturmbeest）
一种食草动物，类似地球上的非洲角马，喜欢集群。它们的体色为桔红和靛蓝相间，身高5米，体重10吨，跑起来就像火车头。
槌头雷兽（Titanothere）
这种动物的脑袋上长着一个槌子状的角，有点像地球上的槌头双髻鲨。不过槌头雷兽是陆地动物，它们喜欢开阔的草地，也经常拜访雨林。它们是食草动物，以灌木和草食为主，但也吃水果和树叶。成年的槌头雷兽一般6米高，11米长。在影片中，枪弹无法打穿这种外皮极厚的动物。
闪雷兽（Thanator）
肉食性动物，也是丛林食物链的顶级捕食者。它有六条腿，通体蓝色，头后部有一圈可收起的花状冠。闪雷兽完美集合了力量、速度和灵活几大优点，落入它的尖牙利爪的动物几乎无一幸还。
毒狼（Viperwolf）
食肉动物，类似地球上的狼。它们体型并不大，体表没有毛，一般生活在潘多拉的雨林、草原和亚寒带地区，喜欢集群。毒狼的下巴同样可以张得很大，它们的脑袋被一圈盔甲般的硬壳环绕着，它们的爪子和人手一样有一个与其它手指相对的拇指，它们的身上有生物性发光的亮点，可以辨认身份。
《阿凡达》主角沃辛顿面部的CG效果。
新科技让导演卡梅隆得以驾驭《阿凡达》的拍摄。
14岁的詹姆斯卡梅隆在看完库布里克的《2001：太空漫游》后，买来电影的模型套件，照着厚厚的幕后制作资料开始建造自己的飞船模型。当他拍摄完《真实的谎言》，卡梅隆给已经隐居于英国乡村的库布里克打电话。在库布里克住所地下室的平面式剪辑台前，卡梅隆详细地解释了影片最后施瓦辛格发射导弹穿过大楼击毁直升机的特效是如何完成的。
22岁的卡梅隆走出放映《星球大战》的剧场，恨不得找人打一架。业余时间热衷制作飞船模型和撰写科幻小说的他面对着这么一个事实：卢卡斯已经把他一直幻想的世界变成了现实。受了刺激的卡梅隆开始沉迷于特效知识，并最终说服当地的牙医投资2万美元拍摄了他的第一部科幻短片《Xenogenesis》。这段卡梅隆版本的《星球大战》片断没能如愿吸引到更大投资，他也不得不暂时收起超越卢卡斯的雄心，直到30多年之后的这部《阿凡达》（Avatar）。
电影镜头如何模拟人眼？
自1984年《终结者》奠定其顶级导演地位之后的10年中，卡梅隆执导的《异形2》、《深渊》、《终结者2》和《真实的谎言》在全球票房收入达11 亿美元。金钱已经不再是书写他自己的星际史诗的障碍。1995年，他完成了一部82页的剧本，描述了地球成为废墟之后一名下身瘫痪的士兵在一个遥远星球上的虚拟征程。在这个名叫潘多拉的外星球上居住着一种身高10英尺，猫脸兽尾的蓝皮肤类人生物——纳美（Na'vi）。人类无法在潘多拉的大气中呼吸，于是科学家们培育了一种基因被改造过纳美人，也就是阿凡达。阿凡达与人的意识相通，允许人对其身体远程控制从而在潘多拉上生存。卡梅隆原本打算在拍摄完《泰坦尼克》之后就启动阿凡达项目来实现自己多年的星际幻想。但当《泰坦尼克》问鼎11项奥斯卡奖，所有人都期待卡梅隆的下一个惊喜时，他却销声匿迹了。随后的 12年中，卡梅隆没有制作过一部好莱坞电影，也几乎没有谈及过阿凡达。这是为什么？
回顾一下《泰坦尼克》的制作能让我们了解其中部分原因。《泰坦尼克》的成功很容易让人们忘记这部影片上映之前在所有人眼中都将是个灾难。好莱坞杂志《Variety》称它为“电影史上最大的一次赌博”。因为影片制作严重超支，卡梅隆受到了来自主要投资方——20世纪福克斯公司——的巨大压力，以至于放弃全部执导费用和利润分成。虽然《泰坦尼克》奇迹般地创下18亿美元的全球票房纪录，但在精神上和体力上完全透支的卡梅隆已经不想再跟“所有好莱坞的狗屎”打交道，对阿凡达项目也不那么迫不及待。
另一个让卡梅隆迟迟没有启动阿凡达的原因则是技术上的。超越卢卡斯是件非常困难的事情。卡梅隆需要发明一系列电影制作技术，推动全美影院升级，并且想像外星世界里的每一个细节。卡梅隆曾经在自己的视觉效果公司Digital Domain的一次会议上阐述了对阿凡达的构想。他要求影片中的绿皮肤外星人必须看起来非常真实，不带一点化妆的痕迹。这种效果只能通过电脑生成。但卡梅隆的团队告诉他，即使是当时最尖端的电脑也不可能实现这种特效。要做到这一点将耗费太多时间和金钱，以及超乎想像的电脑3D运算能力。卡梅隆开始意识到，要让观众完美体验他构想的外星世界，他还需要等待。
2000年夏天，在一次潜水探险中，卡梅隆跟水下摄影专家文森特佩斯探讨了打造一台能同时在2D和3D下呈现正片质量的数字化HD摄影机的可能。采用红蓝滤光成像技术的影片无法制造完美的立体效果，而采用偏光滤光成像技术进行拍摄，几百磅重的传统摄影机极大约束了导演的想象空间。2个月后，卡梅隆和佩斯一起来到索尼的HD摄影机部门，说服索尼将其专业级HD摄影机的镜头和图像传感器从处理器中分离出来，通过电缆相连。3个月后，佩斯成功地把两台索尼HDC-F950HD摄影机的镜头融合到一个能让摄影师精确控制3D影像的设备上。这就是后来的Fusion摄影系统（Fusion Camera System），或现实摄影系统（Reality Camera System）。卡梅隆说：“我们都在3D视角下看东西。这是我们看世界的习惯。在屏幕上看2D电影则是人工体验。这不是我们的生活方式。3D帮助我们摒弃屏幕，目睹真实的世界。这就是为什么我们称这种摄影机为现实摄影系统。”为了充分模拟人眼的立体视觉，这种摄影机的双镜头不仅保持着2.5英寸的间隔，还能根据目标距离的远近像人眼球一样调整角度。它装配的不同滤镜会在被摄物进入镜头时移除图像的不同部分，传递给大脑一种视差错觉，最终形成3D视角。卡梅隆把这台摄像机装在一架二战时期的P-51战斗机上，拍了一段P-51在空中用50毫米口径机枪扫射B-17轰炸机的场景，结果3D影像非常精确。
随后的数年中，卡梅隆用这套摄影系统拍摄了《深渊幽灵》和《深海异形》两部纪录片。在此期间，卡梅隆不断对这项技术进行改善，使其影像的3D效果更加完美。同时，卡梅隆还积极推动全美影院的3D化，为《阿凡达》的诞生奠定一个市场基础。2005年春天，卡梅隆用一段30秒的试验短片从福克斯公司争取到了1.95亿美元预算，正式开始了他的星际之旅。
卢卡斯有30年的时间来扩张《星球大战》的世界，他已经通过星战系列建构了一个用于归类和追踪所有早期角色，星球，社会和争端的复杂系统。而《阿凡达》的世界还只存在于卡梅隆的脑海中。卡梅隆需要专家让这个外星世界变得真实。他首先找到南加州大学的语言学家保罗弗罗默，让他为纳美人创造一套完整的语言。13个月后，弗罗默写出一本《纳美语指南》，开始培训演员们说一门从来没人说过的语言。语言确定之后，卡梅隆根据纳美语，拉丁语和日常用语对星球上的所有动植物进行命名，还请加州大学Riverside分校的植物学家茱蒂霍尔特为他创造的几十种植物撰写详细的科学描述。卡梅隆还雇佣了一名天体物理学家来计算潘多拉星球的大气密度。所有的信息最终被整理成一部350页厚的《潘多拉百科全书》（Pandorapedia），里面记录了这个幻想星球上的一切。
虚拟摄像机的突破
在洛杉矶西部Playa Vista园区内有一个占地280000平方英尺的摄影棚，素以承接历史上一些宏大而冒险的计划闻名。现在，这里成了卡梅隆导演奇迹的舞台。这个奇迹将打破观众与屏幕，现实与幻觉之间的界限，颠覆我们观看电影的方式。
在《阿凡达》拍摄现场的一个角落里，20多名技术人员分成3排坐在电脑显示器后面紧张地忙碌着。前排是视频专家，中间是Giant Studios公司的动作捕捉技术人员和Lightstorm Entertainment公司的即时CG操作人员，最后是视觉特效总监和Weta Digital公司的脸部表情捕捉专家。他们是《阿凡达》的大脑。借助Simulcam系统，制作组能将在Play Vista拍摄的表演捕捉图像，在新西兰拍摄的真人动作胶片和CG背景在几秒中内结合成3D实景效果给卡梅隆参考。
《阿凡达》中60％的场景都应用了电脑创造的世界与表演捕捉相结合的虚拟环境。演员们穿着嵌满金属圆片的动作捕捉服装。布满在摄影棚顶部的140个红外摄像机通过追踪现场LED灯打出的近红外光谱的反射，捕捉表演的基本动作，随后再用电脑将这些动作映射给数字创造的角色。对于演员们来说，在虚拟空间中进行表演是一个巨大的挑战。动作捕捉技术能够记录360度的表演视角，因此演员在表演过程中完全不知道摄像机最终会在哪个角度。这对卡梅隆也是个问题。他并不想等上几个月后在电脑显示屏上选择自己想要的镜头和角度。虚拟制作总监格伦德瑞为此开发出一种虚拟摄影机，让卡梅隆在拍摄时看到的不是空洞的舞台，而是将在电影中出现的3D世界。
德瑞的虚拟制作系统建立在一款3D角色动画程序MotionBuilder的基础上。在Giant Studios的协助下，德瑞增强了它的实时数据解读能力，使其进化成一套先进的视觉预览系统，能将真人表演与计算机生成图像（CGI）融合成电影中应该出现的场景。斯皮尔伯格和他的视觉特效公司Industrial Light & Magic在拍摄《世界大战》时，曾试图突破视觉预览的瓶颈。在拍摄一段动作场面时，斯皮尔伯格虽然事先知道几个月以后的电脑屏幕上外星机器人会往哪个方向走，但他没办法在自己的摄影机上真正看见这个画面，卡梅隆却可以。
虚拟摄像机是《阿凡达》带来的另一个突破性技术。这种摄像机本身并没有镜头，只有一个LCD显示屏和用来记录在一场戏中其相对于演员的定位和朝向的标记器。定位信息随后被导入到特效转换器中处理，这个转换器在第一时间将包括演员和潘多拉景物的对应CG图像反馈到摄像机的屏幕上。当身穿表演捕捉服的萨姆沃辛顿和佐伊萨尔达娜在灰色单调的木挡板前表演时，卡梅隆在虚拟摄像机中看到的却是10英尺高蓝色皮肤的Neytiri和Sully在潘多拉的雨林中第一次邂逅的画面。森林中的万物都散发着光芒，热情的精灵们在潘多拉的大气中穿行。当Neyriti试探Sully是不是能够被信赖时，无数精灵降落在Sully身上。
卡梅隆能做到的不止这些。他可以随时调出之前拍摄的场景，重新捕捉不同的摄影角度。在展示一段潘多拉的夜行精灵蜥蜴（Fan lizard）飞行的3D影像时，卡梅隆拿着倾侧的摄影机在舞台上回旋。“我可以把图像缩小一点。我能跟随着它在空中飞翔。从下面，如果我愿意也可以从上面，来看它怎么飞越平川。”就像他在用真正的摄影机拍摄。卡梅隆说，“我没法用个破鼠标来操作摄影机，那是开玩笑。这就是为什么CG里的镜头移动看上去就是电脑生成的。”
捕捉最细微的表情
完美的3D体验是《阿凡达》的核心部分。这也是卡梅隆让自己和观众多等待了14年的原因之一。正如电影中的人类角色为了融入外星世界而寄居于外星躯体之中。
在屏幕上对沃辛顿进行渲染就像是人类演员为了寄居于数字世界的数字躯体之中而玩的一个数字戏法。要让这个戏法成功，沃辛顿的表演以及那些用来呈现角色的细微表情，都必须通过他那张阿凡达的脸。但阿凡达最初了无生机而且让人毛骨悚然的脸却几乎让卡梅隆崩溃。卡梅隆回忆说，“太恐怖了！它就像个死人，糟糕透顶，根本不是萨姆。”
卡梅隆的反应在心理学上被称为恐怖谷现象。这是一种人类对在某种程度上非常类似人的物体或形象的排斥反应。如果一个实体充分地“不够拟人”，那么它的类人特征就会显眼并且让人产生移情作用。在另一方面，如果一个实体“非常拟人”，那它的非类人特征就会成为显眼的部分，从而让人产生一种不安的感觉。这种起源于机器人理论的原理也可以延伸到电脑动画角色上。观众对人类面部渲染尤其敏感，数字创造的形象与真人越接近，观众的心理期待越高。如果你将人的动作和表情投射到像人类一样载歌载舞的毛茸茸的可爱生物上，那么观众能够欣然接受。但如果你想给一个数字角色赋予一张人类的面孔，任何细微的不足都会让人感觉怪异。这种情况在《Beowulf》和《极地快车》这两部影片中都有体现。
卡梅隆的虚拟摄影机无法解决这个难题。捕捉演员的动作不过是创造真实可信的数字角色过程中的一小步。没有细微的脸部表情，卡梅隆的阿凡达不过是戴着面具的沃辛顿。事实上，卡梅隆更愿意用“表演捕捉”而不是“动作捕捉”来称呼《阿凡达》的制作过程。在他看来，许多之前的动画角色都缺乏那种界定一个演员演技的细微脸部表情。在那些影片中，动作捕捉的过程只不过是动画制作者的起点，他们最终还是会用数字画笔来完成这个工作。而卡梅隆要让演员们充分发挥自己的演技。
为了从演员们的脸部采集到更多的数据，卡梅隆和来自Weta Digital的动画指导里奇巴恩汉姆制造了一套脸部捕捉头戴设备。这个设备的核心是一个离演员脸部只有几英寸距离的微型摄像头。它的广角镜头能记录下演员脸部最微妙的表情变化：从眨眼睛和抽鼻子到皱眉毛，以及下颌、嘴唇、牙齿和舌头的互动。光这样还不足以让阿凡达变得真实。在加入《阿凡达》之前，巴恩汉姆是《指环王》中的Gollum这个动画角色的主创人员。以前的动画制作人员制造微笑效果时只是把嘴角画大一点，看上去当然很虚假。为了让Gollum 的表情具备足够的表现力，巴恩汉姆和他的团队特别进修了生理学：什么肌肉的运动产生微笑？有何顺序？皮肤会吸收多少光线，又会反射多少？瞳孔有多深？让 Gollum栩栩如生的脸部细节是耗费巨大人力逐帧制作的CG作品。《阿凡达》的系统简化了这个过程，从头戴设备采集到的表情信息生成了演员脸部的数字架构。这个架构随后被赋予一组规则，这组规则将每个演员的脸部肌肉运动应用于阿凡达或者他们出演的纳美人。为了让一个CG人物表达跟演员一样的情感，这个架构必须将人眉毛的每一条曲线都直接转换到数字角色的脸上。在卡梅隆抱怨恐怖谷效应之后，Weta Digital通过优化控制阿凡达的动作和表情的算法，又用了一年的时间才让沃幸顿的阿凡达生动到足以符合卡梅隆的高标准。
“创造一个世界是件令人心悸的事情，”卢卡斯说，“我很高兴吉姆（卡梅隆）正在做它——世界上只有很少几个这么不可救药的人。我在《星球大战》里这么做了，现在他正试图挑战它。这是个大工程。我真的相信吉姆会把它做得超出任何人的想像。”卡梅隆自己宣称，阿凡达的数字元素是如此的真实，即使当它们与演员并肩共存，观众也将分辨不出真与假。“这部电影综合了我一生的成就，”他说，“这是从未有人做到的最复杂的东西。”一直诟病3D技术的电影史学家和著名影评人罗杰艾伯特（Roger Ebert）也不得不承认卡梅隆的《阿凡达》宣告了一个新的时代，是“一个和《星球大战》同等意义上的里程碑”。
潘多拉星的精灵
卡梅隆在《潘多拉百科全书》网站里对潘多拉星的生物进行了详尽说明。
潘多拉是一个巨型气体行星的卫星。这个巨行星叫做Polyphemis，它位于半人马座的阿尔法星系，这个星系距离我们 4.4光年，是离我们最近的恒星系统。阿尔法星系有3颗恒星，分别是阿尔法A、阿尔法B和阿尔法C，Polyphemis就绕着阿尔法A星运转。
潘多拉有一种稀有的矿藏“Unobtainium”，由于磁场漩涡效应，一些外露在地表的巨型“Unobtainium”岩石飘浮到了空中，形成了壮观的空中山峰，人类把它们叫做“哈利路亚山”（Hallelujah Mountain），因为这些矿石可以让他们致富；而纳美人则把它们叫做“雷岩”，并对这一区域心怀畏惧。
纳美人是潘多拉星球上的土著，他们是一种身高3米的高级智慧生物（文明尚处于原始人阶段），其体型、样貌几乎都和人类一样。他们的脖子很长，可以转向180度，他们的身体都很苗条，但并不瘦弱，肌肉恰到好处。他们的眼睛是人类的两倍大，有点像猫眼，他们的嘴也很大，牙齿很白。他们还长有长长的尾巴，轻微的弯曲，很像豹子的尾巴。
每个纳美人身上的花纹都有两种，一种类似斑马条纹遍布全身，另一种如繁星点点沿着他们的神经和循环系统分布，能在黑暗处发出美丽的荧光。后者还能充当纳美人交流的信号，依据不同的情绪改变发光颜色。纳美人全身都没有毛发，头上长长的像头发一样的东西其实是他们露出体外的神经系统。
纳美人的陆地坐骑，相当于人类的马，不过它比人类的马要大得多，有六条腿，4米高、4.25米长，堪比地球上的大象。重铠马脖子很长、头很小有两根触角，身上有类似斑马的条纹，没有毛。它们是杂食动物，嘴部细长还有长长的舌头，可以探到树洞里吸食昆虫以获取蛋白质。
潘多拉空中的一种肉食动物，纳美人通常骑着它们去打猎。斑溪兽有点类似地球远古的翼龙，有四个翼膜翅膀，完全展开宽度可达13.9米。它们的体色非常复杂，骨骼由有机的碳纤维构成，嘴没有颌骨，因此可以张得非常大，还有着锋利的如大白鲨般的牙齿。
潘多拉的空中霸主，虽然和斑溪兽同种，也有膜状翼和碳纤维骨骼，但其体型要大得多，翼展可达25米。纳美人非常敬畏这种凶猛美丽的生物。能驾驭这种飞兽的纳美人被尊称为“魅影骑士”，具有无上的威望。
霸王飞龙身上有红、黄、黑的条纹，脑袋则是深蓝色，头顶下颚均有冠，冠很锋利，可以用来伤害猎物。还有一对利爪可以紧紧地抓住猎物，也可以帮助它们栖息在树上。霸王飞龙还有两个尾翼，可以让它们获得更好的空气动力。
一种食草动物，类似地球上的非洲角马，喜欢集群。它们的体色为桔红和靛蓝相间，身高5米，体重10吨，跑起来就像火车头。
这种动物的脑袋上长着一个槌子状的角，有点像地球上的槌头双髻鲨。不过槌头雷兽是陆地动物，它们喜欢开阔的草地，也经常拜访雨林。它们是食草动物，以灌木和草食为主，但也吃水果和树叶。成年的槌头雷兽一般6米高，11米长。在影片中，枪弹无法打穿这种外皮极厚的动物。
肉食性动物，也是丛林食物链的顶级捕食者。它有六条腿，通体蓝色，头后部有一圈可收起的花状冠。闪雷兽完美集合了力量、速度和灵活几大优点，落入它的尖牙利爪的动物几乎无一幸还。
食肉动物，类似地球上的狼。它们体型并不大，体表没有毛，一般生活在潘多拉的雨林、草原和亚寒带地区，喜欢集群。毒狼的下巴同样可以张得很大，它们的脑袋被一圈盔甲般的硬壳环绕着，它们的爪子和人手一样有一个与其它手指相对的拇指，它们的身上有生物性发光的亮点，可以辨认身份。
