由Rob Legato指导的技术革新在2005年整个夏天进展的非常迅速，当Cameron于八月底从长达两个月的泰坦尼克号考察回来时，Legato和他的组员们已经建立了一个临时的工作流Pipeline。通过这个暂时的工作流Pipeline他们可以把动作捕捉数据导入软件中，这样就能迅速创造实时的数字角色形象，这个数字角色是由一个表演捕捉对象饰演的。Cameron回忆说：“那时他们已经建立了这个系统。事实上，我大概用了一整天的时间来理解他们所做的事情，因为他们所作的事情已经超过了我的预期。”
技术小组当时把精力集中在了脸部捕捉上，开发时的两种理念，现在都被用到了。一种想法是通过专门为头部建立一个动作捕捉舞台，并且使用多个近距离摄像机来捕捉脸部表演、使用可以追踪捕捉点和三角点的软件来收集极其细节化的3D数据。这种方法可以生成大量的3D数据，利用这些数据{tx}艺术家们就可以重新建立一个接近xx的脸部模型了。但是把脸部与身体分开，单独拍摄脸部并且只能在Cameron对演员进行舞台集中指导以后才能做，这与当初Cameron和Landau期望的使用实景拍摄《阿凡达》是冲突的。更重要的是，从演员脸部捕捉的准确数据在制作他的CG对应角色动画时并不是特别有用。Glenn Derry解释说：“毕竟我们将要把脸部捕捉放到纳美人或者阿凡达的脸上，这些脸型和演员的并不是xx一致的。这并不是Brad Pitt本人在饰演Benjamin Button。这是有着人类外表的Zoe Saldana在饰演纳美人Neytiri。因为Zoe的脸部和Neytiri的有很大的差别，所以不能把动作捕捉数据和角色脸部匹配起来，即使匹配得很好，也需要动画师的调整，让动画更加xx。
第二种脸部捕捉的方法是以图像为基础的。配合使用光谱流动技术（optical flow technology）和身体动作捕捉，演员表演时从摄像机中捕捉一个较低层次的脸部数据。然后在再创建一个坚固的、精密的脸部绑定，它可以根据较低端的舞台数据进行推测。早在2002年，一个Lightstorm小组在拍摄Brother Termite（电影）时已经使用了以图像为基础的表演捕捉。在一个墓地中拍摄了一个场景，然后小组成员把这个镜头交给一个{tx}公司，这个公司最终制作了一个完整序列。Jon Landau说：“这说明即使在当时，以图像为基础的表演捕捉也是更好的办法。”
Cameron提议使用这种脸部捕捉来拍摄《阿凡达》，在演员脸前方安装一个摄像机；开始时有些人并不同意这样做，他们认为必须要捕捉更多的细节，以便使用CG来创建更有说服力的脸部表情。 Cameron说：“早些时候，人们认为我们需要更多的摄像机以便捕捉整个脸部。但是我一直这样说‘我们不需要看到整个脸。我们只需要拍摄眼睛和嘴的表演，还需要一个绑定得非常好的模型。这样即使拍摄产生了嘴角向内的问题，绑定系统也会调整好动作。’如果我们绑定好模型，这时即使你在拍摄中看不到脸部其他部分的动作，系统也可以分析出这些动作来，演员表演才是真正的核心。”
Glenn Derr y赞同Cameron的方法。Derry说：“和舞台上的一个高清摄像机相比，脸前摄像机可以给我们提供更多的信息。我们的脸部捕捉系统可以自由移动，这样在演员表演时它也可以发挥作用，而不必把脸部和身体分开。这样就更容易捕捉了，也可以更快速地跟踪和处理了，它可以使我们更快地捕捉到那百分之九十的演员表演。即使结果很糟糕，我们没有得到想要的效果，还是可以手动调节脸部的动画，因为我们可以参考演员脸部正前方的摄像机拍摄到得每一帧图像。”
当单个摄像机的问题解决后，Cameron和Glenn Derry就解决面部捕捉头戴设备的细节，Glenn Derry建立这个系统。Cameron说：“我想要摄像机尽量得小，并且镜头尽量的宽，安置在一个非常轻薄、六英寸的吊杆上。并且我想把它连接到一个适合演员头部的无边便帽上。这个并不像是我们把神经外科用的螺丝放到了演员的颅骨内来支持摄像机。我当时提议了这个想法，但是演员们不同意。我说：别这样啊！你们对于艺术的奉献精神都哪去了。但是他们不赞成这个想法。所以我们设计了这个无边便帽，让它与头部的接触点尽可能的多，以便演员移动时摄像机可以保持平稳。摄像机晃动越小，我们得到的数据集就会越好。”
控制设置可以使摄像机操作者复制任何数量的摄像机移动，比如说变焦、摄像机手推车和摄像机稳定器等，也可以缩放变化。Cameron说：“这个取决于你怎样设置缩放了，摄像机能够以一对一的关系穿过一个环境，还可以把它当做桌面上的微小的模型扫过。我举着摄像机，他们可以设置缩放，然后我可以突然间就变成60英尺高，把摄像机移动着扫过这个微小的模型环境。”缩放可以让Cameron在舞台上模拟巨大的天车的移动，只要用胳膊给虚拟摄像机做俯冲动作就可以实现。或者他可以设置天车移动的参数，比如开始时把高度设置为100英尺，当角色说一句台词时再用特写镜头结束，计算机会建立一个运动曲线的。
虚拟摄像机系统也允许速度变化。如果一个生物快速地从丛林中跑过，比如说奔跑了数百英尺，虚拟摄像机操作者可以通过摄影机平台很轻松地赶上CG生物。Cameron说：“我们可沿着一个路径拍摄，就像是用一个摄像机手推车一样穿过一个空间，因此我们要做的只是跟踪物体。我们可以拍摄任何东西，比如说摄像机路径、一个角色、一个物体或者一个交通工具。这是其中一个最基本的观点。这是技术小组在最开始时提出来的，呈现给我时我感到非常震惊。”
有了面部捕捉头戴装置，在某种程度上实时动作捕捉和虚拟摄像机都可以实现了，Cameron决定进行一次概念验证测试，拍摄剧本中Jake在森林中{dy}次遇见Neytiri的场景。Cameron回忆说：“那个场景占了五页的内容。我们找了一对演员来拍摄这个测试镜头。我马上发现他们并没有因为这样一个过程而气馁，也并不在意在头上戴这个头盔。对他们而言，这是一个黑箱剧场。这是纯粹的表演。 这全部是感情的表达以及彼此互动，没有捕捉点，不用担心灯光、演出服装、化妆和头发等。进展的很顺利。”
Cameron和他的组员使用动作捕捉和高清摄像机拍摄了三分钟的镜头，然后把动作捕捉数据发给了Industrial Light &Magic。在Dennis Muren监督下，小组完整地把35秒的场景制作成了动画并渲染出来了。然后Cameron和Landau把这个测试以多画面的屏幕形式呈现给了Twentieth Century Fox影视公司的决策者们。多画面屏幕中既显示了原始演员的脸部表演高清晰画面，同时也显示了最终渲染出来的动画效果。Nolan Murtha说：“Cameron这样做是为了告诉他们可以使用这个技术得到感情丰富的表演效果。角色的表演是xx可信的，几个xx符合演员的表演。”
动画总监Richard Baneham说：“这个场景很好地展示了电影的制作思路。使我们对这项技术的潜力有了一个更宽广的认识。这项技术可以呈现给我们一个数字化的表演，这种表演可以持续下去或者与观众联系在一起。那是这个镜头透露出的一线希望。” Richard Baneham在最初就加入了《阿凡达》的策划中，并且监督测试动画，然后为这个项目工作了四年。
当Cameron从泰坦尼克号考察回来时，不仅技术小组已经找到了一种脸部捕捉的基本方法，而且Derry以及他在Technoprops的组员也建立了一种beta version版的虚拟摄像机。考虑到导演可能会更加习惯使用看上去熟悉的摄像机，Derry设计了虚拟摄像机，它看起来或者操作起来更像更像是典型的电影摄像机，配置了管状的目镜。但是虚拟摄像机根本就不是一个真正的摄像机，只是形状像摄像机的物体，它内部有一个界面，可以实时地把动作捕捉数据映射到数字环境中的数字角色里。Derry解释说：“真正的‘摄像机’位于直接与Motion Builder连接的界面里。这个接口可以让Cameron缩放事物，四处飞，可以做任何摄像机操作者可以做的事情。”
尽管福克斯电影公司在第二年还是没有正式批准制作这部电影，但是工作室的负责人和Cameron在完成测试后，确信技术最终能满足《阿凡达》的制作要求。在开始制作一年半后，Glenn Derry和他的小组开始建立技术性的基础设施来支持《阿凡达》的拍摄。Derry回忆说：“那时我开始着手建立这些设施，开始建立虚拟摄像机以及面部捕捉系统，并且开始实际生产头部装置的机械以及电子配件。我们设计了标准解析的NTSE摄像机，并且设计了记录系统、驱动一切的电子器件和可以把录像传输回来的传输系统。” Stan Winston Studio把摄像机和吊杆连接到了玻璃纤维和软泡沫制成的头盔上。饰演纳美人和阿凡达角色的演员们将会戴这些头盔。一些头盔上连接着很长的绳线材料来帮助演员们来注意到纳美人和阿凡达的辫子，这些辫子将装饰他们的数字化角色。
那时Derry认为最初的这些设备太笨重了，所以他在虚拟摄像机的设计中采用了另外一种思路，建立了一种他称作“rim cam”的设备。Derry说：“这是一种方向盘式样的摄像机系统。即使这个都很难控制。最终当我们把它设计为我们现在使用的摄像机的雏形时，我们意识到了我们真正需要的只是某种观察窗口，也就是显示器和一些控制设置。这使我们想到了制作“swing cam”，这就是Cameron在拍摄《阿凡达》时使用的摄像机。摄像机中有一种机械装置，不论他怎么摆动摄像机显示器都总是会对准他。这个重七磅的swing cam非常轻便，所以Cameron可以很轻松地控制并且可以在舞台上举很长时间。后来我们设计了一款只有两磅重的，但是那时Cameron已习惯使用之前比较重的了，所以之后还是继续使用了那款比较重的。
Giant工作室在Playa Vista的摄影棚里建立了动作捕捉系统，而且还在Giant Studios旁边的摄影棚天花板上安装了120个红外摄像机。经过漫长的测评过程，Giant Studios拿到了阿凡达的表演捕捉任务，主要归功于它先进的实时能力和高度直观的生物力学解决方案。Jon Landau说：“他们的系统即使丢掉一两个捕捉标记点，根据身体的骨骼的其他捕捉标记点，仍然可以生成正确的图像,。我们测试过其他的系统，都会遇到少许的“跳watusi舞一样”的问题，也就是说手臂应该在一个位置，但是系统却认为它在其他某个位置。”
Giant Studios的系统推测能力和补充阻挡区域的能力很关键，导演要用动作捕捉台上的多个高清摄像机拍摄演员时，一个摄像机要作为A摄像机来拍摄，其他摄像机要记录额外的重要参考信息。Landau解释道：“我们没办法看到所有区域的每个捕捉点，因为要在这些地方摆放虚拟摄像机和参考摄像机reference camera，演员相互之间的位置安排会限制摄影机。因为Giant Studios的系统可以推测下一步动作，即使身体的某个部位被遮挡住了，我们也不必担心表演捕捉不到。可以把演员和高清摄像机安排到舞台上。，也可以把部分布景放在动作捕捉台上。演员可以站的很近或者在地面上摔跤都没关系，这些情况不会影响Giant Studio的动作捕捉系统。”
动作捕捉摄像机是Giant 工作室自主研发并编写的商业设备. Giant 工作室的动作捕捉主管Matt Madden说：“它们叫做智能摄像机，就像小计算机一样，可以通过以太网连接在动作捕捉工作站进行远程遥控。我们可以通过主计算机进入一个摄像机，然后指令它该如何诠释图像。所以如果要对图像处理做内部调整，不必真正找到摄像机，可以通过这种方式进入摄像机然后调整。”
Glenn和同事们在Playa Vista摄影棚安装了高清摄像机和监视器。Derry说：“我们是首批全部使用高清工作流的制作团队之一。自从制作这部电影以来，使用高清工作流已经成了规范，当时我们正在Beta测试所有的高清设备，有的设配甚至还没有上线。我们硬着头皮给基础设施建立了高清工作流；这样所有的辅助录像设备和监视器都是高清的。”针对高清工作流、动作捕捉和表情捕捉摄像机，Derris研发了同步工具。“它们必须同时运行：动作捕捉摄像机要与参考摄像机同步拍摄，参考摄像机要与表情摄像机同步。
Weta Digital公司的艺术家们和技术人员同时制作硬件设备、开发软件以及创建新的工作流。这些艺术家以及技术人员是Cameron和Landau在开始策划《阿凡达》时聘请的。电影制片人们以及Weta Digital公司的视觉{tx}总监Joe Letteri在2006年初进行了更加坦率的交谈，一起讨论了Weta Digital公司曾经在制作Peter Jack导演的《金刚》（King Kong）时使用的技术。其中讨论的最关键的话题之一就是脸部捕捉。Letteri回忆说：“我们讨论了怎样把动作捕捉从后期制作的过程中去掉，在过去动作捕捉是包含在后期制作中的。
对于Gollum这个角色来说，我们拍摄了所有的胶片镜头，然后和Andy Serkis一起捕捉了Gollum的表演。但是Cameron想把这些结合起来，动作捕捉和舞台表演要同步进行。我们也曾在Andy Serkis的脸上做了跟踪捕捉点，但是Cameron不想采用同样的方法。他认为每天这样做太有局限性了。取而代之的是，他想设计一个面部系统。所以我们开始做这个，和Glenn Derry讨论怎样建立这种工作流。”
建好舞台表演捕捉系统以后，演员Shane RangiLetteri戴上Derry设计的头部装置，Letteri和他的小组给他做了动作捕捉。这个头部装置上连接着很小的摄像机，由捕捉的数据来驱动Andy Serkis的CG角色的脸部运动,这个捕捉系统是他们在上个项目做好的。Letteri说：“我们把这个作为一个样本呈现给了Cameron，我们知道他会过来和我们一起谈论这部电影的拍摄，并且我们认为‘如果他在拍摄时可以看到一个数字化角色活生生的表演感觉一定很棒，这里不仅有身体的表演，还有脸部表演。’当Cameron过来时，我们向他呈现了这个概念验证，我们一致同意这是一个很好的起点。一旦这个测试成功了，我们就可以完善拍摄过程。”Derry说：“那时，Weta公司加入，说：‘你们负责拍摄的硬件设备，我们来负责软件。’整个过程对于我们所有人来说都很棒，因为没有人怀疑我们的能力。Cameron一直在催我们，但是我们还是有时间来完成这些的。这是一生中只有一次的经历，因为从整体上来看好莱坞的工作流程不是这样的。在好莱坞研发程序不会是这样的。通常在好莱坞一切都是基于以前做过的事情的基础上的，基于这部电影或那部电影。在这里，我们并不在乎以前是怎么拍电影的，我们正在前进。”
截至2006年9月，Playa Vista摄影棚已经可以投入使用，这样Jim Cameron 和Richard Baneham开始捕捉用于最终战斗序列的飞行轨迹动画了，他们用的是1/4比例、半英寸大小的可以握在手中的模型，通过他们表现战斗机与斑溪兽、霸王飞龙之间的空中战斗。舞台上安装了轨道用于协助摄像机上升、下降和缩放。Baneham解释道：“虽然这只是设定整体的飞行轨迹，但是很有用。Jim可以省略与动画师交谈的互动环节，不用说‘我想让直升机从这飞到那’了，我们可以用模型自己拟定飞行轨迹。”
Cameron描述道：“Richie和我就像两个小男孩一样摆弄这些模型，但是通过这个过程，我们捕捉到了整个空中战斗的轨迹。这是很早以前的事情了，我们刚开始也犯了很多错误。刚开始拍出来的东西真的很烂，我们尝试让五个人模拟五架直升机的飞行，但是机身互相阻挡，{zh1}看起来就像是Twister游戏。之后我们就分解开拍摄，先做主要的飞行轨迹，一次只用2至3个模型。然后在上面叠加更多模型。这就像录音一样，先载入节奏轨道，然后再添加声音和吉他。我们做的事情也一样--视觉多轨道追踪，这种方法很奏效。”
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