Si es para un trabajo y no para un corto personal (donde no tengas nada que perder), te recomiendo que, aunque salga algo más caro lo grabes en un escenario real, ya que, si no tienes experiencia integrando, el resultado puede no ser del agrado del cliente, y al final te saldrá más caro mandarlo a un sitio para que te lo hagan bien que haberlo rodado en plató.
Para hacer lo que quieres, si lo haces con cámara estática todo será mucho más fácil, sólo tendrás que preocuparte de hacer el croma, borrar ciertos elementos, y componerlo todo para que quede igual en cuanto a colores, grano, etc. Si vas a hacer movimientos de cámara es más complicado, aunque también es verdad que si consigues hacerlo el resultado aún con el mismo fondo 3d es más realista que si la cámara es estática.
Programas que necesitas:
-Para el matchmoving (sacar el movimiento de la cámara real para asignárselo a la cámara 3d): Realviz hola, Boujou, Syntheyes, vodoo Camera tracker.
-Para hacer el croma: por ahí se utiliza mucho el Primatte, tiene plugins para After Effects (entre otros). También puedes utilizar el Combustion, el Shake (tiene un chroma key muy bueno, aunque el del Combustion 4 no lo he probado todavía y está basado en los grandes del Flame he Inferno).
-Para componer todo: After Effects, Shake, Combustion, Digital Fusion, etc.
Pero ya te digo que es meterte en berenjenales muy complicados si no has hecho nunca nada parecido, si lo haces por aprender adelante, pero si es para un trabajo, ten cuidado que no es tan fácil como parece.
En este tutorial veras por encima los pasos de todo el proceso para hacer algo similar a lo que buscas (meter además de fondo 3d, un personaje que interactúa con los actores): https://Stewie.3dpoder.org/. Saludos.