活態文化資源雙目立體視頻采集系統研究

蘇志斌，李華，呂朝輝，任慧

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

1 概述

活態文化資源是一種以人類行為活動為主體，具有顯見且特定的形式，并且主要依靠口述、親授、文字或圖形來繼承和傳播的文化資源，是我國傳統文化資源的重要組成部分。典型的活態文化資源有民族舞蹈、戲曲、婚慶、祭祀和傳統手工藝制作等，而由于受到地域、參與人數和影響力等限制，很多寶貴的文化資源正在淡出人們的視野，因此，對我國的活態文化資源進行適時恰當的記錄和保存，對文化的延續、發展和傳承都有著極其重要的意義。

本文的研究主要依托國家科技支撐計劃項目“文化資源數字化關鍵技術及應用示范”的子課題“文化資源數字化采集、加工、支撐技術的研究”，運用數字化的手段，通過科學技術與傳統文化的有效融合，對活態文化資源這種不可再生的資源進行記錄和保護。目前，國內外已有大量的人士著力于研究數字化在文化資源領域的應用，并試圖結合各種先進的技術，對資源對象進行更加完善和全面的保護。對此，本文將采用國際上較為通用的雙目立體視頻拍攝技術，對活態文化資源的視頻采集和記錄進行研究，并重點討論拍攝系統的組成和其中的主要技術。

2 雙目立體視頻采集系統的組成

目前，雙目立體視頻拍攝技術主要應用于電影的制作和電視(如體育節目、談話節目和紀錄片等)的拍攝過程。雙目立體拍攝的基本原理就是模擬人眼對世界的觀察記錄方式，采用間距約為人類雙眼間距(約為65mm)的兩臺同種型號，同種光學和色彩性能的攝像機在一定的條件下同時進行拍攝，并且通過一系列的處理，在顯示端將左右圖像分別送到兩只眼睛中，最終得到立體的空間展示效果［1］。根據活態文化資源的采集需求，該系統應當具備以下兩個基本特點:

1)記錄的真實性。活態文化資源的采集是為了達到對傳統文化進行記錄和保護的目的，采集樣本應當完整、清晰，保證記錄內容真實，客觀、準確地再現當時的活動情況。為此要求系統選用的設備具有支持專業拍攝和制作的性能，其中攝像器件可選用高清的CMOS或CCD。

2)制作的非實時性。活態文化資源的采集通常情況下沒有實時轉播的要求，因此后期制作部分可以不在現場而獨立完成，留給編輯更多的思考空間。

圖1 雙目立體視頻采集系統示意圖

2.1 雙目立體攝像機組

雙目立體攝像機組是立體視頻采集系統的核心部分。由于兩臺攝像機將分別模擬人的左右眼的取景功能，而立體感主要是通過水平方向的視差來體現的，因此兩臺攝像機攝取的圖像在垂直方向上應當保持一致，這需要依賴支架的組合來完成。目前通用的支架設置有水平支架和垂直支架(又稱為反射鏡式)兩種形式，如下圖2所示。水平支架形式就是通過特制的滑軌將兩臺攝像機并行排列在同一平面上，通過改變攝像機之間的間距和鏡頭的朝向來調整立體效果。而垂直支架形式則主要利用一種與攝像機軸線呈45度，具有半透射半反射功能的單相透視鏡將同一光軸的入射光“分割”進入兩臺攝像機，雖然在外觀上垂直放置，但兩臺攝像機仍然起著模擬左右兩眼的觀察記錄作用，并且為了產生具有視差的成像，兩臺攝像機中須有一臺在拍攝方向上橫向錯開少許安置，如下圖3所示。由于采用垂直支架形式，通過鏡面反射得到光信號的攝像機1會產生和攝像機2相反的倒像，為保證觀看一致，在進行視頻合成和顯示前需要先對倒像進行處理，同時對攝像機2產生的圖像進行相應的延時。

水平支架是一種較為傳統的拍攝形式，造價相對較低。局限性是兩臺攝像機的最小軸間距相當于攝像機的寬度，因此不適合拍攝近距離的物體，實際常用于對遠景或全景場面的拍攝。垂直支架的優點是軸間距的自由調整(最小可達到0度)，適用于中到近距離的拍攝，當垂直放置的攝像機位于透視鏡上方時，還可用于低角度拍攝。垂直支架的局限性是支架設置復雜，透鏡對灰塵和突然的加速度很敏感［2］。如今市面上還普遍存在一種將雙鏡頭合成在同一機身內的一體式立體攝像機，同支架式的攝像機相比，一體式攝像機在出廠時就已經保證了感光元件、顏色和水平垂直方向上的嚴格一致［3］，避免了支架式攝像機復雜的調整過程。此外，一體式攝像機還具有體積輕巧、方便移動等優勢。

2.2 同步裝置

為達到正確的立體顯示效果，避免產生偏差和不適的視覺感受，兩臺攝像機之間需做到幀對幀的完全同步。具體表現在兩個方面:一是針對攝像機操作的同步，包括開始和結束拍攝的時間的同步，快門時間同步，移動攝像時的同步，變焦和聚焦過程的同步等;二是記錄過程中的視頻時碼同步。裝配兩臺攝像機的支架式拍攝機組，需要采用外部同步鎖相機構，使兩臺攝像機完全同步。在一體化立體攝像機中，其信號處理時鐘、水平垂直同步信號本身就采用了同一系統，因此左右圖像的成像和定時也是一致的。

下圖4給出北京威爾帝公司生產的電動同步控制器，該裝置通常安裝在支架上，通過外部的操作統一控制兩臺攝像機的起動，對焦和跟焦等過程。圖5給出的是BlackMagic Sync Generator同步信號發生器，可通過該裝置對兩臺攝像機進行外部時碼輸入。

2.3 立體視頻監視器

立體視頻監視器主要用于現場監看拍攝情況和立體效果，以便對攝像機參數、間距和攝像機間夾角等進行及時的調整。傳統的立體視頻監視器僅僅實現兩組畫面的疊加，通過顯示屏上觀察到的參數，結合經驗值進行調節。而現在的立體視頻監視器多配有偏振眼鏡，可直接觀察立體視頻的出屏和入屏效果，并可實現2D和3D畫面的切換。用于現場監看的立體視頻監視器往往體積較小，顯示屏大小可以在10英寸以下，如圖6所示。

3 立體視頻采集方法

3.1 拍攝機位分布

圖6 立體視頻監視器

活態文化資源根據其內容與形式的不同，拍攝時也應有不同的機位分布方式。通過對多種典型的活態文化資源的調查和分析，根據拍攝要求的不同，將資源類型分為民俗活動和手工技藝兩個大類。下表給出的是針對兩種活態文化資源類型機位設置建議。

表1 活態文化資源拍攝要求和機位設置

下圖7給出的是大型場面的民俗活動拍攝機位分布方案。其中圓圈標出的1-6號機位為可供使用的全景和遠景機位，設置在主要活動區域的外側，用于記錄整個活動的場面。實際拍攝時可以只取一側的1到2個機位，即僅在1-3號之間選擇或僅在4-6號之間選擇。方框標出的A-D機位為中近距離的固定取景機位參考點，設置在活動場地的邊沿，用于特定人物或場景的跟蹤和特寫拍攝。三角標出的a、b機位是可移動的拍攝機位，主要用于輔助拍攝固定機位因遮擋或難以移動等原因而無法展現的近距離場景。由于實際的活動場地并非規則的區域，以上機位的數量均可根據實際需求進行調整。這種針對大型場面的多種機位綜合記錄方式，可用于婚慶、競技、禮儀等文化資源的拍攝，例如哈薩克族的“叼羊”活動、塔吉克族的婚禮等。

圖7 大型場面的民俗活動拍攝機位分布示意圖

對于中小型場面的民俗活動，還可以采用僅由中近距離的固定機位組成的拍攝方式。如圖8所示的機位分布形式。其中A、B、C可以是同種類型的攝像機組，分布在活動場地的外側邊沿。這種方法沿用了2D視頻的機位分布方式，可選擇圖中的B機位作為全景機位，其余為中景，近景或特寫的機位，適用于舞蹈、戲曲等形式的文化資源的拍攝，特別是有固定舞臺的表演場所，例如朝鮮族的長鼓舞、佤族的清戲等。

圖8 中小型場面的民俗活動拍攝機位分布示意圖

針對民間手工藝的拍攝，可根據手工藝制作場所的大小選擇上文介紹的多機位的分布形式，也可以采用單機位的拍攝方法。因為很多手工藝制作是由單人或少數人在較狹小的環境內完成的，拍攝重點也是制作的過程，多使用近景和特寫，這種情況下選擇合適的單個機位就可以滿足拍攝需求。

3.2 拍攝機型的選用

根據上文的機位分布分析，不同的機位可選擇不同的立體攝像機。在圖7所示的大場合的活態文化資源采集過程中，1-6號機位通常采用水平支架的立體攝像機組，A-D機位可采用垂直支架的立體攝像機組［4］。從拍攝需求和性價比的角度考慮，攝像機可選用廣播級以下，家用級以上的專業高清攝錄一體機。例如SONY XDCAM EX系列的PWM-EX3(CMOS)、HDV系列的 HVR-Z5C/Z7C和HVR-S270C(CMOS)、AVC HD系列的 HXRNX5C/7C攝像機(CMOS)、松下AVCCAM系列的AG-HMC153MC(CCD)、P2HD系列的 AGHVX203AMC(CCD)攝像機、CANON的XF305攝像機(CMOS)等。對于可移動的a、b機位，小型一體化的雙目立體攝像機是最好的選擇。例如SONY AVC HD系列的HXR-NX3D1C手持式一體機(CMOS)和松下的 HDC—Z10000手持式一體機(CMOS)。

需要注意的是，使用垂直立體支架的攝像機組拍攝快速運動的人物或場面時，由于經過半透明鏡的反射和透視作用，使用逐行掃描的CMOS鏡頭攝像機會產生不同步的情況，因此這時宜采用CCD的攝像機。如上文中提到的松下AG-HVX203AMC。

3.3 攝像機的基本參數

拍攝視頻的過程中，同畫面顯示和處理相關的基本參數包括:攝像機的焦距、光圈和景深、電子快門、白平衡、增益等。焦距直接決定能拍攝的景物范圍和圖像的清晰程度，當成像畫幅尺寸一定時，焦距值越大，視場角越小;當物距不變時，焦距約長，拍攝的影像尺寸越大。短焦距的攝像頭通常稱為廣角鏡頭，具有較大的拍攝范圍［5］。立體視頻的拍攝在采用廣角鏡頭時能產生最好的3D效果，但考慮到實際拍攝時的不同需求，采用包含廣角、標準、中焦和長焦鏡頭在內的變焦鏡頭是更加實用的選擇。拍攝中焦距的選擇還可以根據以下公式來確定:

鏡頭的光圈起著限制進入鏡頭的入射光的作用，能夠調節通光量，控制景深和不同環境下成像的清晰度。當焦距長，同時光圈增大時，可以獲得較小的景深，產生突出被攝主體，虛化背景的效果。專業級別的攝像機一般都具有較大的光圈，如SONY HVR-Z7C的光圈在F1.6-2.8之間，不但能在低照度的場所發揮正常作用，還有利于背景的虛化。

電子快門的調節主要同被攝對象的運動速度相關。多數攝像機的正常快門速度為1/60秒，拍攝結果看起來和人眼的感覺一樣，被攝對象快速運動的情況下會出現模糊現象。低速的快門用于制造特殊的效果，如用于拍攝快速運動物體會產生較長的拖拽和殘影。高速快門能夠及時的捕捉到快速運動的物體，但過高的快門速度會大幅度降低運動模糊，令畫面之間產生不連貫的感覺。活態文化資源的采集過程中，可以根據被攝對象的運動情況選擇快門，但需注意的是，在快門速度較高的情況下，由于曝光時間降低，入射的光通量較少，畫面看起來會比低速快門時暗，因此需要選擇明亮的拍攝場所，加強照明或者采用其他方法增加曝光，例如提高增益。此外，為避免因光源和記錄速度不同步以及一些特殊的被攝場景(例如柵欄等條紋)而引發的頻閃現象，快門速度也應當進行相應的調整。

數字視頻中的增益就是通過電子的方式調亮畫面，在黑暗的環境下能使畫面變得明亮。但是會增加顆粒狀的噪點，并且隨著增益的增加變得越來越明顯。因此在實際拍攝中增益不宜調得太大。

攝像機的白平衡功能就是通過把畫面中的主要光線顯示為正常的白光，從而補償場景中光線的缺失。拍攝記錄片和紀實性節目時，應當通過預置或者手動調節的方式保證記錄色彩的準確性。例如在處于鎢光或接近鎢光的環境時，使用3200K的色溫預置，在日光或接近日光的環境下采用5600K的預置。同白平衡對應的還有黑平衡的調節，用于精確地重現黑色。黑平衡的調節可以很長時間進行一次，但是一旦所處環境的光線發生改變，應當及時地調節白平衡［6］。

雙目立體視頻拍攝過程中，各類參數不但應滿足采集內容的需求，還應當在兩臺攝像機間完成匹配調整，將左右畫面拍攝出的由參數設置引起的差異降到最低。

3.4 立體視頻拍攝的3D效果控制

為了恰當的展示拍攝對象的立體效果，在拍攝過程中需要對攝像機間距、會聚點等參數進行調節，還需要考慮觀眾在觀看時的舒適度感受。實際上，除了根據理論值調節參數外，還應當實時觀察拍攝出的立體合成視頻，才能更好地控制觀看效果。

1)攝像機間距調節

在立體攝像中，攝像機之間的間距是最重要的參數，通常用兩臺攝像機鏡頭間的間隔表示，稱為立體基準(stereo base)。增大立體基準時，立體感增強，物距不變時觀測到的物體變大;減小立體基準時，立體感減弱，物距不變時觀測到的物體變小。在基本的雙目立體攝像機構成中，該基準為人眼瞳距的65mm，此時拍攝距離攝像機2-10m左右的物體，能夠得到自然的場景和立體顯示效果［7］。在實際使用中，考慮到拍攝對象的距離和鑒賞畫面尺寸等因素，立體基準也要隨之改變。例如拍攝遠處體積較大的對象時，不增大立體基準就會很難表現出立體感［8］，而拍攝近處體積較小的對象時，如果不減少立體基準，會導致視差過大，產生失真的效果。

2)攝像機的會聚調節

會聚指兩臺攝像機的朝向，也稱作輻輳，兩個攝像機光軸的結合點稱為會聚點(輻輳點)，包含會聚點的平面稱為基準面，如下圖9所示。基準面上的被攝物體將定位在顯示屏表面上，而光軸結合點前的物體產生“出屏”的效果，結合點后的物體產生“入屏”的效果［9］。實際拍攝時，應當先確定將顯示在屏幕表面的被攝體，例如圖9中的B點，然后在被攝體上將左右攝像機的光軸重合，則位于A點處的物體會顯示在屏幕之前，C點處的物體縮進屏幕內部。

會聚拍攝方法帶來的問題是桶形失真，即由于攝像機都朝向內側，在畫面的兩側邊緣，左右圖像會出現垂直偏差。為了從拍攝上克服桶形失真的問題，可以采用平行拍攝的方法，如下圖10所示。由于兩攝像機的光軸不會相交，因此所有被攝到的物體都會出現在屏幕的前方。這種方法只能在后期制作時左右移動圖像來人為設定會聚點，模擬會聚拍攝的情況來控制“飛出”的被攝對象的數量和位置，否則會因為長時間觀看出屏效果而帶來眼部的不適［7］。而后期重新設置會聚點的過程除了增加制作的工作量外，還會因為左右移動圖像而損失一部分的畫面信息。因此對于文化資源的采集，采用會聚拍攝，并在后期針對失真對象進行校正處理是一種更合適的拍攝方法。

3)視差和舒適度控制

在立體拍攝的過程中，通過變焦(水平視場角)，立體基距，主要被攝對象距離的設定等，可以達到立體效果和舒適度兼容。

在觀看3D效果時，過度的視差角度和視差縱深量會引發觀察時的暈眩感和其他不適。根據日本3D國際財團的安全規定:為達到較舒適的觀看目的，出屏效果(如下圖11左所示)時視差角|α-β|≤1°，入屏效果(如下圖11右所示)時視差角|β-θ|≤1°;同時出現在屏幕上的左右眼圖像視差間距不大于瞳孔間距的65mm(兒童為50mm)［7］。在使用寬高比為16:9的顯示器時，如果在相當于畫面高度3倍的距離進行觀看時，的視差角相當于畫面寬度2.9%(約為3%)的水平視差。在實際拍攝時，可在監視器畫面上疊加顯示兩眼的圖像，實時觀看并確保水平視差大小小于 3%［10，11］。

圖11 視差角的安全量控制

立體視頻在采集過程中還有很多需要改變鏡頭焦距的拍攝情況。一旦鏡頭的焦距發生變化，立體效果也會隨之變動，因此需要控制焦距的變換情況。通常情況下，水平視角較小時，被攝物體所在的舒適區域較大，而使用長焦鏡頭時，隨著焦距的增大，視場角逐漸變小，舒適區域也相應的變窄，而且由于立體基準的增加，容易出現過度視差的情況，還會使主體和背景之間的關系產生一種紙板效果［2］。因此使用長焦鏡頭拍攝時，應稍微減小立體基距，同時盡量拍攝會聚的基準面附近的物體。

4 結論

雙目立體視頻技術是一種較先進的視頻采集記錄方法，通過模擬雙眼的雙攝像機拍攝能夠帶來身臨其境的臨場感和更加直觀、清晰的觀察體驗。采用雙目立體視頻拍攝技術進行活態文化資源的采集，有利于更好的記錄我國寶貴的文化資源，保護瀕危文化，同時，推動了文化領域的核心技術發展，符合國家“十二五規劃綱要”提出的“創新文化內容形式，傳承優秀民族文化，繁榮發展文化事業”的新要求。

本文根據活態文化資源的采集對象和基本需求，給出了雙目立體視頻采集系統的總體框架，并針對拍攝中機位分布，機型和設備的選用，攝像參數，3D效果控制方法等立體視頻采集技術的重點問題進行了理論性的探討。目前，國內的立體視頻拍攝技術還處在一種持續發展的階段，需要不斷地引進新型的設備，探索更加合理的拍攝方案。將雙目立體視頻的拍攝應用于活態文化資源的采集，雖然已有3D電視和電影拍攝的一些成功案例，但仍需要針對這種具有特殊要求和較復雜的拍攝環境的采集方法進行深入的研究，拍攝中涉及的很多參數也需要在實際的操作中進一步的驗證。

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