淺析常見3D立體影視技術的類型差異

(上海師范大學 數理學院, 上海 200234)

1 3D立體影視技術概述

3D立體影視技術是指通過特殊技術手段,拍攝、制作和播映立體影視作品,并最終使觀眾獲得畫面立體觀感的一種技術.立體視覺電影電視的基本原理非常簡單:當人以左右眼看同一物品時,兩眼由于空間位置差異,分別在視網膜上形成了并不完全相同的像,這兩個像經過大腦綜合理解后,能區分物體的前后、遠近,從而產生立體視覺.立體影視的原理即仿照人眼睛的視角同時拍攝2個畫面,并在放映時同步放映至同一銀幕上,通過某種技術手段,使左右眼只觀看到相對應的畫面內容,從而產生立體視覺.

圖1 立體視覺成像原理

2 制片工藝流程不斷創新

3D立體影視的制作工藝流程常見有以下幾種:①立體三維動畫片——即使用計算機三維動畫制作軟件制作和渲染生成的3D立體視覺動畫片,例如《功夫熊貓2》、《瘋狂原始人》;②實拍加CG的立體影片——通過3D攝像機拍攝立體實景,然后通過計算機CG特效技術,將真實視頻和CG內容相結合制作影片,例如《變形金剛3》、《鋼鐵俠3》;③虛擬現實拍攝影片——以復雜的影視合成技術為核心,通過計算機渲染產生的虛擬空間和演員在藍、綠箱虛擬演播室中的表演實時合成在一起,進行影片制作,這種技術是最為先進的影片制作工藝,影片《阿凡達》就是采用這種技術制作;④老電影的立體翻新——即對已經拍攝的2D普通影視節目,通過計算機軟件的處理,轉換成立體視覺影片,例如經典大作《泰坦尼克號》.

在上述工藝流程類型中,老電影翻新技術由于通過軟件模擬計算立體視覺感,存在3D立體感不強或者不真實的缺陷,但該技術在短期內解決了立體影視作品數量不足的問題,使當前第一批嘗試3D電視機的家庭觀眾,可以有立體影片觀看.

純立體三維動畫和實拍加CG影片是目前立體影片的主流制作技術.其中,立體三維動畫影片的制作,只需在傳統三維動畫片制作的基礎上,在最終渲染輸出環節使用雙鏡頭渲染插件即可完成,在技術上簡單而且成熟,制作的內容限制也非常小.因此,當前3D立體影片中,立體動畫片數量比例較高,僅2013年初到2013年5月末的國內院線就有《潛艇總動員》、《瘋狂原始人》、《波魯魯冰雪大冒險》等近6、7部國內外3D動畫大作上映,占全部3D立體影片中的半壁江山.

同過實拍加CG特效的影片能夠將真人、實物通過雙鏡頭立體攝影攝像設備記錄,然后通過非線性編輯系統,同步剪輯雙眼圖像,再通過計算機CG技術,在畫面中添加數字特效.這種制作技術源自傳統標準化電影生產工藝,目前已經比較成熟.由于雙鏡頭攝影攝像技術的條件限制,過于細小的物品很難進行拍攝,比較遙遠的景象拍攝立體效果也較差,運動感太強的畫面又容易引起觀眾眩暈,立體感最佳的畫面往往是具備前后景的中景.可見,實景拍攝限制很大.此外,立體CG特效的添加,類似于3D動畫,但由于需要融合實拍鏡頭,因此在前期拍攝時有很多準備工作,而CG創作時又必須根據實拍畫面精細調整,制作難度和制作成本很大.

目前技術最大的突破就是采用虛擬現實技術實時合成拍攝,該技術將原本在后期制作的CG特效,提前到實拍之前,事先建立場景和CG人物的3D模型,以及相應的材質、燈光和虛擬攝影機.進入拍攝階段時,在巨大的藍、綠箱中,演員身著特殊服裝,利用動作捕捉設備將演員動作復制給CG人物,利用表情捕捉設備將演員表情賦予CG角色,利用攝像跟蹤系統將攝影師的操作與3D軟件的虛擬攝影機實現同步,最終借助運算能力強大的計算機系統,記錄所有數據并實時渲染出虛擬現實場景畫面,使導演在第一時間就能看到拍攝的3D影片的草稿畫面情況.這種拍攝技術由詹姆斯·卡梅隆導演在制作大作《阿凡達》時首次實際應用,就此揭開了3D電影制作工藝的新篇章,引領了3D立體電影的未來技術發展道路[1].

圖2 《阿凡達》拍攝工場

不過,采用虛擬現實新技術拍攝的技術工藝還有待繼續完善,就目前情況來說,多個系統的整合以及復雜的拍攝制作準備工作,包括目前計算機系統的運算能力限制,仍然是困擾拍攝制作工作的問題.而且這種方法的影片制作成本極其昂貴,影片《阿凡達》的投資金額超過3.5億美元就是一例.但是,虛擬現實的拍攝技術,突破了傳統實拍加CG技術的桎梏,在影視時空上虛擬真實,并為虛擬角色賦予了真人的情感和動作,讓3D制作的人和物變得更加真實可信.例如《阿凡達》中,潘多拉星球的美麗動人,外星納美人的豐富表情,都給觀眾留下了深刻的印象,讓人津津樂道.當然,就目前的計算機運算能力來說,要完全模擬真人還存在困難,容易被觀眾看出破綻,而外星人、機器人這類形象正好是難得的載體,既能掩蓋真實度,又能表現人物情感.

綜上所述,3D立體電影的制作工藝未來將更倚重計算機技術,無論是動畫片還是實拍電影加CG特效,乃至虛擬現實拍攝手段,都需要有強大的計算機運算能力保障.隨著計算機技術的不斷發展,相信未來的立體影片將更增加難辨,特技更絢麗奪目,讓觀眾更加身臨其境.

3 實景立體攝像技術發展

通過計算機軟件渲染制作的3D立體影片,需要采用計算機3D制作軟件中的雙鏡頭虛擬攝像機功能,而實景拍攝的3D立體畫面,則需要真正的雙路同步攝影攝像機,具體方案有兩種:①雙機組合拍攝——將2臺獨立的攝影、攝像機,通過專用支架組合在一起,同步進行拍攝;②雙鏡頭一體機——直接選用為立體拍攝而開發生產的雙鏡頭一體機拍攝.這兩種方式的本質就是模仿人的雙眼,同步記錄2臺水平排列(指直接水平并列或通過鏡面折射為水平并列,但雙機視軸不一定平行,有可能帶有一定的夾角)的攝像攝影機的畫面.

圖3 3種立體攝像機

無論哪種拍攝方法,都需要考慮雙機間距的問題.雙機間距嚴格講是雙鏡頭中軸線間距,若雙機平行即為2個攝像系統的平行光軸的間距,若雙機存在一定匯聚夾角就是雙機鏡頭中心的間距.雙機間距直接影響到畫面立體感的再現,根據現有的立體攝影的“1/50間距理論”(此理論完全來自國外立體攝影愛好者使用標準鏡頭實拍得出的經驗值,其依據為135全幅相機的標準鏡頭50 mm,其視覺感受最接近人眼,而立體深度恰恰與焦距、靶面尺寸、拍攝距離存在一定的等比例關系).通常情況下雙機間距應該等于“主體或主要前景”至鏡頭距離除以對應135畫幅相機鏡頭焦距(任何鏡頭焦距都需要先折算為135全幅相機的對應焦距).表1是立體攝影的雙機間距理論參考數據.

表1 立體攝影的雙機間距離理論參考數據

可見,雙機間距與感光靶面尺寸成正比,與鏡頭焦距成反比,與拍攝距離成正比.因此,在特定拍攝環境中,最佳拍攝間距可能遠小于機身寬度,也可能遠超過幾個機身的寬度.

很明顯,通過支架架設的雙機組合,其間距具有較大的靈活性,很方便進行調整,利用水平支架和垂直支架,調整范圍可以滿足各種拍攝需要.而雙鏡頭一體機的鏡頭間距基本固定,間距不僅不易調整,而且間距較小,一般小于機身寬度的一半,專業機一般為65mm左右.因此,為了拍攝不同距離的對象,并保證立體縱深感,3D一體機,只能采用調節變焦來獲得不同距離物品的最佳立體感,其調整范圍有限,難以拍攝超遠或者超微距離物體,同時也限制了不同景別鏡頭的靈活使用.因此,實際上一體機拍攝后需要通過后期編輯軟件調整立體景深.

此外,為了實現最佳3D效果,部分時候會模擬人眼觀察附近事物的原理,采用匯聚法拍攝,即雙機光軸各向內側傾斜一定角度,以加強拍攝物體的立體感.這種拍攝方法,只能通過調節支架來完成,因此成品雙鏡頭機不能采用該方法.

總之,支架雙機拍攝具有相對較好的立體拍攝效果,適宜資深攝影師認真調校,拍攝高標準立體電影畫面;而一體機具有優秀的便捷性、易用性,對于初學者,采用雙鏡頭一體機不外乎是一個快速入門的方法,對于3D轉播、直播,也一般傾向使用一體機完成.

4 立體播映技術類型改進

常見的3D立體視覺播映技術為佩戴眼鏡式和裸眼式兩大類,而佩戴眼鏡式3D立體視覺播映技術又可以根據不同原理分為3種:①色分法——左右眼佩戴紅藍、綠紅或者棕紫的雙色眼鏡,通過有色鏡片的過濾,觀看屏幕上相應左右眼的不同染色的畫面;②光分法——分別在左右眼放映機的前面各安裝1個偏振片,并調整2個偏振片偏振角度相互垂直,觀眾佩戴偏振片眼鏡,使左右眼分別獲取對應畫面;③時分法——需要佩戴一副電子(快門)眼鏡,通過快速輪流關閉左右眼的眼鏡片透光,來觀看2倍于正常頻率播放的左右眼輪替畫面,左眼關閉時屏幕正好顯示右眼畫面,相應右眼關閉時屏幕顯示左眼畫面.目前裸眼式3D播映技術還剛剛起步,主流技術有兩種:①視差壁障法——使用開關液晶屏、偏振膜和高分子液晶層,制造出一系列幾十微米寬,方向為90°的垂直條紋,通過它們的光就形成了垂直的細條柵“視差障壁”,這樣雙眼能分別看到液晶屏相應的畫面像素;②柱狀透鏡法——也被稱為雙凸透鏡或微柱透鏡,原理是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡,使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上,雙眼透過透鏡折射,分別觀看顯示屏上對應的像素[2].

圖4 立體影像播映原理[3～5]

3D播映技術中,色分法是最簡便的方法,只需要將左右眼畫面通過軟件染色后融合在一起,因此它對放映設備沒有特別的要求,無需額外的投入,普通電視、投影、顯示器和銀幕都能勝任,而且立體眼鏡造價非常低,甚至可以自己手工制作.但是色分發的缺點較明顯:首先是容易產生畫面偏色,亮度也受到較大衰減,因此色彩表現力受到極大限制;其次是立體效果有些不足,且較易出現重影,畫面不夠清晰;再次,觀眾的在觀影時,眼睛容易疲勞,不利長時間觀看.色分法盡管存在較大不足,但由于其簡單可行,往往被用于早期3D實驗性播映,例如上海電視臺在20世紀末,就已經通過普通電視廣播播出了紅藍濾色的立體電視動畫片,盡管觀影效果較差,但開創了國內立體電視節目的先河.

使用偏振鏡片的光分法明顯改善了觀影的畫面質量:第一,立體效果優秀,對畫面效果、亮度、色彩表現力都影響較小;第二,沒有閃爍感,眼睛不易疲勞,眼鏡輕便,無需電力驅動,佩戴舒適,價格較低,適合人數較多的放映場合;第三,畫面刷新率與普通影片一致,不會產生畫面拖尾現象.目前電影院的立體銀幕大都采用光分法偏振眼鏡,這樣,一個劇場成百上千位觀眾都能夠廉價便捷地獲得不錯的立體觀影效果.但是對于家庭來說,現有條件下,在電視屏幕、電腦顯示器和單鏡頭投影儀上采用偏振膜分隔雙眼畫面而又完全不影響清晰度是十分困難的,因此光分模式在普通家庭娛樂中比較少見.

家庭娛樂較多采用主動式立體眼鏡,即利用時分法原理,將電視或投影畫面幀率提高1倍,交替播映左右眼畫面.通過發射紅外、無線或藍牙信號,同步控制電子眼鏡的左右眼鏡片,交替閉合和透光,達到雙眼分別觀看不同畫面的效果.時分法需要顯示器提供的刷新速度達到120 Hz,這樣才能保證切換的雙眼畫面分別達到60Hz最低要求,從而避免觀眾感覺到鏡片的閃爍.由于其交替關閉左右眼鏡片,因此也叫快門式3D眼鏡,相對應的其他類型眼鏡稱為不閃式3D眼鏡.在觀影效果上,該方案與光分發效果類似,立體效果明顯,色彩畫質優秀,適用于小規模人群收視,適宜家庭娛樂產品.但時分法需要播映設備和眼鏡的一一對應,而且屏幕刷新率要求較高,眼鏡需要配備電池,通用性和便捷性較差,設備成本較高,眼鏡自重較大,佩戴舒適度不佳,更重要的是電子眼鏡降低了畫面亮度,長時間觀看容易疲勞.

目前常見的裸眼3D顯示技術包括視差障壁技術和柱狀透鏡技術,此外,還有多層顯示技術、指向性光源技術等試驗性的新技術,正在逐步成熟走向實際應用.裸眼立體視覺無需佩戴眼鏡,使用最為方便,符合未來的發展方向.裸眼立體視覺的視覺效果還有待提高,目前最需要解決的是分辨率問題和亮度色彩問題,當裸眼3D能夠達到普通高清電視的畫質時,其使用推廣價值才能徹底顯現.而且當前裸眼3D屏幕生產工藝上還不夠成熟,產品成本和產量化難題都有待進一步攻克.但裸眼3D發展速度非常之快,相信很快就會成為真正的主流.

通過對比可知,裸眼3D是最佳的播映方式,但距其完全成熟還有待時日.時分法和光分法是目前最為成熟的、觀影效果優秀的主流3D播映技術,時分法適合家庭型小規模人群的娛樂,光分法適合影院劇場大規模人群的播映需求.而色分法觀影效果較差,但其最為廉價和便捷,往往是會展、廣告的“一次性觀影”技術選擇.

5 3D立體影視技術現存的不足

盡管近幾年中,3D電影電視的發展速度非常之快,3D的制、播技術大大進步,但目前仍然處于技術成熟前的焦灼,還有很多問題需要解決,才能最終掃清推廣道路上的絆腳石.3D立體影視技術現存的不足包括:

(1) 便捷性不足.3D影視的觀影,或多或少都需要使用一些專門設備.從拍攝、制作到播映、收看,各個環節都與普通設備不兼容,給推廣普及造成了困難.此外,不佳的用戶使用體驗和不同的觀影習慣使潛在觀眾望而卻步.

(2) 舒適度不佳.常規3D影視技術目前還只能做到水平方向立體視覺模擬,且通過一定的技術手段呈現,而這些手段或多或少都有色差亮度壓抑或者頻閃干擾的問題.觀眾在觀看是,不僅僅要忍受佩戴眼鏡帶來的不適,也要承受觀看3D影片是保持雙目水平的勞累,更要承受因模擬3D視覺產生的視覺和大腦疲乏.目前還不適合長時間觀看3D影視節目,尤其是青少年群體,眼鏡發育沒有完成,太多觀看3D影視可能會造成不良損害.

(3) 制作成本高.3D影視設備還沒普及,專業人才也較少,節目制作成本較高.在現階段,對比同等高清影視節目,3D視覺影視的制作成本平均是其2～3倍.

(4) 節目內容少.3D技術發展時間不長,普及之路還漫長,目前3D影視節目內容還十分有限,僅憑每年幾十部3D電影,固定的舊片轉換,以及少量的大型電視活動或欄目3D轉播,很難滿足觀眾的收視需求,嚴重限制了觀眾購買3D電視的愿望.

6 3D立體影視技術制作技術的發展方向

簡單探討一下未來的3D立體影視技術:首先,裸眼立體播映技術將普及,觀看立體影視不再需要佩戴眼鏡;其次,虛擬現實技術會成熟,立體電影的制作應該能突破傳統的拍攝編輯,將來應該更多借助計算機CG的制作;再次,立體影視與多重感官的綜合體驗變為可能,也就是是說觀看立體電影將不再局限在視覺技術方面,觀眾應該具備更身臨其境的觀影效果,包括觸覺、味覺、嗅覺、溫度、體感乃至全方位的聲場效果,使觀影變成仿真體驗,當然3D視覺是其中重要環節之一.最后,電影將變成互動游戲的形式,觀看電影時,觀眾與電影、觀眾與觀眾之間能夠互動,并直接影響電影劇情的發展,這一切就是未來的“立體電影”.

參考文獻:

[1] 涂曉,許迪聲,陳雙寅.影視藝術新概論[M].上海:上海文藝出版社,2013.

[2] 張雅麗,馬士超,張韜.數字3D立體電影技術之深度分析[J].現代電影技術,2010,5(1):6-9.

[3] TONY S.片源才是關鍵——淺析3D IMAX電影的錄制[EB/OL].(2011-3-29) [2013-5-30]http://www.szit.com.cn/doc/237654-1.html.

[4] 王道.3D顯示技術詳解及優缺點對比[EB/OL].(2010-03-31) [2013-5-30] http://www.av110.net/shipinzixun/201003/3112_2.html.

[5] 潘軻.立體家庭影院完全攻略——3D顯示器橫評[EB/OL].(2010-10-16) [2013-5-30]http://lcd.zol.com.cn/285/2857635_all.html.