大話3D應用

編者按：新的一年，“高手論技”繼續伴隨大家前行，身處一線的你，就那些技術上最常遇到的故障、最需要解決的難題、最成熟的應用……都可以在此暢所欲言，各抒己見。是繼續圍觀還是現身說法，新浪微群http：//q.t.sina.com.cn/264976，期待您的共同參與。

隨著電影《少年派的奇幻漂流》的熱映，公眾對視覺享受的追求也越來越高，但對于拍攝電影所采用的3D技術原理卻知之甚少。正如導演李安所說，“3D發人深省，它是新的視覺語言，要怎么樣處理，怎么樣讓那個東西跟觀眾溝通，攝影機看到的是事實，可是觀影是用心在看。”在此，主持人和嘉賓將分兩期對3D所涉及的眾多技術進行回顧、闡釋和討論。希望，有一天，教育也能有一些3D的元素。

主持人：

邱元陽 河南省安陽縣職業中專

嘉賓：

劉宗凡 廣東省四會市四會中學

陳守家 山東省濰坊商業學校

邱元陽：3D電視的擴展應用

在一些具有不閃式3D功能的電視上，還可以在偏光3D的基礎上擴展出另外一些頗有價值的應用，如一屏雙顯、雙通道、同時看、多屏互動等。雖然叫法不同，但實際功能和原理基本相似。例如，雙通道電視，就是利用偏振方向不同的左右眼視頻畫面可以為偏振光眼鏡正確分離的原理，將兩路完全不相干的視頻信號（如兩個不同的電視節目頻道）分別置于左右眼視頻畫面中，一個是垂直方向的偏振光，另一個是水平方向的偏振光，而對應的眼鏡則是兩副，一副是水平偏振光的鏡片，另一副是垂直偏振光的鏡片。不同于觀看3D節目的眼鏡的是，每副眼鏡的兩個鏡片是完全一樣的，但兩副眼鏡是不同的。這樣一來，戴上其中一副眼鏡的人，只能看到左眼畫面，即混合視頻的其中一個頻道，而戴上另一副眼鏡的人，看到的是右眼畫面，即混合視頻中的另一個頻道。這樣就實現了在一臺電視上可以讓兩人或多人同時觀看兩個電視節目的功能。

當然，視頻畫面是分開了，音頻也需要分開，這樣才不會互相干擾。在具有此功能的電視上，音頻的分離是借助無線耳機進行，即兩路音頻的其中一路是通過電視機的音箱發出聲音，另一路音頻是由無線耳機發出聲音。觀看主畫面的不需要戴上耳機，觀看另一節目畫面的人就需要戴上無線耳機，才能聽到對應節目的聲音。這種方法比較完美地實現了一家人同時在同一臺電視上觀看不同頻道和節目的功能，從此不用再為各自喜愛的頻道爭搶遙控器。

利用偏振不同的視頻畫面的混合，還可以進行欺騙性的視頻加密。將需要加密的視頻畫面偏振處理后混合到正常畫面中，用特定的偏振光眼鏡來解密觀看。

陳守家：在普通電視上觀看3D視頻

在普通電視上觀看3D視頻與在電腦上觀看一樣，關鍵是具有互補色格式或左右格式的片源，以及相應的觀影眼鏡。

從觀看效果上來說，推薦使用左右格式的視頻。這里即以此為例，簡述在普通液晶電視上觀看3D視頻的方法。

首先，電視必須具備外接存儲設備的功能，如USB接口或SD卡接口，現在的液晶電視一般都有此功能，或者可以通過HDMI傳輸電腦上播放的視頻。

其次，找到變形左右格式的3D視頻文件，確認文件的視頻格式為電視機所支持，如果不支持可以先用視頻格式轉換工具轉換一下。

再次，將這些視頻文件復制到U盤中，插入電視機的U盤接口，啟用電視機的視頻播放功能，找到相應的盤符文件，進行播放。

最后，戴上觀屏鏡，調節左右眼視角到合適程度，即可觀看到3D效果。

由于光線反射的原因，光路變長，用觀屏鏡看到的圖像會比原畫面小一些，也就是比原來左右格式的一半小一些，而且畫面是橫向壓縮的（如果不是變形的左右格式視頻，看到的畫面也不會變形，但屏幕利用率就低了許多）。一些高級的觀屏鏡，可以進行拉伸和放大調節，還原原來的畫面，使看到的畫面不再變形和縮小。

同樣，在電腦上也可以使用觀屏鏡觀看左右（或上下）格式的3D視頻，而且可以使用專門的3D播放軟件進行播放，對于左右半寬和上下半高的視頻還能還原為原來的比例。如果觀屏鏡的質量較好，調節正確，配合雙顯輸出，其3D效果是很令人滿意的，亮度和清晰度都沒有損失。

從原理上看，觀屏鏡的畫面質量效果是最好的，但在實際操作中，可能會出現各種問題，最常見的就是左右畫面沒有完全重疊，看起來有些虛幻、眩暈甚至沒有立體感。另外，每次觀看都需要根據個人眼睛和觀看位置重新調節，調節好之后，需要固定不動來觀看。而如果轉一下或抬一下頭部，都會使左右畫面的重疊發生變化，進而影響到觀影效果，對于視野變小和畫面中部有殘影，也要有心理準備。

而互補色格式的視頻，其效果可能各不相同，有的立體效果明顯，有的則有些頭暈。一方面取決于視頻的制作質量，另一方面也取決于眼鏡的濾色能力。

邱元陽：以假亂真的3D圖片

人眼的焦距是可以調節的，當我們對焦于某一物體時，這一物體看起來就非常清晰，而與它不在同一層次的物體，如比它稍遠和稍近些的物體，在我們眼睛的余光中，就成為重影狀態，即明顯的有兩個虛影。利用這個特點，如果我們故意將焦點對于想觀看的物體之外，這個物體在眼前就會形成兩個影像，分別是左右眼看到的影像。最初的散焦式3D圖片就是利用這一原理，讓讀者使用“對眼大法”，用類似“斗雞眼”的方法來看圖片，使左右眼的兩個虛像在某一位置重合，產生畫面的立體感。為了幫助觀看者對準焦距，有的圖片上會做一個用于對焦的記號，一般是相距某一距離的兩個十字標記，觀看時讓這兩個標記在視野中重合，就會出現立體效果了。

散焦式的3D立體圖片，觀看時需要一定的技巧，而且長時間觀看對眼睛有一定的危害。當圖片是靜態的時候，可以有非常好的立體效果，如果畫面動起來，眼睛對焦有可能發生改變，立體效果就會瞬間消失。因此它適合于靜態圖片，而不適合于動態的視頻，這就是為什么沒有散焦式的立體視頻格式的原因。

紅藍式的立體圖片也比較常見，需要配戴紅藍眼鏡來觀看，由于濾色的原因，色彩信息會有很大損失。而左右式的立體圖片，則需要用觀屏鏡來觀看。由于立體圖片常常需要印刷到紙介質上，因而一般沒有像振光形式的。另外有一種具有立體效果的3D光柵立體印刷，是在圖片上覆蓋帶柵條的透明塑料膜，利用光線的折射在不同觀看角度形成不同的圖像，常用于室內的立體畫和文具設計上。

知道了立體圖片的原理，我們自己也可以拍攝和制作3D立體照片。

首先當然是準備相機了，如果有兩架一樣的相機當然最好，沒有這樣的條件，用一臺相機也完全可行，就是麻煩一點兒。為了保持圖像位置的準確，三角架是必須的。第一次拍攝，確定好距離和角度，作為左眼圖片，記好取景框位置。然后向右平移一定距離，取景框仍保持原位，拍下第二張，作為右眼圖片。注意平移的距離，可以掌握在被拍物體距離的三十分之一，也可以用兩次視線的夾角來確定。如果想要出屏效果明顯，可以稍微增加平衡距離或夾角，如將夾角保持在大約15度，左右眼照片就會有很大的視差。

拍攝好的左右眼照片，可以并放在一起成左右格式，也可以用專門的軟件合成為紅藍圖片，還可以在圖像處理軟件中直接做成GIF格式的圖片。

劉宗凡：3D電影與3D動畫

說到3D，其實有兩種理解，一種是視覺效果上的3D，如3D電影；另一種是設計制作上的3D，如3D動畫。有3D效果的立體電影不一定是用3D設計軟件制作出來的，同樣，3D動畫軟件制作出來的電影也不一定是立體電影。立體電影可以用3D軟件在電腦上制作，也可以用雙機位同步分視角拍攝完成。

即使不是立體效果的，3D動畫軟件制作出來的作品也要比平面動畫作品效果好很多，同樣，3D游戲的顯示效果也遠勝于2D游戲。目前已經有了真正意義上的立體效果的3D游戲，在特有設備的支持下，還可以用手勢和動作與游戲中的角色進行三維互動，具有非常逼真的臨場效果和角色體驗。

作為電腦美術的一個分支，3D動畫是在動畫藝術和電腦軟硬件技術發展基礎上形成的一種相對的獨立新型的藝術形式。早期主要應用于軍事領域，直到上世紀70年代后期，隨著PC機的出現，計算機圖形學才逐步拓展到諸如平面設計、服裝設計、建筑裝潢等領域。上世紀80年代，隨著電腦軟硬件的進一步發展，計算機圖形處理技術的應用得到了空前的發展，電腦美術作為一個獨立學科真正開始走上了迅猛發展之路，從平面領域擴展到3D領域。

常用的三維動畫制作軟件有Maya、3ds Max等。

Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件，應用對象是專業的影視廣告、游戲角色動畫、電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學易用，制作效率極高，渲染真實感極強，是電影級別的高端制作軟件。

3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。3ds Max最初運用在電腦游戲中，用于制作動畫，后更進一步參與影視片的特效制作，如《X戰警II》、《最后的武士》等。3ds Max目前的工作方向主要是面向建筑動畫、建筑漫游及室內設計。

Softimage公司是加拿大Avid公司旗下的子公司，其Softimage 3D是專業動畫設計師的重要工具。用Softimage 3D創建和制作的作品占據了娛樂業和影視業的主要市場，《泰坦尼克號》、《失落的世界》、《第五元素》等電影中的很多鏡頭都是由Softimage 3D制作完成的，創造了驚人的視覺效果。

此外，還有一些3D設計軟件可以用于3D動畫的輔助制作，如3D雕刻軟件ZBrush，3D造型軟件DAZ Studio和Mudbox，3D人物造型動畫軟件Poser，3D繪圖軟件Cinema 4D，3D建模軟件Rhino，而3D動畫軟件Blender，3D渲染軟件Lightwave 3D等更是直接可以用于3D動畫制作。虛擬現實的游歷動畫更是要依賴于3D設計軟件。

目前，一些二維軟件也漸漸向3D方向發展，如Flash中就增加了骨骼和3D的功能，更有三維Flash技術的出現。三維Flash利用了計算機圖形學技術，將需要展示的產品在計算機中先進行逼真的三維模擬運行演示，然后再通過專業軟件壓縮轉換成一個完全適合在網頁上流暢運行的Flash文件。和視頻比較，它可以和普通的Flash動畫一樣設置功能按鈕，點擊按鈕就可以實現互動，可自由觀看不同的演示。它也不是Web3d（3D網頁），播放Web3d要有相應的插件，瀏覽者等待的時間很長。而三維Flash在網頁上運行很流暢，瀏覽者無需下載插件（Flash插件基本上成為了PC機的軟件標配，為所有的瀏覽器所接受），打開網頁就可看到產品演示。

邱元陽：2D與3D的轉換

2D與3D的區別是明顯的，如果能夠實現二者之間的轉換，無疑會具有很現實的應用意義。

一般的3D電視都具有一鍵轉換功能，可以將當前播放的3D視頻只顯示其中的左眼畫面或右眼畫面，成為普通的2D視頻，在沒有3D眼鏡的情形下觀看；也可以將2D的節目一鍵轉為3D效果，增加立體感。當然，這種“偽3D”的效果肯定不能與真正的3D效果相比。它只是將同一畫面進行小幅度的平移，形成另一個畫面，因為兩幅畫面雖然稍有不同，但是不存在視角差，所以立體效果并不明顯，只是增加了一些立體感而已。

在3D視頻播放軟件中，也有類似的功能。例如，最常見的3D播放軟件Stereoscopic Player在顯示方式中，用“普通視頻，僅顯示左畫面”，就可以2D方式來觀看3D視頻；而對于普通視頻，在畫面布局中，選中“2D和景深”，然后把顯示方式設為“水平排列，左畫面居左”，就成為水平格式仿3D視頻了，可以用觀屏鏡觀看，當然也可以設為“分色立體”，用互補色眼鏡來觀看。兩個畫面的視差還可以用快捷鍵隨時調整。

值得一提的是，Stereoscopic Player具有非常靈活的3D視頻播放設置，不僅支持各種3D顯卡、顯示設備、3D眼鏡，還可以隨時切換不同的3D播放模式。例如，視頻源文件是左右格式的，而我們只有紅藍眼鏡，那么就可以設置顯示方式為“水平排列，左畫面居左”，再設置為“分色立體”，“優化立體－紅、青”，視頻就會以紅青互補色形式播放，用紅藍眼鏡正常觀看。畫面比例也能根據視頻文件的特點進行調整，如左右半寬的3D視頻，可以用半高方式調整為正常比例，再用分色立體的模式播放觀看。

由3D轉為2D，是沒有什么技術難度的，因此一般的2D與3D之間的轉換，都是針對2D轉為3D的，也就是所謂的“平轉立”。

視頻的平轉立，可以使用3D視頻編輯軟件如StereoMovie Maker來進行，其過程跟制作真正的3D視頻一樣，不過左視頻和右視頻都使用同一個2D普通視頻而已。不同之處是，右視頻需要向后移兩幀，在混合視頻時再用滑塊左右拖動調整。輸出格式可以選擇左右格式，也可以選擇互補色格式。在預覽時可以用紅藍形式預覽，戴上紅藍眼鏡，邊看邊調整，直到滿意為止。

不僅在視頻方面有平轉立的需要，在圖片方面同樣也有平轉立的需要。靜態圖片要轉為3D立體圖片，可以調節的細節比較多，如視差、景深等，可以先在圖像處理軟件如Photoshop中進行，制作出左圖和右圖后，再到3D圖片制作軟件（如i3D Photo）中進行合成。

使用Photoshop進行平轉立的方法很多，效果較好的有“自由變換+液化濾鏡”，以及“灰度圖+置換濾鏡”。前者能夠實現很豐富、夸張的立體效果，后者容易操作，效果比較逼真。不同于拍照制作立體圖片，這種平面圖片轉換為立體圖片的過程需要一定的耐心和圖像處理水平，中間可以借助PSDto3D等軟件進行。

如果覺得自己制作平轉立比較費力，可以直接使用3D電影轉換軟件，如MediaConverter就可以對普通的2D視頻、照片進行轉換，得到有立體效果的3D視頻，并且支持輸出左右雙流格式和紅藍格式。

陳守家：3D視頻的傳輸技術

要在網絡上實時觀看3D視頻，還涉及大數據量的傳輸問題。

如果使用當前經典的通信技術來傳輸3D視頻，還需要解決一些3D視頻特有的問題。目前，基于IP技術的傳輸方法是最為主流的傳輸方法，采用基于IP的流媒體技術來傳輸3D電視內容也是最直接的方案。但是，3D電視所需要的傳輸帶寬非常大，而且數據之間還有非常緊密的聯系。

在使用流媒體技術來傳輸3D視頻時，通常要引入線性頻譜來描述。頻譜的最左端是計算機圖形學中的視頻合成技術，頻譜的右端是各類實時圖像的圖形混合技術，即將深度信息同圖像數據加以混合，生成3D場景的技術。像光場之類純粹的3D視頻技術，則位于頻譜的最右端。通過這個頻譜可以看出，其中涵蓋的技術千差萬別，所要求的通信環境也不一樣。例如，圖形信息并不需要大的傳輸帶寬，但是其信息損失容忍度非常低。純粹的圖像數據對數據損失要求不是很高，但是卻要求非常大的傳輸帶寬。

由于3D視頻的數據傳輸量非常大，因此需要高效的壓縮算法。從傳輸的角度看，引入壓縮算法會提高信息之間的相關性，并降低信息損失時的彈性。多視角壓縮算法使用了視角間預測的方法，因此就會增加不同視角間的相關性。

目前用于2D視頻的傳輸算法已經得到了深入研究，在3D視頻傳輸時采用這些方法也較為適用。但是，用于3D視頻的損失隱藏技術仍然需要進一步研究，另外一個需要研究的部分是3D視頻的多視角顯示相關性。因為觀看者在收看時，會改變自己的觀看角度，因此顯示的視頻也需要實時變化。否則，最終呈現的圖像也會變得極不真實。同傳統的2D圖像傳輸技術不同，3D需要傳輸多個視角的畫面，使得傳輸的數據量提高數倍。

劉宗凡：亦真亦幻的三維全息投影

2012年美國選舉期間，CNN的競選辯論節目是美國觀眾的焦點之一。CNN女主持Jessica Yellin的全息三維影像出現在直播間里，與著名主持人Wolf Blitzer面對面交談。直播節目期間， Jessica本人卻遠在芝加哥。

對科幻迷來說，這個場景是不是似曾相識？不錯，這就是1997年的科幻大片《星球大戰》中的一幕：黑武士與西斯皇帝對話，西斯皇帝就是以三維全息影像的形式出現的。曾經的科幻電影中的一幕已經成為現實，這就是三維全息投影技術。從目前來看，這是可以預見的顯示技術的最高標準。

在今年1月份的國際消費電子展（CES）上，也展出了一種三維全息投影技術，它是利用水蒸汽當屏幕來進行全息投影的。實際上，在美國、日本等多個國家，都已經有了完美的三維投影的實驗室效果，多以空氣、四面錐體的玻璃或其他透明材料作為光的反射介質。

三維全息投影也稱虛擬成像技術，利用光的干涉和衍射原理，記錄、再現真實物體的三維圖像，人們無需配戴眼鏡，就可以看到立體的虛擬影像。

實現三維全息投影第一步是拍攝過程，利用光的干涉原理記錄物體光波信息。被拍攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束，另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息照片。

第二步是成像過程，利用光的衍射原理再現物體光波信息。全息照片就像一個復雜的光柵，在相關激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象和共軛象。再現的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，原則上它的每一部分都能再現原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。

不同于平面銀幕投影僅僅在二維表面通過透視、陰影等效果實現立體感，三維全息投影技術真正呈現的是3D影像，可以360度自由觀看影像的不同側面。

看起來全息投影技術與裸眼3D技術很相似，它們之間確實有聯系，但也有很大區別。全息技術屬于裸眼3D的廣義范疇，裸眼3D不一定是全息技術。

多數情況下，我們說裸眼3D是狹義的定義，主要是與戴眼鏡的快門3D技術和偏振光3D技術的區別。狹義的裸眼3D，對視角、距離都有一定范圍的限制，而且，不管從什么視角和距離來看，看到的東西是完全一致的。

而全息投影的對象支持多角度觀看，不同視角看到的內容都不一樣，就像看真實物體一樣。比如，我們在前面看到的是人臉，繞到后面看到的就是后腦勺。

2012年的春晚，我們可能忘記了哪些大腕出場。但場景的美輪美奐、逼真生動，給了我們非常強烈的震撼。例如，在薩頂頂演唱《萬物生》時，我們可以看到花瓣的散落，極具立體效果，薩頂頂仿佛穿行于阿凡達一樣美麗的星球，極具真實感。全息影像制造的虛幻景象讓我們身臨其境。該技術在此次春晚中被大量使用，主要是成功地營造氛圍，配合升降機械組成的臺型變化，利用電視鏡頭，延伸了舞臺的縱深感和空間感，實現了以假亂真亦真亦幻的多維立體效果，給了我們一場視覺的盛宴。

邱元陽：從虛擬走向真實的3D打印

3D影像技術給了我們真假難辨的視覺享受，而近年出現的3D打印技術，已經可以將虛幻的影像變成實實在在的物體，這將極大地顛覆我們的想象。

簡單來說，3D打印是運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過一層又一層的多層打印方式，打印出立體模型。3D打印時，軟件通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列數字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續的薄型層面堆疊起來，直到一個固態物體成型。3D打印機與傳統打印機最大的區別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。

全國首家3D打印照相體驗館日前落戶西安高新區，顧客等上兩個小時，就能拿到一個立體版的自己。顧客可以將自己的全身外形掃描至計算機，隨后3D彩色打印機就能打印出3D版的人像模型。盡管不是1∶1的比例，但人像的真實程度毫不遜色于蠟像館中的蠟像，而且3D打印人像模型的制作時間大大少于過去的手工制作時間。

3D打印給了我們極大的想象空間。例如，我們使用食品原料，可以打印出各種食品；通過網絡傳送藥品配方，在某些缺乏藥品的地方方便地打印出來；可以打印機械零件，可以打印人體器官……3D打印無疑將成為下個十年最激動人心的發展之一。以后普通人也可以在家制造出各種物品，只有你想不到，沒有做不到。

在2011年，3D打印曾經形勢一片大好，打印食品、打印槍支，甚至打印出房屋，讓人驚訝不已，似乎高科技的生活已經呈現在眼前了。然而，這其中很多都是噱頭，大多還只處于實驗階段，根本沒有推廣應用的能力。3D打印技術本身也還有很多缺陷，如強度問題、精度問題、材料問題等都制約著大規模商用的可能。工業級的3D打印價格昂貴，生產企業對新產品的研發設計以及模型的更新速度很難跟上市場需求，也使得3D打印只是贏得一片叫好聲，卻缺乏市場。

但是，不管怎么說，3D打印在技術上已經實現，已經成為未來生產方式的一種可能。2012年，可用于器官移植的人造人體器官的3D打印已經實現，我們完全可以樂觀地預想，3D技術帶給我們的不僅是視覺的沖擊，也是生活的便利。