視覺舒適的3D特效制作研究

何彥，楊磊，李思春

(中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024)

1 引言

3D技術的出現是為了在2D影像的基礎上添加深度信息，從而使人眼產生立體感知。隨著3D技術的不斷發展，越來越多的電影采用3D技術營造具有縱深感且更加真實的場景，令觀眾感到身臨其境。《阿凡達》、《霍比特人2史矛革之戰》乃至于國產的《西游記之大鬧天宮》都成為了擁有高票房好口碑的成功3D電影作品。此外3D電視節目也不斷進行著嘗試。

由于部分3D電影時長較長，也出現了不少因長時間觀看導致頭暈惡心或更甚的癥狀。早年就曾有夫妻觀看時長3小時的《阿凡達》后，雙雙出現眼部肌肉痙攣，眼睛的調節能力下降、調節速度遲緩，劇烈頭痛、嘔吐不止，從而引發了視頻終端綜合征眼。

觀看3D影片導致眼暈的主要原因在于，我們所觀看到的3D空間是來源于3D畫面不同視差的組合和切換，當觀看3D影片時間過長時，大腦需要不停地進行不同視差的轉換，因此非常容易造成人眼的疲勞，導致眼睛干澀。然而3D影片中不可避免的還會有畫面視角的切換，使人眼向大腦傳達物體在動的信號，而此刻大腦并沒能接收到肌肉運動的信號，就會發生知覺錯誤的矛盾，表現出頭暈眼花、惡心不適的癥狀。

目前，國內外針對以上所提出的觀看3D影片產生視覺不適的問題的研究主要集中在兩個方面。第一，3D立體影像的失真研究：Andrew Woods很早就較為全面的闡述3D立體影像的失真產生原理，為研究立體影像建立起了一整套量化的空間模型[1]。隨后，Robert T. Held等采用用戶圖形界面的手段，直觀展示了立體圖像在虛擬空間中存在的失真情況[2]。我國的李勤、達飛鵬、溫晴川又對幾種鏡頭的失真情況進行了分析，并整理出校正的方法[3]。而張景國、蔣大鋼、李曉峰對此進行了進一步的研究，重點討論了鏡頭失真中桶形失真的問題和校正辦法[4]。第二，對于3D立體影像的拍攝與制作方法的研究。Bernard Mendiburu系統的講解了立體電影的基本知識以及攝制方法[5]。對于立體動畫制作，Nick Holliman等多人研究了特效制作的多種方法和技巧[6]。

本文針對上述現狀對視覺舒適的3D特效進行研究，探究雙目立體成像過程中的幾何失真及引起人眼不適感的主要因素，并進行仿真；此后，對制作四種常見的3D特效，研究其在傳統2D特效制作環境下的制作方法；最后，以視察為變量，制作3D特效測試序列，對四種特效的視覺舒適度進行主觀評價實驗，探究最讓人視覺舒適的視差情況。

2 立體視頻幾何失真及MATLAB仿真

立體視頻的顯示過程利用了正負視差重現三維物體，人眼感知的是只是虛像，因此重現過程中很容易產生幾何失真。利用控制變量法進行Matlab仿真，分析虛像幾何失真與各參數的關系。

2.1 立體視頻系統的幾何失真原理

一個雙目立體成像系統可以看作拍攝空間及顯示空間中三個不同坐標系的相互轉化。也就是說從物體空間的三維坐標(X0，Y0，Z0)，轉化到兩臺攝像機CCD的二維坐標(Xcl，Ycl)左)、(Xcr，Ycr)(右)。然后將兩臺攝像機CCD中物體坐標，轉化到屏幕顯示時的左右圖像空間的二維坐標(Xsl，Ysl)左)、(Xsr，Ysr)(右)，最后在人眼觀看時，轉化到觀看空間的三維坐標(Xi，Yi，Zi)。

從立體成像系統的角度來進行幾何分析，可以得到成像系統的幾何模型如圖1所示。拍攝空間采用的是左手坐標系，原點在兩攝像機鏡頭中心連線的中點；CCD顯示空間采用也是左手坐標系，坐標原點在CCD的中心。

(a)圖成像系統中各參數意義 (b)圖為拍攝某物體時的坐標映射關系圖1 立體成像系統的幾何模型

被攝物體位置坐標(X0，Y0，Z0)，單個攝像機水平方向可視區域角度，攝像機間距t，攝像機會聚角β，CCD寬度Wc，CCD水平偏移，以及左右兩CCD中物體橫坐標Xcl、Xcr。分析可得出拍攝空間坐標轉化關系：

(1)

(2)

(3)

(4)

再從立體顯示系統的角度進行幾何分析，從二維CCD成像面向二維屏幕轉換過程的幾何模型如圖2所示。其中，屏幕寬度Ws，CCD寬度Wc，左圖像中物體在屏幕上坐標(Xsl，Ysl)，左圖像中物體在CCD上坐標(Xcl，Ycl)，右圖像亦然，不做贅述。

圖2 立體成像系統成像與顯示端轉化的幾何模型

從攝像機CCD顯示空間坐標轉化到屏幕顯示時的左右圖像空間轉化過程，可以簡化成坐標乘以一個放大系數M。M=Ws/Wc。所以可得CCD和屏幕上物體坐標之間的關系如下：

(5)

觀眾觀看時的幾何模型如圖3所示。其中，人眼瞳距e，屏幕寬度WS，屏幕上左右兩物體橫坐標Xsl和Xsr，觀看距離V，虛像三維坐標(Xi，Yi，Zi)，公式中P為圖像視差，表示物體上同一點在屏幕上左右視圖的水平距離，P=Xsr-Xsl。

圖3 立體成像系統顯示端幾何模型

觀看時，從屏幕上的二維圖像到人眼感知的三維坐標轉化中，大腦合成的虛像與屏幕中物體位置的關系：

(6)

(7)

(8)

令：

(9)

(10)

(11)

(12)

因此，物體空間到圖像空間的坐標轉化表示為：

(13)

(14)

(15)

(16)

其中Yi是物體垂直方向坐標，CCD和屏幕中Y軸方向數值的差值代表垂直視差，垂直視差大，則左右兩影像很難融合，因此嚴重影像3D畫面的舒適程度。Zi代表了虛像與人眼之間的距離，當Zi

推導過程證實，上述公式同樣適用于平行立體成像系統，只需將攝像機會聚角β設置為0即可。

2.2 立體視頻幾何失真的Matlab仿真

本課題中對雙目立體成像系統的幾何失真情況進行仿真，模擬拍攝水平放置均勻網格線，仿真出的虛像呈現距人眼近大遠小的網格伸縮，以及背向人眼的彎曲效果。設置攝像機間距、會聚角、焦距、瞳距、觀看距離、屏幕寬度六個參數為變量，通過上文提到的三維物體(X0，Y0，Z0)與虛像坐標(Xi，Yi，Zi)的關系模擬幾何失真情況。

參數范圍的設置以及通過控制變量調整各參數后的仿真結果如下依據如下：

(1)攝像機間距：為模擬人眼，3D攝像機間距應與人眼瞳距范圍相當，也就是60-65mm，當t=0是兩攝像機間距為零，即為一臺攝像機進行2D拍攝，此時不存在幾何失真。如圖4 當t的數值逐漸增加時，虛像水平方向變窄，縱深方向展寬。

(2)攝像機會聚角：選取0-0.0176弧度。如圖5，攝像機會聚角變小時，虛像水平方向形變變小；攝像機會聚角變大，虛像水平方向形變嚴重。

(3)攝像機焦距f：設置常見攝像機、相機焦距18-135mm。如圖6，當f的值逐漸增大時，虛像縱深方向增大，水平方向變寬；攝像機焦距變小時，虛像縱深方向減小，水平方向變窄。

(4)觀看距離V：3D電影最佳觀看距離在屏幕高度的3倍左右，因而設置為20-100m。如圖7，虛像到人眼的距離，隨著觀看距離的增加而增加，但與虛像到屏幕的距離之比保持不變，此外縱深曾大。

(5)屏幕寬度Ws：經查閱資料，現有正規3D、3DIMAX電影放映室屏幕尺寸最大范圍是高10-22m，寬21-28m，所以擴大范圍將參數設置為18-38m。如圖8，屏幕寬度越大，虛像整體變大，靠近人眼；屏幕寬度變小，虛像整體變小，遠離人眼。

(a)圖攝像機間距變小 (b)圖攝像機間距變大圖4

(a)圖會聚角為0 (b)圖會聚角變大。圖5

(a)圖攝像機焦距減小 (b)圖攝像機焦距增大圖6

(a)圖觀看距離變小 (b)圖觀看距離變大圖7

(a)圖屏幕寬度變小 (b)圖屏幕寬度變大圖8

3 后期特效的制作

針對上述立體視頻幾何失真的特點，以及為后續通過主觀評價驗證獲得舒適的3D特效提供素材，本文進行了四種特效的制作，即：文字掉落、跟蹤抖動、立體字幕以及3D臺標，再通過調整水平間距完成測試序列的制作，并采用Phenix PH-V1型號立體數碼攝像機進行背景拍攝，以side-by-side形式儲存，考慮到觀看3D視頻時，圓偏振方式的應用較為廣泛，觀看者頭部位置自由，舒適度相對良好對主觀評價不易產生影響，因此使用圓偏振方式觀看[7]。同時為了在本文中對制作的3D特效能有比較直觀展現，因此也附上了紅青分離的3D顯示圖像，但該方式對人眼損傷嚴重并產生強烈的不舒適感，故不適用于主觀評價[8]。

針對四種特效，其制作步驟的核心為：將所需背景素材導入Adobe Premiere Pro軟件中。新建文字層于左路圖像的合適位置，調整好文字大小等參數。之后對其進行復制，通過計算與右路圖像上特效應在位置的距離差，調整復制圖層的合適位置。其注意事項分別如下。

3.1 文字掉落

文字掉落特效來源于3D影像中常見的飄雪、下雨等特效，這樣的特效視差范圍跨度較大，營造的空間感和層次感非常強烈。

本文利用粒子掉落插件Particular制作，制作過程中，應注意將文字設置成與背景顏色不沖突的顏色，并且調整噴射速度和粒子多少時應保證重現出豐富的層次感，如圖9所示。

(a)圖為文字掉落特效side-by-side模式

(b)圖為紅青分離模式圖9

3.2 跟蹤抖動

當視頻畫面有一定的運動或抖動時，如果后期添加的特效沒有跟蹤畫面運動，就使特效顯得生硬而不生動，因此為特效完成與背景畫面的跟蹤很有必要。

拍攝素材為一棟樓體局部，將樓體上的排水裝置，也就是與樓體主要顏色紅色差異分明的白色小點為跟蹤點，做文字“Hello”跟蹤畫面抖動。在制作過程中應注意為避免垂直視差，左右兩路的跟蹤點應選擇同一白點的同一位置。并且避免跟蹤點被遮擋、出畫、伸縮、旋轉，如圖10所示。

(a)圖跟蹤抖動特效的side-by-side模式

(b)圖紅青分離模式圖10

3.3 立體字幕

主要運用在電影的片頭或片尾，進行影片名、演職人員表等的展示的立體字幕，素材背景需要細節較少的空鏡，以突出帶有運動、縮放等特效的3D字幕主體，制作過程中需要多層文字進行移動和合成，以突出強烈的視覺感知，如圖11所示。

3.4 3D臺標

3D臺標主要應用在3D電視中，為與2D電視節目區分，3D頻道的臺標部分應也有一定的空間感。如圖12所示，3D臺標的特點是不能夠影響節目畫面的主體內容，需長時間停留在畫面中，不應有大范圍的運動和過于頻繁的動畫，其次，在整體的畫面表達之中不應在過大視差的位置，這樣會影響3D影像的視覺舒適程度。

(a)圖為立體字幕特效side-by-side模式

(b)圖為紅青分離模式圖11

(a)圖為3D臺標特效side-by-side模式

(b)圖為紅青分離模式圖12

4 特效的主觀評價與分析

本文為了證實怎樣的視頻特效更為舒適，以制作的四組特效為對象，以視差為變量，采用了雙刺激連續質量標度法進行主觀評價[9]。本文中進行主觀評價的條件基本符合《中華人民共和國廣播電影電視行業標準-數字電視圖像質量主觀評價》的規定，以視差為0的視頻為參考視頻，其他視差的視頻為被測視頻，并選擇性別不同，年齡不同，文化層次不同，且具有正常視力和色覺得20人參與評價。

本文主觀評價打分表中，縱向標度線成對排列，并提供了連續的標度，每條標度線被分成5個等分，在打分表左邊還標有與不同等級對應的質量描述：優、秀、良好、一般、較差、極差。在測試階段，為觀看員準備與標度印刷線不同顏色的筆進行打分記錄。

本文將獲得的20份打分表的數據進行分析統計，得到圖13的主觀評價數據分析結果。由圖可知，這四種特效視覺舒適度曲線趨勢相同，均在視差較小，也就是虛像距離屏幕較近的位置呈現較高分數；無論是正視差，還是負視差，視差越大人眼的主觀感覺越不舒適。而稍有不同的是立體字幕特效在負視差方向更為舒適，在正視差方向，即使正視差很小也讓人感覺很不舒服，這證明了立體字幕是用來顯示文字內容的，應在背景圖像的較前部分重現。而所有特效中3D臺標的總體分數最高，證明了3D臺標為了不影響畫面內容表達，放置在畫面的角落，對畫面整體舒適度影響較小。

圖13 主觀評價數據分析結果

一般的3D特效應制作在屏幕附近，視差不宜過大。在上述分析中顯示，在視差區間[-1，1]之間的3D特效視覺最為舒適，利用第三章中對雙目立體成像系統的幾何模型分析可知，視差與虛像坐標的縱深方向數值關系如公式(8)所示，所以虛像到屏幕的距離L就可以表示為L=V-Zi。由于最佳視差范圍[-1，1]，經上述公式計算可得虛像與屏幕見距離范圍為[-526，808]。其中的正負關系為，負數為負視差，正數為正視差。

本次的主觀評價結果顯示，視覺較為舒適的3D特效應制作在屏幕附近，距離人眼太近的特效雖然可以帶給人更強烈的視覺沖擊但很容易讓人暈眩，而距離人眼太遠的特效因為遠離畫面主體而位置偏后，想要觀看其特效就會造成其他畫面與該特效相比距離人眼太近，也會造成視覺的不適。因此，在3D影像的拍攝和制作中都應注意，盡量避免過大的視差造成的視覺不適。

5 總結

隨著3D電影和3D電視的日益發展，如何讓3D特效觀看起來更為舒適成為了普及3D技術的道路中亟待解決的問題。本文深入研究了雙目立體成像系統的幾何失真情況，并制作3D特效，通過主觀評價獲取視覺舒適的3D特效，并驗證了幾何失真仿真結果的準確性，有助于對3D特效在視覺舒適度方面的進一步研究，對3D電影以及3D電視的發展具有重大意義和應用價值。

[1]Woods A J，Docherty T，Koch R. Image distortions in stereoscopic video systems[C].IS&T/SPIE’s Symposium on Electronic Imaging：Science and Technology，International Society for Optics and Photonics，1993：36-48.

[2]Held R T，Banks M S. Visualizing Misperceptions in Stereoscopic Displays：a vision science perspective[C].Proceedings of the 5th symposium on Applied perception in graphics and visualization，ACM，2008：23-32.

[3]李勤，達飛鵬，溫晴川. 任意方向下的攝像機鏡頭畸變標定[J]. 儀器儀表學報，2010，(9)：2022-2027.

[4]張景國，蔣大鋼，李曉峰. 廣角鏡頭桶形畸變的二元二次多項式修正法[J]. 光學技術，2010，(4)：500-504.

[5]Mendiburu B. 3D movie making：stereoscopic digital cinema from script to screen[M]. BOCA Raton，FL，USA：CRC Press，2012.

[6]Holliman N，Baugh C，Frenk C，et al. Cosmic cookery：making a stereoscopic 3D animated movie[C].Electronic Imaging 2006，International Society for Optics and Photonics，2006：605505-605505-12.

[7]呂朝輝，董躍. 立體電視研究現狀與展望[J]. 電視技術，2006，(8)：39-41.

[8]趙上元. 3D 影視作品觀看舒適度問題的探討[J]. 現代電影技術，2011，(10)：21-28.

[9]李若霜. 高清晰度電視圖像質量的主觀評價方法[J]. 世界廣播電視，1998，(9).