3D影像技術原理與制作

李東冬,劉覺敏

（南京視覺藝術職業學院，南京,211215）

3D影像技術原理與制作

李東冬,劉覺敏

（南京視覺藝術職業學院，南京,211215）

近年來，隨著《地心歷險記》、《阿凡達》、《功夫熊貓》等一批數字3D影片的成功推出，獲得了觀眾的極大青睞。特別卡梅隆執導的《阿凡達》，憑借著引人人勝的3D立體影像，為我們創造了一個美輪美奐的潘多拉星球，使觀影者身臨其境地進入了一個夢幻般的世界，從而獲得了全球億萬觀眾贊賞的掌聲，創造了史無前例的票房記錄。與此同時，在電視領域，各家電視生產廠商都緊跟時代潮流，早早推出了各自的3D電視機產品。國家廣電總局也聯合包括央視在內的國內6家電視臺在2012年1月1號開播了3D實驗頻道，每天播出13.5個小時的3D電視節目。另外一些諸如倫敦奧運會、央視春晚等大型活動也已涵蓋了3D視頻的播出方式，數字3D技術業已成為業界持續關注的熱點技術。3D影視是影像技術發展的革命性成果，它在很大程度上提高了人們對視覺藝術的認識水平，讓觀眾有身臨其境的震撼感。

3D影像制作;硬件;軟件;匹配

1 3D立體重現原理

所謂3D立體電影，正是以雙目立體視覺為基礎而完成攝制與放映的。從原理上說，就是用兩臺攝影機，以一定的視覺夾角，得到兩個具有一定視差的影像，從而模仿現實世界中人眼觀看物體的方式。影像通過大腦的解析，使我們感知到了一個三維世界的深度，即畫面中物體的出屏或進入屏幕深處，這就是所謂的3D立體影像重現原理。這一點類似于我們對立體聲音響的感知，即通過左右耳聽到不同聲道喇叭發出的聲音就可以重現聲音的方位感。

2 3D視頻制作技巧

相比于傳統的2D視頻制作，3D視頻對于前期拍攝、后期制作等技術環節的要求亦顯得格外嚴格。

從拍攝設備上說，目前的3D攝像機可以分為雙機雙鏡頭式3D攝像機和3D攝錄一體機。前者是采用兩臺獨立的2D攝像機經過同步設計之后，安裝在支架上成為一部3D攝像機，其排列方式分為水平支架式和垂直支架式兩種，水平支架式攝像機其擺放方式為平行放置，但由于兩個機器及鏡頭本身體積都比較大，很難使鏡頭之間的距離縮小至人眼的平均距離（60-65mm），在拍攝遠距離時沒什么問題，但在拍攝近距離物體的時候，由于鏡頭間距離過大，畫面會出現重影以及脹眼等不適感。所以在實際應用中，垂直支架式攝像機更為廣泛。這類機器使用了帶有分光鏡箱技術的立體支架，讓兩臺攝像機呈90度垂直安裝，它的好處在于可以不受攝影機及鏡頭體積限制，因而可以選用較大的成像器，得到高質量的畫面，同時兩臺攝像機之間的距離可以任意調節，從而為視差的調節帶來了更大的便利。但是由于這種機器的體積較為龐大且造價高，鏡頭伺服系統同步調節復雜，因此比較適合電影、綜藝晚會、體育賽事等有充分調節時間的節目使用，屬于高端的3D視頻拍攝設備。此外，3D立體拍攝架要具有多種調節功能，具體來說，不僅要可以調節機距以及雙機夾角，還要能調節雙機的匹配性。雙機夾角的調節是用來控制正負視差，所謂正負視差就是常說的出屏和入屏。雙機夾角需要根據拍攝場景不同進行實時調節，這是拍攝3D立體中最重要的一個環節與技術。而雙機匹配性的調節，簡單來說就是將兩臺拍攝機器的高度、水平、傾斜、旋轉進行最佳匹配，以確保拍攝畫面的立體效果。

除了這種復雜的雙機雙鏡頭式立體拍攝設備外，另一類為攝錄一體機，即一臺攝像機上安裝有兩個平行的鏡頭，拍攝后得到一個獨立的的影像文件，但在導入視頻后期編輯軟件后，分為左右眼兩個具有視差的視頻軌道。此類機器主要特點是攜帶方便，價格相對便宜，其缺點在于鏡頭軸間距無法調節，只能通過調節會聚來完成其3D畫面的調整，導致最終的立體效果受到影響。

從技術上說，目前3D視頻的拍攝并無一個明確的規范或標準，創作者應根據不同的拍攝內容和拍攝思想等依據去靈活運用，但切記一切以視覺體驗為基礎，以視覺感受的最佳舒適度為準則。首先，切不可為了追求立體效果，而片面地增大出屏或入屏效果，最好以大眾的觀看能力作為平衡點，盡量避免任何可能導致觀眾眩暈、脹眼或是重影現象的發生。其次，在拍攝時為了突出立體感，可以適當設計些沿鏡頭主光軸運動的畫面。因為沿著主光軸運動的物體，往往能夠產生較為強烈的空間立體感。再次，多運用移鏡頭的方式來代替變焦拉伸。一方面因為在使用雙機拍攝時，目前的鏡頭變焦同步系統還無法做到在所有機器上百分之百完全一致，另一方面這也是體現立體優勢的一種手段。即我們在拍攝2D影片時也有這種感受，即運用鏡頭在場景中縱向移動可以制造出更為強烈的層疊感，體現其立體優勢。最后，應注意兩臺機器焦點應一致，否則在后期剪輯時幾乎無法解決。此外，鑒于人眼在觀看物體時，不可離得太近，就像我們把一根手指放在兩眼之間，近距離觀看時會產生重影，3D視頻在拍攝時被攝物體也不可離鏡頭過近，否則亦會出現嚴重的重影現象，因此在拍攝3D視頻時應盡量避免過近的前景的使用。特別是在條件允許的情況下最好能夠根據場景安排拍攝主體布局，畢竟富有明顯層次的畫面才能顯現較好的立體效果，一般來講合理的立體布局是前景、中間景、背景；但層次也不宜過多，否則會讓畫面凌亂。

3D立體拍攝制作要遵循拍攝到位，減少后期調整的原則；如果前期拍攝不理想，后期制作再好也會影響整片效果。相比于前期拍攝上的繁雜，3D數字視頻在后期制作要求上也絲毫未顯輕松。首先，不管前期使用什么樣的拍攝設備，最終得到的素材至少都包含左右兩個高清視頻，而且每個視頻至少都是1920*1080像素大小的。從目前商業使用上看，很多拍攝會使用相對高端的電影級別的機器，它們的畫質往往可以達到4k（4096X2160像素）畫質，而兩軌4k畫面要進行處理的話，其對后期硬件的要求也是極高的，否則連正常的播放都難以實現。因此從硬件配置上說，一般要求為工作站級別的機器，很多專業設備配置了雙路24核志強處理器，24G內存，專業級的圖形顯示卡，可通過偏振、分光、快門式等監看方式進行監看的3D立體監視器，還有具備高性能讀寫速度的磁盤陣列等。

對于3D攝錄一體機拍攝的畫面，最終是存儲為一個文件的，因此不用考慮其兩軌視頻的同步性問題。目前可以使用sony公司的vegas Pro11實現后期剪輯，在這款軟件里，可以直接導入拍攝素材，拖入時間線后，素材會自動分為兩個鏈接在一起的視頻軌道和一個音頻軌道，從剪輯技術上說和2d視頻并無大的不同，使用起來較為方便。但在軟件的file- Properties里，可以從stereoscopic 3D里選擇3d視頻的監看方式，它支持目前主流的色分式、偏振式、快門式等模式，另外在最終輸出時也可選擇相應的3D模式選項，方便后期佩戴不同的眼鏡觀看。

3 3D視頻的合成技術方式

3.1 裸眼式3D

裸眼式3D技術主要應用在工業商用顯示市場，而與大眾消費者接觸的并不多。因此大眾對于裸眼3D的認識多少存在一定的誤區，一些人以為裸眼3D是一種新的影像制作技術，可事實則不然。從目前看，裸眼3D一定是借助于某種特制的屏幕來完成3D立體效果顯示的。從技術上來看，裸眼式3D可分為光屏障式（Barrier）、柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術和指向光源（Directional Backlight）三種。裸眼式3D技術最大的優勢便是擺脫了眼鏡的束縛，但是分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在很多不足。

3.2 借助眼鏡的方式

目前從3D電視的顯示技術來說，是多種方式并存的，然而他們的一個共同特點都是借助于特制的眼鏡，實現雙眼看到不同的畫面，從而產生3D立體效果。概括起來主要有以下幾種技術：

（1）色差式技術

色差式3d視頻是要通過色差式眼鏡來進行觀看的，他是利用不同顏色的色片（一般為紅藍、紅綠等）來阻擋和通過相應的色光，確保左右眼分別看到兩幅具有一定視差畫面的一種觀看方式。這種技術歷史最為悠久，成像原理簡單，對顯示器沒有特別要求，還能在電視、投影上面放，實現成本相當低廉，但是容易使畫面邊緣產生偏色和重影，3D效果也是最差的。

（2）主動快門式3D技術

快門式3D技術主要是通過提高畫面的刷新率來實現3D效果的，通過把圖像按幀一分為二，形成對應左眼和右眼的兩組畫面，連續交錯顯示出來，同時紅外信號發射器將同步控制快門式3D眼鏡的左右鏡片開關，使左、右雙眼能夠在正確的時刻看到相應畫面。這種技術要求3D液晶電視屏幕刷新頻率必須達到120Hz以上，也就是讓左、右眼均接收到頻率在60Hz以上的圖像，就能保證用戶看到連續的3D圖像效果。

（3）偏光式3D技術

偏光式3D是利用光線有“振動方向”的原理來分解原始圖像的，先通過把圖像分為垂直向偏振光和水平向偏振光兩組畫面，然后3D眼鏡左右分別采用不同偏振方向的偏光鏡片，這樣人的左右眼就能接收兩組畫面，再經過大腦合成立體影像。

目前在偏光式3D系統中，市場中較為主流的有IMAX 3D、RealD 3D、MasterImage 3D三種，多用于3D影院。此外像一些如長虹、LG、康佳、TCL、海信、創維等品牌采用偏光式3D技術生產RealD偏光3D電視。

4 總結

3D立體技術作為一種新的影像制作技術，必將隨著科學技術的發展而不斷更新，其應用范圍也將越來越廣。作為影視工作者，我們應該主動適應和研究3D立體技術對當代影視制作產生的影響，利用其創作出更多更好的影視作品。

[1] 孫偉杰：《3D影視制作與播放技術探析》，《現代電影技術》雜志，2010年09期

[2] 韓小磊：《電影導演藝術教程》，中國電影出版社 2010年版

[3] 黃海，高巖，施劍平，《3D影視拍攝新技術研究和應用》，《現代電視技術》雜志，2015年02期

[4] 傅正義：《影視剪輯編輯藝術》，中國傳媒大學出版社 2009年版

Principle and production of 3D imaging technology

Li Donddong,Liu Juemin
（Nanjing visual arts Career Academy,Nanjing,211215)

In recent years,with the "Adventures of the earth","Afanda","Kung Fu Panda" and a number of digital 3D film successfully launched,the audience greatly favored.Special director James Cameron's "Avatar",by virtue of the lead everybody to win the 3D images,we create a beautiful world of Pandora, so that the audience be personally on the scene into a dreamlike world,so as to get the applause of the millions of viewers around the world praise, has created an unprecedented box office records.At the same time,in the field of television, television manufacturers are closely followed the trend of the times, the early launch of their own 3D TV products.State Administration of Radio Film and television also jointly,including 6 domestic television station CCTV,on January 1,2012 launch 3D experimental channel, broadcast every day 13.5 hours of 3D TV programs.Other major events such as the London Olympics,CCTV Spring Festival and other large events have also covered the broadcast mode 3D video,digital 3D technology has become the industry's hot technology continues to focus.3D film and television is the revolutionary results of the development of video technology,it has greatly improved people's understanding of the level of visual arts, so that the audience has a feeling of shock.

3D image production hardware software matching