數字影院3D技術及發展趨勢

張盼盼

(珠海中影影視服務有限責任公司,廣東珠海 519500)

1 人立體感的產生

人的左眼和右眼是有距離的,看到的圖像有細微差別,這兩幅不同的圖像經過大腦的合成,就能區分出物體的遠近和大小,從而產生立體感。3D 主要就是利用了人眼視差的原理,只要保證人的兩只眼睛看到的畫面不相同,就可以形成3D 視覺。

結合圖1 來說,每個人的眼間距是固定數值,空間的任何一點與兩只眼睛都會構成一個三角形,這個點與眼間距線的距離是固定的。如:點一與眼間距線的距離為L1,點二與眼間距線的距離為L2。L1和L2的數值不同就是物體在空間中距離人的位置不同,于是我們可以通過雙眼看到一個具有立體感的物體。

圖1 人眼感知物體距離示意圖

如圖2所示,人的每只眼睛觀看物體的角度不同,觀察到的畫面也不同,這兩幅不同的畫面在人腦中經過計算,形成立體圖像,這種由角度引起的視覺差異也增強了物體的立體感。

圖2 人眼感知物體形狀示意圖

2 3 D技術的種類及優缺點

目前3D 技術主要可分為色差式、主動快門式、偏振式和頭戴式。其中色差式中紅藍3D 技術效果不佳,主要為民用;快門式3D 技術因為其對銀幕無要求,應用范圍廣泛;偏振式3D 技術對銀幕類別有要求,要使用偏振比高的金屬銀幕,但實現方式簡單、使用成本較低,便于普及,多人使用的環境大多采用此方式;頭戴式3D 主要應用于個人娛樂場景。這四種技術有著各自的優缺點。

表1 四種3D 技術的特點及優缺點

2.1 色差式3D技術

2.1.1紅藍3D 技術

紅藍式3D 眼鏡的紅色鏡片只能透過紅光,藍光被阻擋,而藍色鏡片只能透過藍光,紅光被阻擋。人眼透過紅藍鏡片觀看特制的圖像時,兩組畫面被分開后分別進入左右眼,在大腦中便產生了3D 的效果。

此類技術優點是應用場景廣泛,對片源要求不高,眼鏡非常便宜,但由于顯示的畫面偏色非常嚴重,觀看效果差,現在很少被采用。

圖3 紅藍畫面及眼鏡

2.1.2杜比3D 技術

杜比3D 系統組件由濾光輪、濾光控制器和杜比3D 眼鏡構成。杜比3D 技術電影系統使用兼容的投影機,用一個旋轉的色彩過濾輪插入到燈泡和成像器件之間,將主色分離成不同的波段,把三基色:紅色、綠色、藍色,由色輪轉換成紅色1、紅色2、綠色1、綠色2、藍色1、藍色2。特殊的干擾濾波器眼鏡,允許左眼只看到標記為“1”的片段,而右眼只看到標記為“2”的片段,這樣形成3D 效果。

此類技術優點是使用單臺放映機,不需要金屬銀幕,觀眾能獲得和非3D 電影一樣的色彩保真度。缺點是亮度損失比較大,需要功率較大的放映機。而且3D 色輪控制需要專門的設備件,并非所有放映機都能安裝。

隨著激光光源的普及,杜比開發了新的激光3D系統,大體原理是發射兩組不同波長的RGB 激光,再分別透過不同的帶通鍍膜濾光3D 鏡片傳遞到人的左右眼中,形成3D 效果。這樣的優勢是不需要濾光輪,光利用效率有了大幅提高,缺點是眼鏡成本較高,維護不易。

圖4 杜比3D系統

2.2 主動快門式3D技術

液晶器件在通電和斷電的情況下會產生通光和阻光的現象,讓圖像保持固定頻率以幀序列方式播放,3D 信號發生器控制3D 液晶眼鏡,快速切換左右鏡片透光或阻光,實現左右眼觀看對應的圖像,從而在大腦中產生立體效果。

圖5 快門式眼鏡

此類技術的優點是適用范圍廣,不限放映機和銀幕種類,不需要復雜的調適,單臺放映機可以實現。缺點是每只眼睛實際上只能得到一半的光,亮度大打折扣,眼睛很容易疲勞。同時3D 液晶眼鏡需配備電池才能工作,體積和重量較大,佩戴舒適性差、容易損壞,價格較貴。再者影城經營時,需要做好衛生消毒以循環使用,定時檢查電量以保持良好狀態,這樣會有很大的工作量。另外,目前3D 眼鏡左右兩側開閉的頻率均為50/60 Hz,也就是說兩個鏡片每分鐘各要開合50/60次,即使是如此快速,用戶眼睛仍然可以感覺到閃爍問題。

2.3 偏振式3D技術

光是一種電磁波,自然光是很多電磁波的混合物,它在各個方向的振動是均勻的。偏振片只允許平行于偏振化方向的光通過,同時過濾掉垂直于該方向振動的光,因此自然光經過偏振片后,改變成為具有一定振動方向的光。當偏振處理過的光經過特制的偏振眼鏡時,每只鏡片只能接受一個偏振方向的畫面,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。

圖6 通過偏振片得到偏振光示意圖

偏振式3D 技術的色彩損失是最小的,色彩顯示更為準確。偏振式3D 眼鏡只是在普通眼鏡的表層鍍上偏光層,結構簡單、成本低廉、重量輕便,觀眾佩戴舒適,便于管理。缺點是串擾率較高,必須配合高偏振比的金屬銀幕使用,而金屬銀幕容易氧化,不易維護,均勻性差。

圖7 頭戴式3D設備

2.4 頭 戴 式3D 技術

傳統的3D 實現方法,是將左右眼畫面同時顯示在銀幕上,通過眼鏡將左右畫面分離后傳送到觀眾雙眼,這樣串擾率高,容易出現“鬼 影”,3D 效 果 并 不完美。頭戴式3D 技術直接在左右眼顯示不同畫面,以實現更加真實的3D 效果。此類產品無需采用投影、銀幕等設備,集成度高、私密性好,無鬼影,但片源有限、設備重、舒適性差、不適合長期觀看,目前僅應用于民用。

3 電影院當前主流3 D系統

電影院3D 的興起得益于 《阿凡達》的火爆,最初3D 系統多采用國外進口產品,價格較為昂貴。其中色差式3D 中杜比3D 技術發展較早,初期應用較為廣泛。以Xpand為代表的主動快門式3D 系統,可以配合普通數字幕使用,在偏振式3D 系統出現前也流行過一段時間。就目前國內影院市場而言,最為普及的還是偏振式3D 系統。偏振式3D 系統在放映設備數量上分為單機偏振3D 和雙機偏振3D,在實現方式上分為機械式偏振3D 和液晶偏振3D。

圖8 偏振式3D系統分類

3.1 單機偏振3D系統

圖9 MasterImage 3D系統

單機偏振3D 系統主要分為機械式偏振3D 系統和液晶偏振3D系統。機械式偏振3D系統需在放映機鏡頭前加裝旋轉的光學偏振鏡,將光線分離為不同的方向,用相對應的偏振眼鏡分別接受左右眼圖像,從而實現3D 效果,主要以Master Image為代表。缺點是機型笨重、控制難、成本高、光效低、容易集塵、維護難。

液晶一大特點是性質會受到電流的影響,它在自然狀態下是扭曲的,給它加上電流后,它將根據電壓的大小反向扭曲相應的角度,因此可以被用來控制光的通過。一套完整的最基礎的液晶3D 系統是由線偏振器、液晶分光器和3D 眼鏡構成。光線透過線偏振器被處理為線偏振光。線偏振光通過液晶分光器后變為有一定幀順序的圓偏振光。液晶分光器可以看作動態1/4波片,同時實現左旋圓偏振和右旋圓偏振的分離。單臺放映機按幀順序分別播放左眼畫面和右眼畫面,觀眾的左右眼通過不同偏振方向的鏡片觀看兩幅不同的畫面,從而實現3D效果。

液晶偏振3D 系統根據光路數量主要分為單光路3D 系統、雙光路3D 系統及三光路3D 系統。這三種光路的3D 系統有著各自的優缺點。

表2 三種液晶偏振3D 系統對比表

3.1.1單光路3D 系統

圖10 液晶偏振單光路3D原理示意圖

圖11 單光路3D系統

單光路3D 系統是目前電影院使用最多的一種低成本的解決方案,在鏡頭前面加裝線偏振器和液晶分光器,再使用偏光3D 眼鏡就可以觀看電影了。優點是成本低,缺點是光效差、串擾率較高。

3.1.2雙光路3D 系統

雙光路3D 系統是在單光路3D 系統的基礎上,使用傳統的偏振分光棱鏡,對整束入射光線進行偏振化處理,透射并反射偏振態光束,透射光束使用液晶相位調制器件等直接打到銀幕上,反射光束也通過使用液晶相位調制器件等處理后與透射光束重合為一幅圖像,從而提高光利用率。優點是光效高,缺點是體積較大、調試難度高、成本較高、串擾率高。

圖12 雙光路3D系統原理示意圖

圖13 雙光路3D系統

3.1.3三光路3D 系統

圖14 三光路3D系統原理示意圖

圖15 三光路3D系統

三光路3D 系統是在雙光路3D 技術的原理基礎上,將偏振分光棱鏡結構設計為K 字型,將反射光束分為上下兩個半束光線,分別向上和向下反射,使用兩個反射鏡、兩個偏振旋轉器件、兩個液晶相位調制器件將上下半幅圖像在銀幕上拼接為一幅完整的圖像,與透射的整幅圖像在銀幕上重合起來,從而提高光線利用率。優點是光效高、體積較雙光路小,缺點是調試難度高、成本較高、串擾率較高。

3.2 雙機偏振3D技術

雙機偏振3D 技術是在兩臺放映機鏡頭前加裝兩片不同方向的偏振片,讓放映機投射出互相垂直的完全偏振光波,觀眾通過特制偏振眼鏡,左右眼就能看到不同的畫面,從而形成立體圖像。此類技術優點是立體感強、亮度高、畫面平滑流暢、無高頻閃爍和畫面模糊現象,消除了單機3D 系統長時間觀看帶來的視覺疲勞和眩暈感。缺點是需要雙機放映,成本較高。雙機偏振3D 技術主要分為雙機線偏振3D 系統和雙機圓偏振3D 系統。

表3 雙機線偏振3D 系統與雙機圓偏振3D 系統對比表

圖16 雙機偏振3D系統

3.2.1雙機線偏振3D 系統

在使用線偏振眼鏡看立體電影時,眼鏡應始終保持處于水平狀態,使水平偏振鏡片看到水平偏振方向的圖像,而垂直偏振鏡片看到垂直偏振方向的圖像。雙機線偏振3D 系統的優點是光效高、對比度高、色彩還原性好、不受溫度影響。但如果眼鏡略有偏轉,垂直偏振鏡片就會看見一部分水平方向的圖像,水平偏振鏡片也會看見一部分垂直方向的圖像,左右眼就會看到明顯的重影。

3.2.2雙機圓偏振3D 系統

圓偏振光的偏振方向是有規律的旋轉著的,它可分為左旋偏振光和右旋偏振光,它們相互間的干擾小,通光特性和阻光特性基本不受旋轉角度的影響。缺點是光效稍低、對比度低、色彩有影響、溫度高會使得鬼影加重。

4 未來影院3 D技術發展

影院放映技術飛速發展,銀幕因為新工藝、新材料的應用而有不同的發展方向,市場上涌現出了不同于傳統PVC 材質的新品,比如Real D 公司的終極銀幕和深圳時代華影公司的納幕。同時,LED廠家由三星一家獨占,也逐漸發展到多家競爭的狀態,國內外出現了不少廠家,如深圳洲明、深圳時代華影和LG 等。主動發光顯示的LED 放映系統憑借其超高亮度、超高對比度、高幀率、更好的均勻性等特點,給觀眾帶來了強烈的視覺沖擊。

4.1 納米銀幕3D技術的應用

區別于PVC做幕基的傳統銀幕,新型銀幕使用滌綸樹脂 (PET)做幕基,采用納米光學設計、超精密加工等領先技術,具有高亮度、畫面均勻、寬視角、低串擾率等特點。為了更加能發揮新型銀幕的優勢,3D 系統和眼鏡也應隨之改進。3D 系統方面應優化選材和技術,提升系統的透光率和光效,提高對比度,讓畫面更加通透,3D 效果更加立體,同樣的單臺放映機能支持更大銀幕。高幀率技術應用越來越多,3D 系統應提升對48幀/60幀/120幀的全面支持,才能使運動畫面更加流暢,不出現拖尾的現象。3D 眼鏡同樣也是重要的部分,需提升對比度,降低串擾率,增大鏡片尺寸,讓觀眾視野更加寬廣,觀看效果更加優質。但就筆者看來,特殊銀幕也只是過渡階段,還是在傳統投影式放映的范疇中,不可避免地或多或少有 “耀斑”“鬼影”“散斑”等問題。放映的發展方向,最終會歸到LED 等主動式發光這一技術上來。

4.2 LED 3D技術的應用

4.2.1偏振式LED 3D

LED 偏振式3D 技術的原理如同普通影院偏振式3D 技術一樣,都是利用偏振光的特性分別將不同的畫面傳遞給左右眼。因為LED 是主動發光技術,省略了光源到銀幕間增加偏振片以制造偏振光的過程,同樣一個像素需要兩組點陣分別播放,一組貼左旋圓偏振片,另一組貼右旋圓偏振片,由兩倍的點陣來顯示不同畫面,再用普通的偏振眼鏡觀看,從而形成立體效果。優點是眼鏡結構簡單,觀眾佩戴舒適。缺點是要采用雙倍分辨率的LED,成本很高,目前基本沒有影城使用此技術。

4.2.2主動式LED 3D

此技術同2.2介紹的主動快門式3D 技術是一種,主動式眼鏡配合3D 信號同步器,控制左右眼鏡片同步開關,讓左右眼看到不同的畫面,產生3D效果。LED 在商業影院出現后,此技術才重新開始應用起來。目前來看主動式3D 系統是LED 影廳最合適的解決方案,系統成本低,對顯示設備沒有限制,但主動3D 眼鏡舊有的問題依然存在,在透光性、輕便性、性價比、電量維護上還有很大的改進空間。

4.2.3光柵式LED 裸眼3D

光柵式的LED 3D 應用是將顯示屏和光柵精密結合在一起,左右眼的視差圖像交錯排列在顯示屏上,利用光柵的分光作用將左右眼視差圖像向不同方向傳播,當觀看者處于合適位置,左右眼就能分別看到不同的圖像,從而形成3D 效果。雙視點技術是基礎的方式,等于是用兩倍于普通的LED 點陣來顯示兩幅不同的畫面,利用光柵讓觀眾在特定位置左右眼看到不同的圖像,來實現3D 效果。多視點技術是N 倍于普通LED 點陣來顯示多幅不同畫面,利用光柵讓觀眾在特定位置左右眼看到不同的圖像,來實現3D 效果。相比之下,多視點技術觀眾的觀看位置更加靈活,顯示效果更優,但實現起來更加困難。此類技術的優點是觀眾不需要佩戴眼鏡,缺點是觀看角度受限,不論雙視點技術還是多視點技術,都要大量增加點陣和箱體,而且顯示效果欠佳。不過隨著各種技術手段層出不窮,缺點終會被慢慢克服,未來有可能是影院3D 發展的方向之一。

5 結語

2009年《阿凡達》上市,這部史詩巨作重新定義了3D 電影,人們才發現銀幕上重現的瑰麗奇幻的冒險是如此真實而又夢幻。隨后3D 電影井噴式發展,中國新建的絕大部分影廳都配置了3D 設備,市場上甚至出現了搶購3D 系統的現象,影院和觀眾對3D 的熱情方興未艾。

3D 電影普及初期,有許多的局限影響著放映質量。比如為了 《阿凡達》,卡梅隆與索尼共同改進3D 攝像機及拍攝技術,甚至開發了一套新的攝影系統。而后續的3D 影片較少采用3D 攝像機拍攝,大部分是后期轉制,片源質量良莠不齊。再如影院多采用氙燈光源放映,3D 畫面亮度一直不理想。又如主動式眼鏡閃屏、佩戴舒適感差,對近視觀眾不友好,其價格貴、容易損壞等原因,讓希望嘗試3D觀影的觀眾望而卻步。

激光光源的應用、銀幕技術的改進等手段,極大提升了畫面亮度和觀影質量,同時3D 系統這一關鍵部件的變革也起了很重要的作用。主動式3D系統開啟了影院3D 放映的先河,讓觀眾真正開始在銀幕上體驗3D 世界。而偏振式3D 系統的出現,克服了眼鏡不舒適和價格昂貴等缺點,使得人們在影院觀看3D 電影成為主流。長期以來,3D 影片最大的問題就在于亮度不足,為了較小成本地提升畫面亮度,雙光路3D 和三光路3D 應運而生。總的來說,影院3D 技術的革新讓電影創作者有了更好傳遞內容和思想的工具,促進了3D 電影的發展,而3D 電影的興盛又反過來推動了3D 技術的革新。正是3D 電影和3D 技術的相互裨益,讓觀眾在未來能夠體驗更多新奇的形式和更加精彩的內容。?