(上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院, 上海 200234)

1 3D立體影視技術(shù)概述

3D立體影視技術(shù)是指通過特殊技術(shù)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(shù).立體視覺電影電視的基本原理非常簡(jiǎn)單:當(dāng)人以左右眼看同一物品時(shí),兩眼由于空間位置差異,分別在視網(wǎng)膜上形成了并不完全相同的像,這兩個(gè)像經(jīng)過大腦綜合理解后,能區(qū)分物體的前后、遠(yuǎn)近,從而產(chǎn)生立體視覺.立體影視的原理即仿照人眼睛的視角同時(shí)拍攝2個(gè)畫面,并在放映時(shí)同步放映至同一銀幕上,通過某種技術(shù)手段,使左右眼只觀看到相對(duì)應(yīng)的畫面內(nèi)容,從而產(chǎn)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(chuàng)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(dòng)畫片——即使用計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫制作軟件制作和渲染生成的3D立體視覺動(dòng)畫片,例如《功夫熊貓2》、《瘋狂原始人》;②實(shí)拍加CG的立體影片——通過3D攝像機(jī)拍攝立體實(shí)景,然后通過計(jì)算機(jī)CG特效技術(shù),將真實(shí)視頻和CG內(nèi)容相結(jié)合制作影片,例如《變形金剛3》、《鋼鐵俠3》;③虛擬現(xiàn)實(shí)拍攝影片——以復(fù)雜的影視合成技術(shù)為核心,通過計(jì)算機(jī)渲染產(chǎn)生的虛擬空間和演員在藍(lán)、綠箱虛擬演播室中的表演實(shí)時(shí)合成在一起,進(jìn)行影片制作,這種技術(shù)是最為先進(jìn)的影片制作工藝,影片《阿凡達(dá)》就是采用這種技術(shù)制作;④老電影的立體翻新——即對(duì)已經(jīng)拍攝的2D普通影視節(jié)目,通過計(jì)算機(jī)軟件的處理,轉(zhuǎn)換成立體視覺影片,例如經(jīng)典大作《泰坦尼克號(hào)》.

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

純立體三維動(dòng)畫和實(shí)拍加CG影片是目前立體影片的主流制作技術(shù).其中,立體三維動(dòng)畫影片的制作,只需在傳統(tǒng)三維動(dòng)畫片制作的基礎(chǔ)上,在最終渲染輸出環(huán)節(jié)使用雙鏡頭渲染插件即可完成,在技術(shù)上簡(jiǎn)單而且成熟,制作的內(nèi)容限制也非常小.因此,當(dāng)前3D立體影片中,立體動(dòng)畫片數(shù)量比例較高,僅2013年初到2013年5月末的國(guó)內(nèi)院線就有《潛艇總動(dòng)員》、《瘋狂原始人》、《波魯魯冰雪大冒險(xiǎn)》等近6、7部國(guó)內(nèi)外3D動(dòng)畫大作上映,占全部3D立體影片中的半壁江山.

同過實(shí)拍加CG特效的影片能夠?qū)⒄嫒?、?shí)物通過雙鏡頭立體攝影攝像設(shè)備記錄,然后通過非線性編輯系統(tǒng),同步剪輯雙眼圖像,再通過計(jì)算機(jī)CG技術(shù),在畫面中添加數(shù)字特效.這種制作技術(shù)源自傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化電影生產(chǎn)工藝,目前已經(jīng)比較成熟.由于雙鏡頭攝影攝像技術(shù)的條件限制,過于細(xì)小的物品很難進(jìn)行拍攝,比較遙遠(yuǎn)的景象拍攝立體效果也較差,運(yùn)動(dòng)感太強(qiáng)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(shí)景拍攝限制很大.此外,立體CG特效的添加,類似于3D動(dòng)畫,但由于需要融合實(shí)拍鏡頭,因此在前期拍攝時(shí)有很多準(zhǔn)備工作,而CG創(chuàng)作時(shí)又必須根據(jù)實(shí)拍畫面精細(xì)調(diào)整,制作難度和制作成本很大.

目前技術(shù)最大的突破就是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)合成拍攝,該技術(shù)將原本在后期制作的CG特效,提前到實(shí)拍之前,事先建立場(chǎng)景和CG人物的3D模型,以及相應(yīng)的材質(zhì)、燈光和虛擬攝影機(jī).進(jìn)入拍攝階段時(shí),在巨大的藍(lán)、綠箱中,演員身著特殊服裝,利用動(dòng)作捕捉設(shè)備將演員動(dòng)作復(fù)制給CG人物,利用表情捕捉設(shè)備將演員表情賦予CG角色,利用攝像跟蹤系統(tǒng)將攝影師的操作與3D軟件的虛擬攝影機(jī)實(shí)現(xiàn)同步,最終借助運(yùn)算能力強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),記錄所有數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)渲染出虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景畫面,使導(dǎo)演在第一時(shí)間就能看到拍攝的3D影片的草稿畫面情況.這種拍攝技術(shù)由詹姆斯·卡梅隆導(dǎo)演在制作大作《阿凡達(dá)》時(shí)首次實(shí)際應(yīng)用,就此揭開了3D電影制作工藝的新篇章,引領(lǐng)了3D立體電影的未來技術(shù)發(fā)展道路[1].

圖2 《阿凡達(dá)》拍攝工場(chǎng)

不過,采用虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)拍攝的技術(shù)工藝還有待繼續(xù)完善,就目前情況來說,多個(gè)系統(tǒng)的整合以及復(fù)雜的拍攝制作準(zhǔn)備工作,包括目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)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(dá)》的投資金額超過3.5億美元就是一例.但是,虛擬現(xiàn)實(shí)的拍攝技術(shù),突破了傳統(tǒng)實(shí)拍加CG技術(shù)的桎梏,在影視時(shí)空上虛擬真實(shí),并為虛擬角色賦予了真人的情感和動(dòng)作,讓3D制作的人和物變得更加真實(shí)可信.例如《阿凡達(dá)》中,潘多拉星球的美麗動(dòng)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(dāng)然,就目前的計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jī)器人這類形象正好是難得的載體,既能掩蓋真實(shí)度,又能表現(xiàn)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(jì)算機(jī)技術(shù),無論是動(dòng)畫片還是實(shí)拍電影加CG特效,乃至虛擬現(xiàn)實(shí)拍攝手段,都需要有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力保障.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)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(shí)景立體攝像技術(shù)發(fā)展

通過計(jì)算機(jī)軟件渲染制作的3D立體影片,需要采用計(jì)算機(jī)3D制作軟件中的雙鏡頭虛擬攝像機(jī)功能,而實(shí)景拍攝的3D立體畫面,則需要真正的雙路同步攝影攝像機(jī),具體方案有兩種:①雙機(jī)組合拍攝——將2臺(tái)獨(dú)立的攝影、攝像機(jī),通過專用支架組合在一起,同步進(jìn)行拍攝;②雙鏡頭一體機(jī)——直接選用為立體拍攝而開發(fā)生產(chǎn)的雙鏡頭一體機(jī)拍攝.這兩種方式的本質(zhì)就是模仿人的雙眼,同步記錄2臺(tái)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(jī)視軸不一定平行,有可能帶有一定的夾角)的攝像攝影機(jī)的畫面.

圖3 3種立體攝像機(jī)

無論哪種拍攝方法,都需要考慮雙機(jī)間距的問題.雙機(jī)間距嚴(yán)格講是雙鏡頭中軸線間距,若雙機(jī)平行即為2個(gè)攝像系統(tǒng)的平行光軸的間距,若雙機(jī)存在一定匯聚夾角就是雙機(jī)鏡頭中心的間距.雙機(jī)間距直接影響到畫面立體感的再現(xiàn),根據(jù)現(xiàn)有的立體攝影的“1/50間距理論”(此理論完全來自國(guó)外立體攝影愛好者使用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭實(shí)拍得出的經(jīng)驗(yàn)值,其依據(jù)為135全幅相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系).通常情況下雙機(jī)間距應(yīng)該等于“主體或主要前景”至鏡頭距離除以對(duì)應(yīng)135畫幅相機(jī)鏡頭焦距(任何鏡頭焦距都需要先折算為135全幅相機(jī)的對(duì)應(yīng)焦距).表1是立體攝影的雙機(jī)間距理論參考數(shù)據(jù).

表1 立體攝影的雙機(jī)間距離理論參考數(shù)據(jù)

可見,雙機(jī)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(huán)境中,最佳拍攝間距可能遠(yuǎn)小于機(jī)身寬度,也可能遠(yuǎn)超過幾個(gè)機(jī)身的寬度.

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

此外,為了實(shí)現(xiàn)最佳3D效果,部分時(shí)候會(huì)模擬人眼觀察附近事物的原理,采用匯聚法拍攝,即雙機(jī)光軸各向內(nèi)側(cè)傾斜一定角度,以加強(qiáng)拍攝物體的立體感.這種拍攝方法,只能通過調(diào)節(jié)支架來完成,因此成品雙鏡頭機(jī)不能采用該方法.

總之,支架雙機(jī)拍攝具有相對(duì)較好的立體拍攝效果,適宜資深攝影師認(rèn)真調(diào)校,拍攝高標(biāo)準(zhǔn)立體電影畫面;而一體機(jī)具有優(yōu)秀的便捷性、易用性,對(duì)于初學(xué)者,采用雙鏡頭一體機(jī)不外乎是一個(gè)快速入門的方法,對(duì)于3D轉(zhuǎn)播、直播,也一般傾向使用一體機(jī)完成.

4 立體播映技術(shù)類型改進(jìn)

常見的3D立體視覺播映技術(shù)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(shù)又可以根據(jù)不同原理分為3種:①色分法——左右眼佩戴紅藍(lán)、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(yīng)左右眼的不同染色的畫面;②光分法——分別在左右眼放映機(jī)的前面各安裝1個(gè)偏振片,并調(diào)整2個(gè)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(duì)應(yīng)畫面;③時(shí)分法——需要佩戴一副電子(快門)眼鏡,通過快速輪流關(guān)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(guān)閉時(shí)屏幕正好顯示右眼畫面,相應(yīng)右眼關(guān)閉時(shí)屏幕顯示左眼畫面.目前裸眼式3D播映技術(shù)還剛剛起步,主流技術(shù)有兩種:①視差壁障法——使用開關(guān)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?yàn)?0°的垂直條紋,通過它們的光就形成了垂直的細(xì)條柵“視差障壁”,這樣雙眼能分別看到液晶屏相應(yīng)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(duì)應(yīng)的像素[2].

圖4 立體影像播映原理[3～5]

3D播映技術(shù)中,色分法是最簡(jiǎn)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(duì)放映設(shè)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(jià)非常低,甚至可以自己手工制作.但是色分發(fā)的缺點(diǎn)較明顯:首先是容易產(chǎn)生畫面偏色,亮度也受到較大衰減,因此色彩表現(xiàn)力受到極大限制;其次是立體效果有些不足,且較易出現(xiàn)重影,畫面不夠清晰;再次,觀眾的在觀影時(shí),眼睛容易疲勞,不利長(zhǎng)時(shí)間觀看.色分法盡管存在較大不足,但由于其簡(jiǎn)單可行,往往被用于早期3D實(shí)驗(yàn)性播映,例如上海電視臺(tái)在20世紀(jì)末,就已經(jīng)通過普通電視廣播播出了紅藍(lán)濾色的立體電視動(dòng)畫片,盡管觀影效果較差,但開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)立體電視節(jié)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(zhì)量:第一,立體效果優(yōu)秀,對(duì)畫面效果、亮度、色彩表現(xiàn)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(qū)動(dòng),佩戴舒適,價(jià)格較低,適合人數(shù)較多的放映場(chǎng)合;第三,畫面刷新率與普通影片一致,不會(huì)產(chǎn)生畫面拖尾現(xiàn)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(gè)劇場(chǎng)成百上千位觀眾都能夠廉價(jià)便捷地獲得不錯(cuò)的立體觀影效果.但是對(duì)于家庭來說,現(xiàn)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(dòng)式立體眼鏡,即利用時(shí)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(fā)射紅外、無線或藍(lán)牙信號(hào),同步控制電子眼鏡的左右眼鏡片,交替閉合和透光,達(dá)到雙眼分別觀看不同畫面的效果.時(shí)分法需要顯示器提供的刷新速度達(dá)到120 Hz,這樣才能保證切換的雙眼畫面分別達(dá)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(guān)閉左右眼鏡片,因此也叫快門式3D眼鏡,相對(duì)應(yīng)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(fā)效果類似,立體效果明顯,色彩畫質(zhì)優(yōu)秀,適用于小規(guī)模人群收視,適宜家庭娛樂產(chǎn)品.但時(shí)分法需要播映設(shè)備和眼鏡的一一對(duì)應(yīng),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(shè)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(zhǎng)時(shí)間觀看容易疲勞.

目前常見的裸眼3D顯示技術(shù)包括視差障壁技術(shù)和柱狀透鏡技術(shù),此外,還有多層顯示技術(shù)、指向性光源技術(shù)等試驗(yàn)性的新技術(shù),正在逐步成熟走向?qū)嶋H應(yīng)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(fā)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(dāng)裸眼3D能夠達(dá)到普通高清電視的畫質(zhì)時(shí),其使用推廣價(jià)值才能徹底顯現(xiàn).而且當(dāng)前裸眼3D屏幕生產(chǎn)工藝上還不夠成熟,產(chǎn)品成本和產(chǎn)量化難題都有待進(jìn)一步攻克.但裸眼3D發(fā)展速度非常之快,相信很快就會(huì)成為真正的主流.

通過對(duì)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(shí)日.時(shí)分法和光分法是目前最為成熟的、觀影效果優(yōu)秀的主流3D播映技術(shù),時(shí)分法適合家庭型小規(guī)模人群的娛樂,光分法適合影院劇場(chǎng)大規(guī)模人群的播映需求.而色分法觀影效果較差,但其最為廉價(jià)和便捷,往往是會(huì)展、廣告的“一次性觀影”技術(shù)選擇.

5 3D立體影視技術(shù)現(xiàn)存的不足

盡管近幾年中,3D電影電視的發(fā)展速度非常之快,3D的制、播技術(shù)大大進(jìn)步,但目前仍然處于技術(shù)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(shù)現(xiàn)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(shè)備.從拍攝、制作到播映、收看,各個(gè)環(huán)節(jié)都與普通設(shè)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(yàn)和不同的觀影習(xí)慣使?jié)撛谟^眾望而卻步.

(2) 舒適度不佳.常規(guī)3D影視技術(shù)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(shù)手段呈現(xiàn),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(chǎn)生的視覺和大腦疲乏.目前還不適合長(zhǎng)時(shí)間觀看3D影視節(jié)目,尤其是青少年群體,眼鏡發(fā)育沒有完成,太多觀看3D影視可能會(huì)造成不良損害.

(3) 制作成本高.3D影視設(shè)備還沒普及,專業(yè)人才也較少,節(jié)目制作成本較高.在現(xiàn)階段,對(duì)比同等高清影視節(jié)目,3D視覺影視的制作成本平均是其2～3倍.

(4) 節(jié)目?jī)?nèi)容少.3D技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng),普及之路還漫長(zhǎng),目前3D影視節(jié)目?jī)?nèi)容還十分有限,僅憑每年幾十部3D電影,固定的舊片轉(zhuǎn)換,以及少量的大型電視活動(dòng)或欄目3D轉(zhuǎn)播,很難滿足觀眾的收視需求,嚴(yán)重限制了觀眾購買3D電視的愿望.

6 3D立體影視技術(shù)制作技術(shù)的發(fā)展方向

簡(jiǎn)單探討一下未來的3D立體影視技術(shù):首先,裸眼立體播映技術(shù)將普及,觀看立體影視不再需要佩戴眼鏡;其次,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)成熟,立體電影的制作應(yīng)該能突破傳統(tǒng)的拍攝編輯,將來應(yīng)該更多借助計(jì)算機(jī)CG的制作;再次,立體影視與多重感官的綜合體驗(yàn)變?yōu)榭赡?也就是是說觀看立體電影將不再局限在視覺技術(shù)方面,觀眾應(yīng)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(chǎng)效果,使觀影變成仿真體驗(yàn),當(dāng)然3D視覺是其中重要環(huán)節(jié)之一.最后,電影將變成互動(dòng)游戲的形式,觀看電影時(shí),觀眾與電影、觀眾與觀眾之間能夠互動(dòng),并直接影響電影劇情的發(fā)展,這一切就是未來的“立體電影”.

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