何彥，楊磊，李思春

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

3D技術(shù)的出現(xiàn)是為了在2D影像的基礎(chǔ)上添加深度信息，從而使人眼產(chǎn)生立體感知。隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電影采用3D技術(shù)營(yíng)造具有縱深感且更加真實(shí)的場(chǎng)景，令觀眾感到身臨其境?！栋⒎策_(dá)》、《霍比特人2史矛革之戰(zhàn)》乃至于國(guó)產(chǎn)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(jié)目也不斷進(jìn)行著嘗試。

由于部分3D電影時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，也出現(xiàn)了不少因長(zhǎng)時(shí)間觀看導(dǎo)致頭暈惡心或更甚的癥狀。早年就曾有夫妻觀看時(shí)長(zhǎng)3小時(shí)的《阿凡達(dá)》后，雙雙出現(xiàn)眼部肌肉痙攣，眼睛的調(diào)節(jié)能力下降、調(diào)節(jié)速度遲緩，劇烈頭痛、嘔吐不止，從而引發(fā)了視頻終端綜合征眼。

觀看3D影片導(dǎo)致眼暈的主要原因在于，我們所觀看到的3D空間是來(lái)源于3D畫面不同視差的組合和切換，當(dāng)觀看3D影片時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，大腦需要不停地進(jìn)行不同視差的轉(zhuǎn)換，因此非常容易造成人眼的疲勞，導(dǎo)致眼睛干澀。然而3D影片中不可避免的還會(huì)有畫面視角的切換，使人眼向大腦傳達(dá)物體在動(dòng)的信號(hào)，而此刻大腦并沒(méi)能接收到肌肉運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，就會(huì)發(fā)生知覺(jué)錯(cuò)誤的矛盾，表現(xiàn)出頭暈眼花、惡心不適的癥狀。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)以上所提出的觀看3D影片產(chǎn)生視覺(jué)不適的問(wèn)題的研究主要集中在兩個(gè)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(chǎn)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(guó)的李勤、達(dá)飛鵬、溫晴川又對(duì)幾種鏡頭的失真情況進(jìn)行了分析，并整理出校正的方法[3]。而張景國(guó)、蔣大鋼、李曉峰對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，重點(diǎn)討論了鏡頭失真中桶形失真的問(wèn)題和校正辦法[4]。第二，對(duì)于3D立體影像的拍攝與制作方法的研究。Bernard Mendiburu系統(tǒng)的講解了立體電影的基本知識(shí)以及攝制方法[5]。對(duì)于立體動(dòng)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(duì)上述現(xiàn)狀對(duì)視覺(jué)舒適的3D特效進(jìn)行研究，探究雙目立體成像過(guò)程中的幾何失真及引起人眼不適感的主要因素，并進(jìn)行仿真；此后，對(duì)制作四種常見(jiàn)的3D特效，研究其在傳統(tǒng)2D特效制作環(huán)境下的制作方法；最后，以視察為變量，制作3D特效測(cè)試序列，對(duì)四種特效的視覺(jué)舒適度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，探究最讓人視覺(jué)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(guò)程利用了正負(fù)視差重現(xiàn)三維物體，人眼感知的是只是虛像，因此重現(xiàn)過(guò)程中很容易產(chǎn)生幾何失真。利用控制變量法進(jìn)行Matlab仿真，分析虛像幾何失真與各參數(shù)的關(guān)系。

2.1 立體視頻系統(tǒng)的幾何失真原理

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

從立體成像系統(tǒng)的角度來(lái)進(jìn)行幾何分析，可以得到成像系統(tǒng)的幾何模型如圖1所示。拍攝空間采用的是左手坐標(biāo)系，原點(diǎn)在兩攝像機(jī)鏡頭中心連線的中點(diǎn)；CCD顯示空間采用也是左手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在CCD的中心。

(a)圖成像系統(tǒng)中各參數(shù)意義 (b)圖為拍攝某物體時(shí)的坐標(biāo)映射關(guān)系圖1 立體成像系統(tǒng)的幾何模型

被攝物體位置坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)，單個(gè)攝像機(jī)水平方向可視區(qū)域角度，攝像機(jī)間距t，攝像機(jī)會(huì)聚角β，CCD寬度Wc，CCD水平偏移，以及左右兩CCD中物體橫坐標(biāo)Xcl、Xcr。分析可得出拍攝空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

(4)

再?gòu)牧Ⅲw顯示系統(tǒng)的角度進(jìn)行幾何分析，從二維CCD成像面向二維屏幕轉(zhuǎn)換過(guò)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(biāo)(Xsl，Ysl)，左圖像中物體在CCD上坐標(biāo)(Xcl，Ycl)，右圖像亦然，不做贅述。

圖2 立體成像系統(tǒng)成像與顯示端轉(zhuǎn)化的幾何模型

從攝像機(jī)CCD顯示空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到屏幕顯示時(shí)的左右圖像空間轉(zhuǎn)化過(guò)程，可以簡(jiǎn)化成坐標(biāo)乘以一個(gè)放大系數(shù)M。M=Ws/Wc。所以可得CCD和屏幕上物體坐標(biāo)之間的關(guān)系如下：

(5)

觀眾觀看時(shí)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(biāo)Xsl和Xsr，觀看距離V，虛像三維坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)，公式中P為圖像視差，表示物體上同一點(diǎn)在屏幕上左右視圖的水平距離，P=Xsr-Xsl。

圖3 立體成像系統(tǒng)顯示端幾何模型

觀看時(shí)，從屏幕上的二維圖像到人眼感知的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化中，大腦合成的虛像與屏幕中物體位置的關(guān)系：

(6)

(7)

(8)

令：

(9)

(10)

(11)

(12)

因此，物體空間到圖像空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化表示為：

(13)

(14)

(15)

(16)

其中Yi是物體垂直方向坐標(biāo)，CCD和屏幕中Y軸方向數(shù)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(yán)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(dāng)Zi

推導(dǎo)過(guò)程證實(shí)，上述公式同樣適用于平行立體成像系統(tǒng)，只需將攝像機(jī)會(huì)聚角β設(shè)置為0即可。

2.2 立體視頻幾何失真的Matlab仿真

本課題中對(duì)雙目立體成像系統(tǒng)的幾何失真情況進(jìn)行仿真，模擬拍攝水平放置均勻網(wǎng)格線，仿真出的虛像呈現(xiàn)距人眼近大遠(yuǎn)小的網(wǎng)格伸縮，以及背向人眼的彎曲效果。設(shè)置攝像機(jī)間距、會(huì)聚角、焦距、瞳距、觀看距離、屏幕寬度六個(gè)參數(shù)為變量，通過(guò)上文提到的三維物體(X0，Y0，Z0)與虛像坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)的關(guān)系模擬幾何失真情況。

參數(shù)范圍的設(shè)置以及通過(guò)控制變量調(diào)整各參數(shù)后的仿真結(jié)果如下依據(jù)如下：

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

(2)攝像機(jī)會(huì)聚角：選取0-0.0176弧度。如圖5，攝像機(jī)會(huì)聚角變小時(shí)，虛像水平方向形變變??；攝像機(jī)會(huì)聚角變大，虛像水平方向形變嚴(yán)重。

(3)攝像機(jī)焦距f：設(shè)置常見(jiàn)攝像機(jī)、相機(jī)焦距18-135mm。如圖6，當(dāng)f的值逐漸增大時(shí)，虛像縱深方向增大，水平方向變寬；攝像機(jī)焦距變小時(shí)，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(shè)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(jīng)查閱資料，現(xiàn)有正規(guī)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(kuò)大范圍將參數(shù)設(shè)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(yuǎn)離人眼。

(a)圖攝像機(jī)間距變小 (b)圖攝像機(jī)間距變大圖4

(a)圖會(huì)聚角為0 (b)圖會(huì)聚角變大。圖5

(a)圖攝像機(jī)焦距減小 (b)圖攝像機(jī)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(duì)上述立體視頻幾何失真的特點(diǎn)，以及為后續(xù)通過(guò)主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證獲得舒適的3D特效提供素材，本文進(jìn)行了四種特效的制作，即：文字掉落、跟蹤抖動(dòng)、立體字幕以及3D臺(tái)標(biāo)，再通過(guò)調(diào)整水平間距完成測(cè)試序列的制作，并采用Phenix PH-V1型號(hào)立體數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行背景拍攝，以side-by-side形式儲(chǔ)存，考慮到觀看3D視頻時(shí)，圓偏振方式的應(yīng)用較為廣泛，觀看者頭部位置自由，舒適度相對(duì)良好對(duì)主觀評(píng)價(jià)不易產(chǎn)生影響，因此使用圓偏振方式觀看[7]。同時(shí)為了在本文中對(duì)制作的3D特效能有比較直觀展現(xiàn)，因此也附上了紅青分離的3D顯示圖像，但該方式對(duì)人眼損傷嚴(yán)重并產(chǎn)生強(qiáng)烈的不舒適感，故不適用于主觀評(píng)價(jià)[8]。

針對(duì)四種特效，其制作步驟的核心為：將所需背景素材導(dǎo)入Adobe Premiere Pro軟件中。新建文字層于左路圖像的合適位置，調(diào)整好文字大小等參數(shù)。之后對(duì)其進(jìn)行復(fù)制，通過(guò)計(jì)算與右路圖像上特效應(yīng)在位置的距離差，調(diào)整復(fù)制圖層的合適位置。其注意事項(xiàng)分別如下。

3.1 文字掉落

文字掉落特效來(lái)源于3D影像中常見(jiàn)的飄雪、下雨等特效，這樣的特效視差范圍跨度較大，營(yíng)造的空間感和層次感非常強(qiáng)烈。

本文利用粒子掉落插件Particular制作，制作過(guò)程中，應(yīng)注意將文字設(shè)置成與背景顏色不沖突的顏色，并且調(diào)整噴射速度和粒子多少時(shí)應(yīng)保證重現(xiàn)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(dòng)

當(dāng)視頻畫面有一定的運(yùn)動(dòng)或抖動(dòng)時(shí)，如果后期添加的特效沒(méi)有跟蹤畫面運(yùn)動(dòng)，就使特效顯得生硬而不生動(dòng)，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(diǎn)為跟蹤點(diǎn)，做文字“Hello”跟蹤畫面抖動(dòng)。在制作過(guò)程中應(yīng)注意為避免垂直視差，左右兩路的跟蹤點(diǎn)應(yīng)選擇同一白點(diǎn)的同一位置。并且避免跟蹤點(diǎn)被遮擋、出畫、伸縮、旋轉(zhuǎn)，如圖10所示。

(a)圖跟蹤抖動(dòng)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(yùn)用在電影的片頭或片尾，進(jìn)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(xì)節(jié)較少的空鏡，以突出帶有運(yùn)動(dòng)、縮放等特效的3D字幕主體，制作過(guò)程中需要多層文字進(jìn)行移動(dòng)和合成，以突出強(qiáng)烈的視覺(jué)感知，如圖11所示。

3.4 3D臺(tái)標(biāo)

3D臺(tái)標(biāo)主要應(yīng)用在3D電視中，為與2D電視節(jié)目區(qū)分，3D頻道的臺(tái)標(biāo)部分應(yīng)也有一定的空間感。如圖12所示，3D臺(tái)標(biāo)的特點(diǎn)是不能夠影響節(jié)目畫面的主體內(nèi)容，需長(zhǎng)時(shí)間停留在畫面中，不應(yīng)有大范圍的運(yùn)動(dòng)和過(guò)于頻繁的動(dòng)畫，其次，在整體的畫面表達(dá)之中不應(yīng)在過(guò)大視差的位置，這樣會(huì)影響3D影像的視覺(jué)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(tái)標(biāo)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(píng)價(jià)與分析

本文為了證實(shí)怎樣的視頻特效更為舒適，以制作的四組特效為對(duì)象，以視差為變量，采用了雙刺激連續(xù)質(zhì)量標(biāo)度法進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)[9]。本文中進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)的條件基本符合《中華人民共和國(guó)廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-數(shù)字電視圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)》的規(guī)定，以視差為0的視頻為參考視頻，其他視差的視頻為被測(cè)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(jué)得20人參與評(píng)價(jià)。

本文主觀評(píng)價(jià)打分表中，縱向標(biāo)度線成對(duì)排列，并提供了連續(xù)的標(biāo)度，每條標(biāo)度線被分成5個(gè)等分，在打分表左邊還標(biāo)有與不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量描述：優(yōu)、秀、良好、一般、較差、極差。在測(cè)試階段，為觀看員準(zhǔn)備與標(biāo)度印刷線不同顏色的筆進(jìn)行打分記錄。

本文將獲得的20份打分表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到圖13的主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。由圖可知，這四種特效視覺(jué)舒適度曲線趨勢(shì)相同，均在視差較小，也就是虛像距離屏幕較近的位置呈現(xiàn)較高分?jǐn)?shù)；無(wú)論是正視差，還是負(fù)視差，視差越大人眼的主觀感覺(jué)越不舒適。而稍有不同的是立體字幕特效在負(fù)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(jué)很不舒服，這證明了立體字幕是用來(lái)顯示文字內(nèi)容的，應(yīng)在背景圖像的較前部分重現(xiàn)。而所有特效中3D臺(tái)標(biāo)的總體分?jǐn)?shù)最高，證明了3D臺(tái)標(biāo)為了不影響畫面內(nèi)容表達(dá)，放置在畫面的角落，對(duì)畫面整體舒適度影響較小。

圖13 主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

一般的3D特效應(yīng)制作在屏幕附近，視差不宜過(guò)大。在上述分析中顯示，在視差區(qū)間[-1，1]之間的3D特效視覺(jué)最為舒適，利用第三章中對(duì)雙目立體成像系統(tǒng)的幾何模型分析可知，視差與虛像坐標(biāo)的縱深方向數(shù)值關(guān)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(zhǎng)=V-Zi。由于最佳視差范圍[-1，1]，經(jīng)上述公式計(jì)算可得虛像與屏幕見(jiàn)距離范圍為[-526，808]。其中的正負(fù)關(guān)系為，負(fù)數(shù)為負(fù)視差，正數(shù)為正視差。

本次的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，視覺(jué)較為舒適的3D特效應(yīng)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(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊但很容易讓人暈眩，而距離人眼太遠(yuǎn)的特效因?yàn)檫h(yuǎn)離畫面主體而位置偏后，想要觀看其特效就會(huì)造成其他畫面與該特效相比距離人眼太近，也會(huì)造成視覺(jué)的不適。因此，在3D影像的拍攝和制作中都應(yīng)注意，盡量避免過(guò)大的視差造成的視覺(jué)不適。

5 總結(jié)

隨著3D電影和3D電視的日益發(fā)展，如何讓3D特效觀看起來(lái)更為舒適成為了普及3D技術(shù)的道路中亟待解決的問(wèn)題。本文深入研究了雙目立體成像系統(tǒng)的幾何失真情況，并制作3D特效，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)獲取視覺(jué)舒適的3D特效，并驗(yàn)證了幾何失真仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，有助于對(duì)3D特效在視覺(jué)舒適度方面的進(jìn)一步研究，對(duì)3D電影以及3D電視的發(fā)展具有重大意義和應(yīng)用價(jià)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(dá)飛鵬，溫晴川. 任意方向下的攝像機(jī)鏡頭畸變標(biāo)定[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，(9)：2022-2027.

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

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

[6]Holliman N，Baugh C，F(xiàn)renk 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(xiàn)狀與展望[J]. 電視技術(shù)，2006，(8)：39-41.

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

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