3D影像技術(shù)原理與制作

李東冬,劉覺敏

（南京視覺藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，南京,211215）

3D影像技術(shù)原理與制作

李東冬,劉覺敏

（南京視覺藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，南京,211215）

近年來，隨著《地心歷險(xiǎn)記》、《阿凡達(dá)》、《功夫熊貓》等一批數(shù)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(zhí)導(dǎo)的《阿凡達(dá)》，憑借著引人人勝的3D立體影像，為我們創(chuàng)造了一個(gè)美輪美奐的潘多拉星球，使觀影者身臨其境地進(jìn)入了一個(gè)夢(mèng)幻般的世界，從而獲得了全球億萬觀眾贊賞的掌聲，創(chuàng)造了史無前例的票房記錄。與此同時(shí)，在電視領(lǐng)域，各家電視生產(chǎn)廠商都緊跟時(shí)代潮流，早早推出了各自的3D電視機(jī)產(chǎn)品。國(guó)家廣電總局也聯(lián)合包括央視在內(nèi)的國(guó)內(nèi)6家電視臺(tái)在2012年1月1號(hào)開播了3D實(shí)驗(yàn)頻道，每天播出13.5個(gè)小時(shí)的3D電視節(jié)目。另外一些諸如倫敦奧運(yùn)會(huì)、央視春晚等大型活動(dòng)也已涵蓋了3D視頻的播出方式，數(shù)字3D技術(shù)業(yè)已成為業(yè)界持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。3D影視是影像技術(shù)發(fā)展的革命性成果，它在很大程度上提高了人們對(duì)視覺藝術(shù)的認(rèn)識(shí)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(xiàn)原理

所謂3D立體電影，正是以雙目立體視覺為基礎(chǔ)而完成攝制與放映的。從原理上說，就是用兩臺(tái)攝影機(jī)，以一定的視覺夾角，得到兩個(gè)具有一定視差的影像，從而模仿現(xiàn)實(shí)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(gè)三維世界的深度，即畫面中物體的出屏或進(jìn)入屏幕深處，這就是所謂的3D立體影像重現(xiàn)原理。這一點(diǎn)類似于我們對(duì)立體聲音響的感知，即通過左右耳聽到不同聲道喇叭發(fā)出的聲音就可以重現(xiàn)聲音的方位感。

2 3D視頻制作技巧

相比于傳統(tǒng)的2D視頻制作，3D視頻對(duì)于前期拍攝、后期制作等技術(shù)環(huán)節(jié)的要求亦顯得格外嚴(yán)格。

從拍攝設(shè)備上說，目前的3D攝像機(jī)可以分為雙機(jī)雙鏡頭式3D攝像機(jī)和3D攝錄一體機(jī)。前者是采用兩臺(tái)獨(dú)立的2D攝像機(jī)經(jīng)過同步設(shè)計(jì)之后，安裝在支架上成為一部3D攝像機(jī)，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(jī)其擺放方式為平行放置，但由于兩個(gè)機(jī)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(yuǎn)距離時(shí)沒什么問題，但在拍攝近距離物體的時(shí)候，由于鏡頭間距離過大，畫面會(huì)出現(xiàn)重影以及脹眼等不適感。所以在實(shí)際應(yīng)用中，垂直支架式攝像機(jī)更為廣泛。這類機(jī)器使用了帶有分光鏡箱技術(shù)的立體支架，讓兩臺(tái)攝像機(jī)呈90度垂直安裝，它的好處在于可以不受攝影機(jī)及鏡頭體積限制，因而可以選用較大的成像器，得到高質(zhì)量的畫面，同時(shí)兩臺(tái)攝像機(jī)之間的距離可以任意調(diào)節(jié)，從而為視差的調(diào)節(jié)帶來了更大的便利。但是由于這種機(jī)器的體積較為龐大且造價(jià)高，鏡頭伺服系統(tǒng)同步調(diào)節(jié)復(fù)雜，因此比較適合電影、綜藝晚會(huì)、體育賽事等有充分調(diào)節(jié)時(shí)間的節(jié)目使用，屬于高端的3D視頻拍攝設(shè)備。此外，3D立體拍攝架要具有多種調(diào)節(jié)功能，具體來說，不僅要可以調(diào)節(jié)機(jī)距以及雙機(jī)夾角，還要能調(diào)節(jié)雙機(jī)的匹配性。雙機(jī)夾角的調(diào)節(jié)是用來控制正負(fù)視差，所謂正負(fù)視差就是常說的出屏和入屏。雙機(jī)夾角需要根據(jù)拍攝場(chǎng)景不同進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，這是拍攝3D立體中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)與技術(shù)。而雙機(jī)匹配性的調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)單來說就是將兩臺(tái)拍攝機(jī)器的高度、水平、傾斜、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行最佳匹配，以確保拍攝畫面的立體效果。

除了這種復(fù)雜的雙機(jī)雙鏡頭式立體拍攝設(shè)備外，另一類為攝錄一體機(jī)，即一臺(tái)攝像機(jī)上安裝有兩個(gè)平行的鏡頭，拍攝后得到一個(gè)獨(dú)立的的影像文件，但在導(dǎo)入視頻后期編輯軟件后，分為左右眼兩個(gè)具有視差的視頻軌道。此類機(jī)器主要特點(diǎn)是攜帶方便，價(jià)格相對(duì)便宜，其缺點(diǎn)在于鏡頭軸間距無法調(diào)節(jié)，只能通過調(diào)節(jié)會(huì)聚來完成其3D畫面的調(diào)整，導(dǎo)致最終的立體效果受到影響。

從技術(shù)上說，目前3D視頻的拍攝并無一個(gè)明確的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)作者應(yīng)根據(jù)不同的拍攝內(nèi)容和拍攝思想等依據(jù)去靈活運(yùn)用，但切記一切以視覺體驗(yàn)為基礎(chǔ)，以視覺感受的最佳舒適度為準(zhǔn)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(diǎn)，盡量避免任何可能導(dǎo)致觀眾眩暈、脹眼或是重影現(xiàn)象的發(fā)生。其次，在拍攝時(shí)為了突出立體感，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)些沿鏡頭主光軸運(yùn)動(dòng)的畫面。因?yàn)檠刂鞴廨S運(yùn)動(dòng)的物體，往往能夠產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的空間立體感。再次，多運(yùn)用移鏡頭的方式來代替變焦拉伸。一方面因?yàn)樵谑褂秒p機(jī)拍攝時(shí)，目前的鏡頭變焦同步系統(tǒng)還無法做到在所有機(jī)器上百分之百完全一致，另一方面這也是體現(xiàn)立體優(yōu)勢(shì)的一種手段。即我們?cè)谂臄z2D影片時(shí)也有這種感受，即運(yùn)用鏡頭在場(chǎng)景中縱向移動(dòng)可以制造出更為強(qiáng)烈的層疊感，體現(xiàn)其立體優(yōu)勢(shì)。最后，應(yīng)注意兩臺(tái)機(jī)器焦點(diǎn)應(yīng)一致，否則在后期剪輯時(shí)幾乎無法解決。此外，鑒于人眼在觀看物體時(shí)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生重影，3D視頻在拍攝時(shí)被攝物體也不可離鏡頭過近，否則亦會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的重影現(xiàn)象，因此在拍攝3D視頻時(shí)應(yīng)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(jù)場(chǎng)景安排拍攝主體布局，畢竟富有明顯層次的畫面才能顯現(xiàn)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(huì)讓畫面凌亂。

3D立體拍攝制作要遵循拍攝到位，減少后期調(diào)整的原則；如果前期拍攝不理想，后期制作再好也會(huì)影響整片效果。相比于前期拍攝上的繁雜，3D數(shù)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(shè)備，最終得到的素材至少都包含左右兩個(gè)高清視頻，而且每個(gè)視頻至少都是1920*1080像素大小的。從目前商業(yè)使用上看，很多拍攝會(huì)使用相對(duì)高端的電影級(jí)別的機(jī)器，它們的畫質(zhì)往往可以達(dá)到4k（4096X2160像素）畫質(zhì)，而兩軌4k畫面要進(jìn)行處理的話，其對(duì)后期硬件的要求也是極高的，否則連正常的播放都難以實(shí)現(xiàn)。因此從硬件配置上說，一般要求為工作站級(jí)別的機(jī)器，很多專業(yè)設(shè)備配置了雙路24核志強(qiáng)處理器，24G內(nèi)存，專業(yè)級(jí)的圖形顯示卡，可通過偏振、分光、快門式等監(jiān)看方式進(jìn)行監(jiān)看的3D立體監(jiān)視器，還有具備高性能讀寫速度的磁盤陣列等。

對(duì)于3D攝錄一體機(jī)拍攝的畫面，最終是存儲(chǔ)為一個(gè)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(shí)現(xiàn)后期剪輯，在這款軟件里，可以直接導(dǎo)入拍攝素材，拖入時(shí)間線后，素材會(huì)自動(dòng)分為兩個(gè)鏈接在一起的視頻軌道和一個(gè)音頻軌道，從剪輯技術(shù)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(jiān)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(shí)也可選擇相應(yīng)的3D模式選項(xiàng)，方便后期佩戴不同的眼鏡觀看。

3 3D視頻的合成技術(shù)方式

3.1 裸眼式3D

裸眼式3D技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)商用顯示市場(chǎng)，而與大眾消費(fèi)者接觸的并不多。因此大眾對(duì)于裸眼3D的認(rèn)識(shí)多少存在一定的誤區(qū)，一些人以為裸眼3D是一種新的影像制作技術(shù)，可事實(shí)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(shù)上來看，裸眼式3D可分為光屏障式（Barrier）、柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)和指向光源（Directional Backlight）三種。裸眼式3D技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)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(shù)來說，是多種方式并存的，然而他們的一個(gè)共同特點(diǎn)都是借助于特制的眼鏡，實(shí)現(xiàn)雙眼看到不同的畫面，從而產(chǎn)生3D立體效果。概括起來主要有以下幾種技術(shù)：

（1）色差式技術(shù)

色差式3d視頻是要通過色差式眼鏡來進(jìn)行觀看的，他是利用不同顏色的色片（一般為紅藍(lán)、紅綠等）來阻擋和通過相應(yīng)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(shù)歷史最為悠久，成像原理簡(jiǎn)單，對(duì)顯示器沒有特別要求，還能在電視、投影上面放，實(shí)現(xiàn)成本相當(dāng)?shù)土侨菀资巩嬅孢吘壆a(chǎn)生偏色和重影，3D效果也是最差的。

（2）主動(dòng)快門式3D技術(shù)

快門式3D技術(shù)主要是通過提高畫面的刷新率來實(shí)現(xiàn)3D效果的，通過把圖像按幀一分為二，形成對(duì)應(yīng)左眼和右眼的兩組畫面，連續(xù)交錯(cuò)顯示出來，同時(shí)紅外信號(hào)發(fā)射器將同步控制快門式3D眼鏡的左右鏡片開關(guān)，使左、右雙眼能夠在正確的時(shí)刻看到相應(yīng)畫面。這種技術(shù)要求3D液晶電視屏幕刷新頻率必須達(dá)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(xù)的3D圖像效果。

（3）偏光式3D技術(shù)

偏光式3D是利用光線有“振動(dòng)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(jīng)過大腦合成立體影像。

目前在偏光式3D系統(tǒng)中，市場(chǎng)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(zhǎng)虹、LG、康佳、TCL、海信、創(chuàng)維等品牌采用偏光式3D技術(shù)生產(chǎn)RealD偏光3D電視。

4 總結(jié)

3D立體技術(shù)作為一種新的影像制作技術(shù)，必將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷更新，其應(yīng)用范圍也將越來越廣。作為影視工作者，我們應(yīng)該主動(dòng)適應(yīng)和研究3D立體技術(shù)對(duì)當(dāng)代影視制作產(chǎn)生的影響，利用其創(chuàng)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(shù)探析》，《現(xiàn)代電影技術(shù)》雜志，2010年09期

[2] 韓小磊：《電影導(dǎo)演藝術(shù)教程》，中國(guó)電影出版社 2010年版

[3] 黃海，高巖，施劍平，《3D影視拍攝新技術(shù)研究和應(yīng)用》，《現(xiàn)代電視技術(shù)》雜志，2015年02期

[4] 傅正義：《影視剪輯編輯藝術(shù)》，中國(guó)傳媒大學(xué)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