3D視頻攝制技術(shù)應(yīng)用研究

章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學(xué)院）

3D視頻攝制技術(shù)應(yīng)用研究

章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學(xué)院）

隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，3D視頻除傳統(tǒng)傳播媒介外，在科技館、博物館、規(guī)劃館等這一細(xì)分市場也有較大需求。研究不同設(shè)備不同情景下對應(yīng)的拍攝解決方案，確定拍攝參數(shù)的范圍、景別、節(jié)奏，根據(jù)人眼舒適性有針對性進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文介紹幾種觀看3D視頻的方法。

3D視頻、攝制技術(shù)、顯示方式

影視的創(chuàng)作不僅僅可以通過新穎的故事情節(jié)來吸引觀眾，各種影視制作新技術(shù)的應(yīng)用，也賦予了更大的創(chuàng)作空間，其中3D技術(shù)對影視的影響較為深遠(yuǎn)，該技術(shù)將帶來全新的視覺體驗［1］。

3D技術(shù)主要基于人的雙目立體視覺源于人眼的視差這一機制，由英國科學(xué)家查爾斯·惠斯通發(fā)現(xiàn)。與2D信號相比立體3D視頻信號具有更有效的視覺表達(dá)，可以使人產(chǎn)生強烈的沉浸感和臨場沖動。

從國際市場發(fā)展來看，3D市場占有率在持續(xù)增長，部分電視臺已經(jīng)推出了3D頻道，如BSkyB、ESPN等廣播商，2010年世界懷有25場比賽使用3D技術(shù)轉(zhuǎn)播。據(jù)統(tǒng)計，2014年美國生產(chǎn)了21部3D商業(yè)電影，中國生產(chǎn)了13部。

數(shù)據(jù)提供商數(shù)據(jù)顯示，在中國已上映的27部3D影片（進(jìn)口片17部+國產(chǎn)片9部）累計票房達(dá)到105億元，占所有電影總票房的42%。由此可見，中國觀眾對3D影片的熱愛及3D影片強大的吸金能力。

而在美國，電影觀眾對3D影片的熱情度正呈下降趨勢。朱梁指出，2008-2016年11月，美國3D電影的數(shù)量趨勢呈現(xiàn)先增后減，其主要原因，一批能帶來豐厚回報的3D電影的出現(xiàn)，投資方片面認(rèn)為只要是3D電影形式，就可以有錢賺，所以紛紛拍3D影片或直接2D轉(zhuǎn)3D。3D影片數(shù)量不斷增加，制作周期變短，從放映的技術(shù)來講，放映的亮度和分辨率往往不夠，影片缺少創(chuàng)意、制作水平偏低，造成電影的制作質(zhì)量下降，讓觀眾產(chǎn)生厭煩心理。甚至部分電影如《機械戰(zhàn)警》《超驗駭客》《超體》等在北美并無3D版本，而是由2D直接轉(zhuǎn)成3D“特供”中國觀眾，影片質(zhì)量可想而知。目前，除了院線電影之外，3D視頻應(yīng)用對于科技館、博物館、規(guī)劃館等這一細(xì)分市場也有較大需求。現(xiàn)在最欠缺的就是數(shù)字內(nèi)容，對3D內(nèi)容制作的研究有重要意義。

3D視頻立體效果實現(xiàn)主要通過攝制技術(shù)與立體影像顯示技術(shù)結(jié)合完成。立體視頻制作的方式主要有實拍、數(shù)字合成技術(shù)、也有將2D視頻轉(zhuǎn)換成3D視頻、通過這些技術(shù)手段有效組合決定最終畫面的表現(xiàn)力和舒適度。立體影像顯示技術(shù)主要分為色差式、偏振式、主動快門式和近眼微顯示式等，以及基于基本視差的裸眼3D顯示技術(shù)如柱狀透鏡式、光屏障式。

3D視頻的制作難度遠(yuǎn)高于普通節(jié)目制作，制作前需根據(jù)節(jié)目各項需求及3D拍攝的特點統(tǒng)籌規(guī)劃，針對3D拍攝基本規(guī)律作進(jìn)一步優(yōu)化，如草率地進(jìn)行拍攝，最終的3D節(jié)目不僅未能滿足觀眾的需要，反而給觀眾帶來視覺疲勞、頭暈?zāi)垦５炔涣挤磻?yīng)，因此有必要對3D視頻拍攝制作進(jìn)行深入研究。

1　影響立體拍攝的主要因素

對于拍攝創(chuàng)作人員最為關(guān)心的問題，如何選擇好各類攝制設(shè)備及相關(guān)軟件，解決攝制過程需面對的核心技術(shù)問題。在攝制過程中需要結(jié)合相關(guān)原理及實踐操作經(jīng)驗，分析影響立體拍攝的影響因素，得出立體拍攝策略以及主要參數(shù)調(diào)整方法。

1.1立體影像人眼交匯點的確定及雙目視覺舒適感

雙目聚焦某一物體時，視線交匯，大腦通過中間匯聚的角度測出相應(yīng)距離，從而會產(chǎn)生立體感。當(dāng)觀察距離遠(yuǎn)處單個物體時，匯聚角度變小，觀察距離較近的單個物體時，匯聚角度會變大。當(dāng)多個物體出現(xiàn)時，人眼對多個物體都有不同匯聚點，由此形成人眼強迫視線交匯產(chǎn)生的空間也就是立體空間。從眼睛到物體之間距離產(chǎn)生立體影像［2］。

相對攝像機而言，模擬人眼的視覺錯，根據(jù)物體遠(yuǎn)近匯聚不同角度。立體感知深度測試也是立體成像效果的關(guān)鍵。

物體的水平視差指相同物體上左右眼視差對應(yīng)的像素點的水平距離。如果把物體簡稱為B，B左眼視差在屏幕上對應(yīng)的像素點為l，右眼視差在屏幕上對應(yīng)的像素點為r，左右（l，r）像素之間距離為P，左右眼間距為D，眼睛到屏幕的觀看距離為L，立體感知深度為V，那么立體感知深度就可以用公式表示為：

V=L*P/P-D

當(dāng)l在r的左側(cè)時，P為正值，觀看距離L和雙眼間距D固定，P≤D，因此V值為負(fù)數(shù)，該物體具有正視差，表明物體位置位于屏幕的后方，如圖1所示。

圖1　l在r的左側(cè)

當(dāng)l在r的右側(cè)，像素點左右互換位置時，P值為負(fù)，觀看距離L和雙眼間距D固定，因此V值為正數(shù)，此時物體具有負(fù)視差，表明物體位置位于屏幕的前方，如圖2所示。

圖2　l在r的右側(cè)

當(dāng)l和r匯集到一點上時，P值等于0，觀看距離L和雙眼間距D固定，計算得出V值為等于0，該物體零視差，表明物體位置位于屏幕上。

圖3　l和r匯集到一點

拍攝前需要對立體深度提前估算，確定對正負(fù)視差的大至范圍，確保觀眾不受視覺疲勞的影響。根據(jù)《3D電視技術(shù)指導(dǎo)意見》和電視臺的制作規(guī)范圖像中主體部分的立體深度在3%的閾值，即正視差在屏幕上左右眼成像間距小于高清電視畫面水平方向的2%，負(fù)視差小于高清電視畫面水平方向的1%。短期沖擊效應(yīng)分別不超過4%和2.5%［4］。具體實際拍攝過程可通過使用3D立體深度計算軟件，輸入鏡頭的焦距；攝影機成像元件的尺寸；畫面中拍攝物體到攝影機的距離；成片播放銀幕的大小等，可以直接計算出推薦的軸距和會聚數(shù)值，也有計算軟件會提供成像的最大正負(fù)視差值［5］。

1.2立體拍攝器材

3D前期拍攝主要有兩種形式，一種是并列式，一種是垂直反射式，垂直反射鏡方式是將對偶攝像機垂直擺放，利用半透明反射系統(tǒng)使對偶攝像機獲取視頻信號。最大優(yōu)勢避免受空間與場地不足，裝置操作上比較復(fù)雜，需要3D拍攝采用兩個攝像機并列，會聚角調(diào)節(jié)范圍相對比較廣，但受到鏡頭之間物理距離的限制，有些鏡頭不容易拍攝。

直角機位拍攝法。會聚法拍攝中有一種直角機位拍攝法，對偶攝像機垂直擺放，利用半透明反射系統(tǒng)使對偶攝像機獲取視頻信號。直角機位拍攝法的裝置操作比較復(fù)雜，需要將一片半透明鏡安裝在特質(zhì)的金屬框架中，在半透明鏡片兩側(cè)按照直角機位安放攝像機，一臺攝像機在半透明鏡后方拍攝左眼圖像，另一臺攝像機在半透明鏡前方拍攝右眼圖像。由于操作復(fù)雜，裝置龐大，因此利用直角機位拍攝法拍攝之前需要進(jìn)行實地檢測調(diào)整。

并列式與垂直反射式拍攝方式從使用成本與效率、系統(tǒng)硬件成本上來說，對于剛起步，初步探索的單位，采用更容易兼顧平臺與立體拍攝快速切換的模式。

消費級的立體拍攝可以借助3D軟件來完成如景深相機等軟件拍攝最終進(jìn)行合成。

1.3具體拍攝注意點

1.3.1鏡頭要素的構(gòu)成

遠(yuǎn)景等以空間景物為拍攝對象，表現(xiàn)其范圍和廣度，主要用來表現(xiàn)具有空間關(guān)系的景別。一般用來展示大的空間、環(huán)境、交代背景，展示事件的規(guī)模和氣氛。

遠(yuǎn)景相對而言具有較強的縱深感，更具有立體化、大景深特別，在場景布置上空間層次一定要豐富，前景景物、主體及背景突出。在3D拍攝上可以更多的使用該方法。

近景相對而言畫面主體取景胸部以上，占據(jù)畫幅面積一半以上，而特寫與大特寫更多拍攝物體細(xì)節(jié)和人物瞬間神態(tài)更在乎表情變化，視覺上具有強制性觀眾強制拉近去看，相對而言持續(xù)時間相對較短，3D拍攝最終成片使用上相對較少。

立體圖像相比二維圖像多了縱深軸的維度，需要針對縱深軸特點進(jìn)行構(gòu)圖、對復(fù)雜場面進(jìn)行有效調(diào)度，滿足各種視差需要就成為關(guān)鍵。

景別控制始終圍繞觀眾的興趣點，客觀真實環(huán)境縱深處的人物距離遠(yuǎn)近需要與環(huán)境景物的大小對比相協(xié)調(diào)往往都是在觀眾的視線方向行進(jìn)，沖出銀幕給觀眾一個措手不及，或者深入銀幕縱深處提升觀眾的好奇心。

在確定景別拍攝時更需要注意3D邊框效應(yīng)，避免拍攝對象處于邊框效應(yīng)范圍之內(nèi)。

邊框中上邊框影響巨大，特寫處于較明顯位置、顯著的空間位置，寬銀幕特寫“不留頭”的習(xí)慣，利用視覺特性自動補足被卡在邊框以外人物的額頭［3］。而在3D影視，創(chuàng)作者的選擇是讓人臉出屏，額頭的補足還處在屏幕上，有空間的錯位，那么比較嚴(yán)重的邊框效應(yīng)就會出現(xiàn)。

當(dāng)邊框與兩幅不同的畫面相互交匯時，由于拍攝角度的差異，必然會導(dǎo)致在邊框附近，一幅畫面中的一部分內(nèi)容在另外一個畫面中是被遮掩的。

相對較特別的鏡頭通過快速出畫或入畫來完成。避免長時間在邊框效應(yīng)范圍內(nèi)停留。

1.3.23D影片節(jié)奏的總體把握

影片節(jié)奏上節(jié)奏是人們對事物運動變化的總的感受。把握節(jié)奏的一般要求是：注重運動，富于變化，保持協(xié)調(diào)。運動產(chǎn)生速度，速度形成節(jié)奏，節(jié)奏是貫穿節(jié)目始終的一種連續(xù)而又有間歇的運動相對舒緩，便于3D信息的接收。延長鏡頭時間的做法，表現(xiàn)了動作的逼真性與完整性。

節(jié)奏主要有鏡頭長度、鏡頭的運動節(jié)奏及畫面主體物的運動節(jié)奏。按3D立體影片拍攝制作鏡頭長度分，主要分長鏡頭與短鏡頭。一般來說，鏡頭運動節(jié)奏長鏡頭相對緩慢；短鏡頭節(jié)奏相對較快。

鏡頭的長度更需要與畫面內(nèi)容相適應(yīng)。需要分析和靈活應(yīng)用鏡頭長度帶來節(jié)奏變化，恰當(dāng)?shù)厝∩徵R頭長度與剪輯點，增強鏡頭畫面內(nèi)容的表現(xiàn)力。

除控制鏡頭長度外，在3D拍攝對鏡頭內(nèi)的主體物運動也需要進(jìn)一步控制。一般來說，主體物的運動速度快，節(jié)奏就快；主體物的運動速度慢，節(jié)奏就慢。此外，由于內(nèi)容情節(jié)節(jié)奏和表現(xiàn)形式節(jié)奏的整體節(jié)奏也能起到較大的影響。

1.3.3拍攝對象與技巧上避免以下幾類情況

拍攝物體不能全部為純色，如藍(lán)天、白墻；拍攝物體細(xì)致網(wǎng)格圖像避免與攝像機CCD重疊引起摩爾紋效應(yīng)，帶細(xì)密方格子的圖像。拍攝物體特別細(xì)微，不易分辨的如粒子，灰塵；避免文字在畫面物體空間位置和遮擋關(guān)系的錯誤。

1.3.4拍攝鏡頭選擇

鏡頭選擇上需要避免廣角鏡頭與長焦鏡頭，3D會聚以免產(chǎn)生太遠(yuǎn)太扁的效果。廣角拍攝使被攝人物在屏幕上顯得更遙遠(yuǎn)，而長焦鏡頭拍攝會過度拉近距離，造成畫面扁平化。

研究不同情景來確定相應(yīng)的解決方案：太小的物體、太遠(yuǎn)的場景、前后景距離過大等因素。

研究確定拍攝參數(shù)的范圍，攝像機瞳距對應(yīng)設(shè)置，如在類似人眼區(qū)段拍攝設(shè)置；若拍攝遠(yuǎn)近景選擇瞳距設(shè)置。使用鏡頭焦距增減對瞳距的影響。

會聚角精確計算，根據(jù)會聚面的距離得出會聚角的近似數(shù)值。對調(diào)整設(shè)定支架參數(shù)及監(jiān)視器上的視差。3D計算器可以比較方便得出數(shù)據(jù)。

2　觀看方法

現(xiàn)在幾乎所有的3d電影都是左右格式或者上下格式的，左右格式和上下格式只是3D立體電影的一種存儲方式，和拍攝方式，播放設(shè)備無關(guān)，觀看方式有以下幾種。

第一，使用3D播放設(shè)備，佩戴與之配套的眼鏡直接觀看。目前，3D播放設(shè)備包括3D電視、3D顯示器、3D投影儀和3D觀屏鏡等，主要方式偏振片與主動快門式兩類。主要設(shè)備都可以直接播放左右格式的3D電影，在相關(guān)的軟件中設(shè)置一下參數(shù)或者直接硬件合成，左右格式的3D電影就會自動合成稍帶重影的一個畫面，通過3D眼鏡，就可以體驗出屏效果了。

主動快門式也就是時分技術(shù)通過支持3D Vision立體顯示的120 Hz掃描屏幕與支持3D眼鏡完成。通過與高刷新率屏幕相配合使用，實現(xiàn)3D效果。

第二，在普通播放設(shè)備，轉(zhuǎn)成紅藍(lán)3D格式觀看。軟件設(shè)置：顯示方式→分色立體→優(yōu)化立體，然后直接戴上紅藍(lán)3D眼鏡就會有出屏效果了也可以即時轉(zhuǎn)換并觀看的。

第三，直接遮擋來完成。左右3D方法通過遮擋中間視線進(jìn)行疊加，視線集中可以完成三維的效果合成。通過用手掌豎放兩眼中間進(jìn)行遮擋，左右眼各分看視頻，將目光離散后匯聚到一點上。經(jīng)過訓(xùn)練觀察兩張照片可以直接顯示成一張立體的圖片。

3　結(jié)語

根據(jù)視差原理，利用現(xiàn)有小型攝像機或單反相機來模擬人的立體視覺。構(gòu)建簡單便攜的立體拍攝平臺（平行式及會聚式）對攝像空間坐標(biāo)系（x，y，z）及顯示空間進(jìn)行有效的還原。處理實際拍攝空間中前景、主體、背景之間在攝像機光軸方向的距離，計算合理的拍攝距離、攝像機間距，及產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)乃脚臄z視差。左右兩路立體視頻顯示處理，分別能在分色、偏振、分時等不同立體模式下正常顯示。

[1]王瓊.電影《阿凡達(dá)》3D特效技術(shù)解析[J].電影文學(xué),2013(13).

[2]孫延祿從模擬人眼立體視覺功能的差異看3D影像技術(shù)的類別與未來[J].現(xiàn)代電影技術(shù),2012(1).

[3]邱章紅,裴之田.3D電影鏡頭的邊框效應(yīng)[J].中國傳媒科技,2016(2).

[4]李新.小成本3D視頻拍攝編輯研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2014

[5]王愛紅,王瓊?cè)A,李大海,等.立體顯示中立體深度與視差圖獲取的關(guān)系[J].光學(xué)精密工程,2009(2).

2013年浙江廣播電視技術(shù)研究所科研項目“3D視頻攝制核心技術(shù)應(yīng)用研究”（項目編號：2013009）。

章曉亮（1981-），男，浙江蘭溪人，高級工程師，研究方向：視頻攝制技術(shù)。