數(shù)字影院3D技術(shù)及發(fā)展趨勢

張盼盼

(珠海中影影視服務(wù)有限責(zé)任公司,廣東珠海 519500)

1 人立體感的產(chǎn)生

人的左眼和右眼是有距離的,看到的圖像有細(xì)微差別,這兩幅不同的圖像經(jīng)過大腦的合成,就能區(qū)分出物體的遠(yuǎn)近和大小,從而產(chǎn)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(jié)合圖1 來說,每個人的眼間距是固定數(shù)值,空間的任何一點與兩只眼睛都會構(gòu)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(shù)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(jīng)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(shù)的種類及優(yōu)缺點

目前3D 技術(shù)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(lán)3D 技術(shù)效果不佳,主要為民用;快門式3D 技術(shù)因為其對銀幕無要求,應(yīng)用范圍廣泛;偏振式3D 技術(shù)對銀幕類別有要求,要使用偏振比高的金屬銀幕,但實現(xiàn)方式簡單、使用成本較低,便于普及,多人使用的環(huán)境大多采用此方式;頭戴式3D 主要應(yīng)用于個人娛樂場景。這四種技術(shù)有著各自的優(yōu)缺點。

表1 四種3D 技術(shù)的特點及優(yōu)缺點

2.1 色差式3D技術(shù)

2.1.1紅藍(lán)3D 技術(shù)

紅藍(lán)式3D 眼鏡的紅色鏡片只能透過紅光,藍(lán)光被阻擋,而藍(lán)色鏡片只能透過藍(lán)光,紅光被阻擋。人眼透過紅藍(lán)鏡片觀看特制的圖像時,兩組畫面被分開后分別進(jìn)入左右眼,在大腦中便產(chǎn)生了3D 的效果。

此類技術(shù)優(yōu)點是應(yīng)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(yán)重,觀看效果差,現(xiàn)在很少被采用。

圖3 紅藍(lán)畫面及眼鏡

2.1.2杜比3D 技術(shù)

杜比3D 系統(tǒng)組件由濾光輪、濾光控制器和杜比3D 眼鏡構(gòu)成。杜比3D 技術(shù)電影系統(tǒng)使用兼容的投影機,用一個旋轉(zhuǎn)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(lán)色,由色輪轉(zhuǎn)換成紅色1、紅色2、綠色1、綠色2、藍(lán)色1、藍(lán)色2。特殊的干擾濾波器眼鏡,允許左眼只看到標(biāo)記為“1”的片段,而右眼只看到標(biāo)記為“2”的片段,這樣形成3D 效果。

此類技術(shù)優(yōu)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(shè)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(fā)了新的激光3D系統(tǒng),大體原理是發(fā)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(yōu)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(tǒng)

2.2 主動快門式3D技術(shù)

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

圖5 快門式眼鏡

此類技術(shù)的優(yōu)點是適用范圍廣,不限放映機和銀幕種類,不需要復(fù)雜的調(diào)適,單臺放映機可以實現(xiàn)。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(jīng)營時,需要做好衛(wèi)生消毒以循環(huán)使用,定時檢查電量以保持良好狀態(tài),這樣會有很大的工作量。另外,目前3D 眼鏡左右兩側(cè)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(shù)

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(jīng)過偏振片后,改變成為具有一定振動方向的光。當(dāng)偏振處理過的光經(jīng)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(jīng)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(shù)的色彩損失是最小的,色彩顯示更為準(zhǔn)確。偏振式3D 眼鏡只是在普通眼鏡的表層鍍上偏光層,結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕便,觀眾佩戴舒適,便于管理。缺點是串?dāng)_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(shè)備

2.4 頭 戴 式3D 技術(shù)

傳統(tǒng)的3D 實現(xiàn)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?dāng)_率高,容易出現(xiàn)“鬼 影”,3D 效 果 并 不完美。頭戴式3D 技術(shù)直接在左右眼顯示不同畫面,以實現(xiàn)更加真實的3D 效果。此類產(chǎn)品無需采用投影、銀幕等設(shè)備,集成度高、私密性好,無鬼影,但片源有限、設(shè)備重、舒適性差、不適合長期觀看,目前僅應(yīng)用于民用。

3 電影院當(dāng)前主流3 D系統(tǒng)

電影院3D 的興起得益于 《阿凡達(dá)》的火爆,最初3D 系統(tǒng)多采用國外進(jìn)口產(chǎn)品,價格較為昂貴。其中色差式3D 中杜比3D 技術(shù)發(fā)展較早,初期應(yīng)用較為廣泛。以Xpand為代表的主動快門式3D 系統(tǒng),可以配合普通數(shù)字幕使用,在偏振式3D 系統(tǒng)出現(xiàn)前也流行過一段時間。就目前國內(nèi)影院市場而言,最為普及的還是偏振式3D 系統(tǒng)。偏振式3D 系統(tǒng)在放映設(shè)備數(shù)量上分為單機偏振3D 和雙機偏振3D,在實現(xiàn)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(tǒng)分類

3.1 單機偏振3D系統(tǒng)

圖9 MasterImage 3D系統(tǒng)

單機偏振3D 系統(tǒng)主要分為機械式偏振3D 系統(tǒng)和液晶偏振3D系統(tǒng)。機械式偏振3D系統(tǒng)需在放映機鏡頭前加裝旋轉(zhuǎn)的光學(xué)偏振鏡,將光線分離為不同的方向,用相對應(yīng)的偏振眼鏡分別接受左右眼圖像,從而實現(xiàn)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(zhì)會受到電流的影響,它在自然狀態(tài)下是扭曲的,給它加上電流后,它將根據(jù)電壓的大小反向扭曲相應(yīng)的角度,因此可以被用來控制光的通過。一套完整的最基礎(chǔ)的液晶3D 系統(tǒng)是由線偏振器、液晶分光器和3D 眼鏡構(gòu)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?yōu)橛幸欢◣樞虻膱A偏振光。液晶分光器可以看作動態(tài)1/4波片,同時實現(xiàn)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(xiàn)3D效果。

液晶偏振3D 系統(tǒng)根據(jù)光路數(shù)量主要分為單光路3D 系統(tǒng)、雙光路3D 系統(tǒng)及三光路3D 系統(tǒng)。這三種光路的3D 系統(tǒng)有著各自的優(yōu)缺點。

表2 三種液晶偏振3D 系統(tǒng)對比表

3.1.1單光路3D 系統(tǒng)

圖10 液晶偏振單光路3D原理示意圖

圖11 單光路3D系統(tǒng)

單光路3D 系統(tǒng)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(yōu)點是成本低,缺點是光效差、串?dāng)_率較高。

3.1.2雙光路3D 系統(tǒng)

雙光路3D 系統(tǒng)是在單光路3D 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用傳統(tǒng)的偏振分光棱鏡,對整束入射光線進(jìn)行偏振化處理,透射并反射偏振態(tài)光束,透射光束使用液晶相位調(diào)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(diào)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(yōu)點是光效高,缺點是體積較大、調(diào)試難度高、成本較高、串?dāng)_率高。

圖12 雙光路3D系統(tǒng)原理示意圖

圖13 雙光路3D系統(tǒng)

3.1.3三光路3D 系統(tǒng)

圖14 三光路3D系統(tǒng)原理示意圖

圖15 三光路3D系統(tǒng)

三光路3D 系統(tǒng)是在雙光路3D 技術(shù)的原理基礎(chǔ)上,將偏振分光棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)器件、兩個液晶相位調(diào)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(yōu)點是光效高、體積較雙光路小,缺點是調(diào)試難度高、成本較高、串?dāng)_率較高。

3.2 雙機偏振3D技術(shù)

雙機偏振3D 技術(shù)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(shù)優(yōu)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(xiàn)象,消除了單機3D 系統(tǒng)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(shù)主要分為雙機線偏振3D 系統(tǒng)和雙機圓偏振3D 系統(tǒng)。

表3 雙機線偏振3D 系統(tǒng)與雙機圓偏振3D 系統(tǒng)對比表

圖16 雙機偏振3D系統(tǒng)

3.2.1雙機線偏振3D 系統(tǒng)

在使用線偏振眼鏡看立體電影時,眼鏡應(yīng)始終保持處于水平狀態(tài),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(tǒng)的優(yōu)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(zhuǎn),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(tǒng)

圓偏振光的偏振方向是有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)發(fā)展

影院放映技術(shù)飛速發(fā)展,銀幕因為新工藝、新材料的應(yīng)用而有不同的發(fā)展方向,市場上涌現(xiàn)出了不同于傳統(tǒng)PVC 材質(zhì)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(fā)展到多家競爭的狀態(tài),國內(nèi)外出現(xiàn)了不少廠家,如深圳洲明、深圳時代華影和LG 等。主動發(fā)光顯示的LED 放映系統(tǒng)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(shù)的應(yīng)用

區(qū)別于PVC做幕基的傳統(tǒng)銀幕,新型銀幕使用滌綸樹脂 (PET)做幕基,采用納米光學(xué)設(shè)計、超精密加工等領(lǐng)先技術(shù),具有高亮度、畫面均勻、寬視角、低串?dāng)_率等特點。為了更加能發(fā)揮新型銀幕的優(yōu)勢,3D 系統(tǒng)和眼鏡也應(yīng)隨之改進(jìn)。3D 系統(tǒng)方面應(yīng)優(yōu)化選材和技術(shù),提升系統(tǒng)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(shù)應(yīng)用越來越多,3D 系統(tǒng)應(yīng)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(xiàn)拖尾的現(xiàn)象。3D 眼鏡同樣也是重要的部分,需提升對比度,降低串?dāng)_率,增大鏡片尺寸,讓觀眾視野更加寬廣,觀看效果更加優(yōu)質(zhì)。但就筆者看來,特殊銀幕也只是過渡階段,還是在傳統(tǒng)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(fā)展方向,最終會歸到LED 等主動式發(fā)光這一技術(shù)上來。

4.2 LED 3D技術(shù)的應(yīng)用

4.2.1偏振式LED 3D

LED 偏振式3D 技術(shù)的原理如同普通影院偏振式3D 技術(shù)一樣,都是利用偏振光的特性分別將不同的畫面?zhèn)鬟f給左右眼。因為LED 是主動發(fā)光技術(shù),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(yōu)點是眼鏡結(jié)構(gòu)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(shù)。

4.2.2主動式LED 3D

此技術(shù)同2.2介紹的主動快門式3D 技術(shù)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(guān),讓左右眼看到不同的畫面,產(chǎn)生3D效果。LED 在商業(yè)影院出現(xiàn)后,此技術(shù)才重新開始應(yīng)用起來。目前來看主動式3D 系統(tǒng)是LED 影廳最合適的解決方案,系統(tǒng)成本低,對顯示設(shè)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(jìn)空間。

4.2.3光柵式LED 裸眼3D

光柵式的LED 3D 應(yīng)用是將顯示屏和光柵精密結(jié)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(dāng)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(shù)是基礎(chǔ)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(xiàn)3D 效果。多視點技術(shù)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(xiàn)3D 效果。相比之下,多視點技術(shù)觀眾的觀看位置更加靈活,顯示效果更優(yōu),但實現(xiàn)起來更加困難。此類技術(shù)的優(yōu)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(shù)還是多視點技術(shù),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(shù)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(fā)展的方向之一。

5 結(jié)語

2009年《阿凡達(dá)》上市,這部史詩巨作重新定義了3D 電影,人們才發(fā)現(xiàn)銀幕上重現(xiàn)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(fā)展,中國新建的絕大部分影廳都配置了3D 設(shè)備,市場上甚至出現(xiàn)了搶購3D 系統(tǒng)的現(xiàn)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(zhì)量。比如為了 《阿凡達(dá)》,卡梅隆與索尼共同改進(jìn)3D 攝像機及拍攝技術(shù),甚至開發(fā)了一套新的攝影系統(tǒng)。而后續(xù)的3D 影片較少采用3D 攝像機拍攝,大部分是后期轉(zhuǎn)制,片源質(zhì)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(yīng)用、銀幕技術(shù)的改進(jìn)等手段,極大提升了畫面亮度和觀影質(zhì)量,同時3D 系統(tǒng)這一關(guān)鍵部件的變革也起了很重要的作用。主動式3D系統(tǒng)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(tǒng)的出現(xiàn),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(yīng)運而生?？偟膩碚f,影院3D 技術(shù)的革新讓電影創(chuàng)作者有了更好傳遞內(nèi)容和思想的工具,促進(jìn)了3D 電影的發(fā)展,而3D 電影的興盛又反過來推動了3D 技術(shù)的革新。正是3D 電影和3D 技術(shù)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(nèi)容。?