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立體影片的主流制作方法及顯示技術(shù)研究論文
摘 要：三維立體動(dòng)畫和影片對(duì)生活在二十一世紀(jì)的人們來說已經(jīng)并不陌生，其富于縱深感、立體感以及令人身臨其境的視覺效果無疑已經(jīng)使之成為數(shù)字時(shí)代的新寵。本文將主要探討幾種主要的立體影片數(shù)字內(nèi)容的制作方法，以及當(dāng)前比較流行的幾種三維顯示技術(shù)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：三維立體； 立體影片； 三維動(dòng)畫； 顯示技術(shù)
所謂三維立體（Stereoscopic 3D），指的是一種能在平面的圖像媒介中生成或增強(qiáng)三維縱深感的假象的技術(shù)。通過這種技術(shù)，兩幅有少量透視視角偏移的圖像被分別顯示于觀察者的左眼和右眼，然后這兩幅偏移圖像分別通過左右眼的視網(wǎng)膜傳導(dǎo)入大腦并重新合成在一起，從而產(chǎn)生了三維立體的視覺感受。
值得一提的是，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，三維立體技術(shù)也在不斷保持快速的革新和發(fā)展，直至今日，已經(jīng)有層出不窮的三維立體圖像生成及展示的技術(shù)出現(xiàn)在人們視野之中。然而限于文章的篇幅，筆者不能將當(dāng)前所有相關(guān)的技術(shù)的方方面面都概括進(jìn)來，只能針對(duì)今天比較主流、流行的一些制作方法和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和探討。
本文主要分為兩大部分：其一，分兩方面（實(shí)拍影片和三維動(dòng)畫）對(duì)三維立體數(shù)字內(nèi)容的制作方法進(jìn)行探討；其二，介紹當(dāng)前幾種主流的三維立體圖像顯示技術(shù)及其應(yīng)用。
1三維立體影片數(shù)字內(nèi)容的幾種主要制作方法
1.1實(shí)拍立體視頻影片 根據(jù)之前提到的三維立體圖像的概念，我們知道，看到三維立體效果的關(guān)鍵在于要讓人的左眼和右眼分別看到各自相應(yīng)的透視視角圖像。因此在拍攝立體影片的時(shí)候，我們需要架設(shè)兩臺(tái)相同的攝像機(jī)以模擬人類的雙眼，并將其并排固定在云臺(tái)上。在錄制過程中，導(dǎo)演也會(huì)使用相應(yīng)的雙視角監(jiān)視器來觀察兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝出的兩個(gè)視角的畫面。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，專業(yè)的三維立體攝影機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生并且快速普及到電影、電視的拍攝中。其中最著名的經(jīng)典案例莫過于2010年初上映的科幻電影《阿凡達(dá)》了。影片采用詹姆斯.卡梅隆自主研發(fā)的三維攝影機(jī)進(jìn)行拍攝，而這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展也歷經(jīng)多年。早在2000年的時(shí)候，卡梅隆和拍檔文斯.佩斯就開始在索尼公司的支持下開發(fā)一套全新的攝影系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用兩臺(tái)索尼HDCF950 HD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，目的是創(chuàng)造出具有立體實(shí)感的環(huán)境，這便是后來的三維虛擬影像擷取攝影系統(tǒng)(Fusion 3-D Camera System)。在2003年二人合作的IMAX電影《深淵幽靈》中，這項(xiàng)技術(shù)首次得到應(yīng)用。隨后，卡梅隆還讓同行幫他測(cè)試這套技術(shù)，著名導(dǎo)演羅伯特.羅德里格茲在《非常小特務(wù)3D》和《立體小奇兵》就進(jìn)行了嘗試，之后絕大部分的三維立體電影也都是采用這種方法拍攝的，如《地心游記3D》、《麥莉.賽勒斯演唱會(huì)紀(jì)實(shí)》等。在過去幾年中，卡梅隆不斷在對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行完善，使之呈現(xiàn)出更強(qiáng)更富于動(dòng)感的立體效果，而同時(shí)又不會(huì)令觀眾頭暈。隨著多次實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)日漸成熟，最終被運(yùn)用到《阿凡達(dá)》的拍攝中。而在我國(guó)，三維立體技術(shù)的應(yīng)用也越來越普及，例如2012年的中央電視臺(tái)春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)就首次使用了專業(yè)的雙鏡頭三維攝像機(jī)進(jìn)行錄制，讓觀眾看到了一個(gè)不一樣的春晚。
1.2CG立體動(dòng)畫影片 制作立體動(dòng)畫影片的原理和制作實(shí)拍的立體視頻其實(shí)有著許多共同之處。其最大的相同點(diǎn)就是在于，同樣需要架設(shè)兩個(gè)攝像機(jī)來模擬人的左右眼，并通過這兩臺(tái)攝像機(jī)來渲染輸出兩幅有一定透視角度偏移的左、右眼圖像。不同的是，這里用到的攝像機(jī)并非實(shí)體的真實(shí)攝像機(jī)，而是三維動(dòng)畫軟件中的虛擬攝像機(jī)。
在今天主流的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件中，例如Lightwave 3D，Maya，3DS MAX等基本都提供了專門的虛擬立體攝像機(jī)（Stereoscopic Camera）。其中MAYA軟件中的立體攝像機(jī)可以直接以紅藍(lán)方式在三維視圖中預(yù)覽出來，藝術(shù)家和動(dòng)畫師只需帶上紅藍(lán)立體眼鏡就可以非常方便的實(shí)時(shí)觀察所制作出來的立體效果。筆者將重點(diǎn)介紹在當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的三維軟件3ds max中制作立體動(dòng)畫的方法。
在3ds max軟件（后文簡(jiǎn)稱MAX）中(截止至2012版本)并未直接提供現(xiàn)成的立體攝像機(jī)，所以比較初級(jí)的做法是建立兩個(gè)平行且朝向一致的自由攝像機(jī)（free camera），并在兩者之間創(chuàng)建一個(gè)dummy物體或者point物體之類的輔助物體，然后將兩個(gè)攝像機(jī)通過link父子鏈接工具鏈接到這個(gè)虛擬物體上。這樣通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)虛擬物體，就可以同時(shí)控制兩個(gè)攝像機(jī)的位置和朝向。如果覺得這樣的設(shè)定提供給動(dòng)畫師的功能和控制（尤其對(duì)瞳距—即兩攝像機(jī)間距的控制）過少的話，可以通過MAXScript腳本語言對(duì)攝像機(jī)和虛擬物體進(jìn)行一些編程控制，以增加此雙攝像機(jī)設(shè)定的功能性和可控性。
然而，上述的方法并不適合于大多數(shù)的用戶，操作起來也多有不便。但是幸運(yùn)的是，在目前非常流行的第三方渲染插件Vray（2.0版本）中提供了兩種非常強(qiáng)大而方便的立體攝像機(jī)系統(tǒng)。
第一種系統(tǒng)是VrayStereoRig。在MAX的創(chuàng)建面板的系統(tǒng)項(xiàng)（system）中切換至Vray，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面提供了一個(gè)名為VrayStereoRig的工具。使用這個(gè)工具可以在視圖中創(chuàng)建出已經(jīng)綁定好的三架平行且朝向間隔一致的自由攝像機(jī)，其中中間的攝像機(jī)為主控機(jī)位，通過選擇移動(dòng)它可以同時(shí)控制它兩側(cè)的左右眼攝像機(jī)，同時(shí)通過水平移動(dòng)任意一側(cè)的攝像機(jī)即可方便的調(diào)整攝像機(jī)之間的間距。這種立體攝像機(jī)系統(tǒng)雖然比用戶自己手工綁定創(chuàng)建的攝像機(jī)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單易用，但是也存在一些不足之處：首先，此系統(tǒng)無法量化控制瞳距參數(shù)和立體攝像機(jī)其他相關(guān)屬性；其次，在渲染輸出的時(shí)候只能分別渲染左、右眼攝像機(jī)視圖，輸出為兩套圖像視頻或圖片序列，而不能直接輸出為常見的左右格式或上下格式的視頻，在最終播放的時(shí)候會(huì)有些不便。
第二種系統(tǒng)是在MAX的幫助物體（helpers）的Vray工具組中的VrayStereoscopic工具。只要在場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)VrayStereoscopic幫助物體，就可以自動(dòng)將場(chǎng)景中的目標(biāo)攝像機(jī)或者自由攝像機(jī)轉(zhuǎn)為立體模式，而無需創(chuàng)建多余的左右眼攝像機(jī)，通過控制一個(gè)攝像機(jī)即可以生成左右眼的透視偏差圖像。同時(shí)這種系統(tǒng)還提供了很多參數(shù)化的控制，例如eye distance參數(shù)可以量化的控制“兩眼”的距離（即瞳距，瞳距的大小直接影響立體效果的好壞），focus distance參數(shù)可以調(diào)整攝像機(jī)的焦距（此處即等同于零視覺交叉平面的位置，此參數(shù)可決定場(chǎng)景中物體的深度情況，如某物體在此交叉平面的前面，此物體則顯示為“出畫”的效果）。這種立體系統(tǒng)還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是，如果在渲染設(shè)置中選用VRAY的幀緩存frame buffer,則可以在渲染的過程中直接將動(dòng)畫輸出為左右格式的視頻或圖像序列，并且在Vray的幀緩存窗口中直接用紅藍(lán)方式預(yù)覽立體效果。由此可見，VrayStereoscopic是一個(gè)功能非常強(qiáng)大，使用非常便捷的立體攝像系統(tǒng)。
1.3立體影片的播放 無論是實(shí)拍的立體視頻還是電腦制作的CG立體動(dòng)畫，我們最終得到的片源一般包括以下幾種常見形式：1）分離的左右眼視頻或圖像序列（左、右眼分別一套文件）；2）上下格式文件：將左眼和右眼的圖像按上下方式拼接在一起形成一個(gè)單一視頻或圖像序列；3）左右格式：將左右眼的圖像按左右方式拼接。但是要想看到立體的影片，無論是采用紅藍(lán)顯示技術(shù)還是偏振技術(shù)，都需要使用一個(gè)專門的軟件來播放處理這些視頻。目前非常流行的播放軟件是Stereoscopic Player，它可以按左右眼通道分別導(dǎo)入相應(yīng)的透視圖像，也可以直接讀取上下格式或是左右格式的圖像，并對(duì)這些圖像進(jìn)行處理和播放，最終可以按照紅藍(lán)方式顯示，也可以將左右眼圖像信息分離并分別輸出到兩個(gè)視頻信號(hào)以供諸如偏振法等顯示技術(shù)使用。
2立體視頻的幾種主要顯示技術(shù)
2.1紅藍(lán)立體顯示技術(shù)（色分法） 這種立體圖像顯示技術(shù)是通過使用顏色來分離左右眼兩個(gè)不同的透視圖像的。通常左眼透視圖像以紅色通道來顯示，右眼則以藍(lán)綠通道來顯示。觀察者通過佩戴紅藍(lán)眼鏡（左鏡片為紅色，右鏡片為青色）來觀看這類立體影片。這樣通過紅藍(lán)眼鏡的兩個(gè)不同顏色的鏡片過濾紅藍(lán)立體影片，將視頻中左右眼透視的圖像分離出來分別對(duì)應(yīng)顯示于觀察者左眼和右眼，從而顯示出立體的效果。這種紅藍(lán)立體的顯示技術(shù)是目前應(yīng)用很廣泛的一種技術(shù)，因?yàn)樗梢赃m用于各種彩色顯示媒介上，可以是電腦顯示器也可以是普通投影儀。然而，這種顯示技術(shù)的視覺質(zhì)量相對(duì)于其它立體顯示技術(shù)來說是相對(duì)較差的，因?yàn)橐环矫妫鋱D像質(zhì)量主要依賴于顯示媒介以及紅藍(lán)眼鏡的顏色純度，也就是說顯示媒介或者紅藍(lán)眼鏡的質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重影響最終觀看的效果；另一方面，雖然這種紅藍(lán)顯示技術(shù)可以產(chǎn)生比較明顯的立體效果，但是視頻中的顏色信息經(jīng)過紅藍(lán)眼鏡鏡片的過濾會(huì)有不同程度的缺失和偏差，嚴(yán)重影響觀看效果，而且長(zhǎng)時(shí)間觀看會(huì)造成人眼部的不適以及頭暈等癥狀。由于上述種種原因，這種紅藍(lán)顯示技術(shù)目前已經(jīng)在逐步退出歷史的舞臺(tái)，但不管怎樣，紅藍(lán)技術(shù)還是一種相對(duì)廉價(jià)和平民化的立體顯示技術(shù)。
2.2偏振立體顯示技術(shù) 當(dāng)前在影院中最廣泛使用的立體影片顯示技術(shù)是偏振投射技術(shù)。這種立體顯示技術(shù)需要配備兩臺(tái)高質(zhì)量的投影機(jī)（分別負(fù)責(zé)投射左眼和右眼的圖像）同時(shí)對(duì)齊聚焦投射在一個(gè)特制的金屬幕布（或稱為銀幕布—silver screen）上，并且在這兩臺(tái)投影機(jī)的輸出鏡頭前各自安置一塊矩形偏振片。而觀眾則佩戴偏振3D眼鏡來觀看影片。偏振3d眼鏡的兩個(gè)鏡片可以將投射在金屬幕布上的圖像還原為左眼和右眼圖像并分別獨(dú)立展現(xiàn)于觀眾的左眼和右眼，從而讓觀眾得到立體的視覺效果。這種立體圖像顯示技術(shù)相對(duì)于之前提到過的紅藍(lán)立體顯示技術(shù)而言優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，它可以非常完美的還原片源的色彩信息，能夠很好的保證圖像質(zhì)量以達(dá)到較好的觀看質(zhì)量。其缺點(diǎn)則在于價(jià)格上，由于這種顯示技術(shù)需要專門的金屬幕布，然而這種幕布的造價(jià)非常高昂，是一般平民百姓家里很難承受的，所以，這種技術(shù)現(xiàn)在基本都是應(yīng)用于各大影院中，很難走入尋常百姓家里。
2.3時(shí)分法顯示技術(shù) 時(shí)分法（有時(shí)也稱為時(shí)序法，場(chǎng)序法）也是當(dāng)前一種比較成熟的立體顯示技術(shù)。這種技術(shù)的原理是這樣的：左、右眼的透視圖像按一定的時(shí)序顯示在同一個(gè)顯示媒介上（通常為刷新率120 Hz的高頻3 D顯示器），觀察者則佩戴一副液晶快門3 D眼鏡來觀看。這種快門眼鏡的左右鏡片以一定的頻率（一般為60 Hz）快速的打開和關(guān)閉。這樣，當(dāng)顯示器在當(dāng)前時(shí)刻顯示的是左眼透視圖像時(shí)，快門眼鏡的左鏡片打開而右鏡片則關(guān)閉，在下一時(shí)刻顯示器則顯示右眼透視圖像，快門眼鏡則同步進(jìn)行開關(guān)：左鏡片關(guān)閉，右鏡片打開。由于此操作的頻率很高，人的眼睛并不能察覺出快門眼鏡鏡片的開關(guān)，同時(shí)觀察者的左眼和右眼會(huì)“同時(shí)”看到相應(yīng)透視視角的連續(xù)圖像，從而實(shí)現(xiàn)三維立體的效果。當(dāng)前比較成熟的技術(shù)產(chǎn)品是NVIDIA公司出品的3d vision產(chǎn)品。這種時(shí)序法的立體顯示技術(shù)目前主要是應(yīng)用于個(gè)人電腦數(shù)字娛樂領(lǐng)域，如電影和電腦游戲等。現(xiàn)在許多次世代游戲，如《極品飛車》、《波斯王子》、《刺客信條》等等都已經(jīng)開始支持這種3d顯示技術(shù)。通過這種技術(shù)，游戲玩家可以體驗(yàn)到一種更加真實(shí)、更加身臨其境的游戲樂趣。但是由于這種立體顯示技術(shù)所需要的硬件條件相對(duì)較高，所以當(dāng)前要普及這種技術(shù)可能還需要一段的時(shí)間。
3結(jié)束語
三維立體圖形圖像目前仍然是一個(gè)比較年輕的技術(shù)領(lǐng)域，也是當(dāng)前新媒體技術(shù)和數(shù)字娛樂等行業(yè)所關(guān)注的熱門焦點(diǎn)。筆者通過對(duì)當(dāng)前三維立體影片數(shù)字內(nèi)容的幾種主要制作方法及顯示技術(shù)的概括分析和研究，希望能達(dá)到一個(gè)拋磚引玉的作用。期待更多的人能投入到三維立體的研究中來，研發(fā)出更強(qiáng)大更成熟的立體圖像系統(tǒng)，創(chuàng)作出更加豐富多彩的立體三維影片和動(dòng)畫，為人們的生活增添更多的色彩和樂趣。
參考文獻(xiàn)
Korea. July 20-21,2000.
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