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3D立體電影製作原理

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發表於 2010-5-3 07:04:52 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

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什麼是3D電影?
  D是英文Dimension(線度、維)的字頭,3D是指3D立體空間。國際上是以3D電影來表示立體電影。
  人的視覺之所以能分辨遠近,是靠兩隻眼睛的差距。人的兩眼分開約5公分,兩隻眼睛除了瞄準正前方以外,看任何一樣東西,兩眼的角度都不會相同。雖然差距很小,但經視網膜傳到大腦裏,腦子就用這微小的差距,產生遠近的深度,從而產生立體感。一隻眼睛雖然能看到物體,但對物體遠近的距離卻不易分辨。根據這一原理,如果把同一景像,用兩隻眼睛視角的差距製造出兩個影像,然後讓兩隻眼睛一邊一個,各看到自己一邊的影像,透過視網膜就可以使大腦產生景深的立體感了。各式各樣的立體演示技術,也多是運用這一原理,我們稱其為“偏光原理”。

  3D立體電影的製作有多種形式,其中較為廣泛採用的是偏光眼鏡法。它以人眼觀察景物的方法,利用兩台並列安置的電影攝影機,分別代表人的左、右眼,同步拍攝出兩條略帶水準視差的電影畫面。放映時,將兩條電影影片分別裝入左、右電影放映機,並在放映鏡頭前分別裝置兩個偏振軸互成90度的偏振鏡。兩台放映機需同步運轉,同時將畫面投放在金屬銀幕上,形成左像右像雙影。當觀眾戴上特製的偏光眼鏡時,由於左、右兩片偏光鏡的偏振軸互相垂直,並與放映鏡頭前的偏振軸相一致;致使觀眾的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像,通過雙眼彙聚功能將左、右像迭和在視網膜上,由大腦神經產生3D立體立體的視覺效果。展現出一幅幅連貫的立體畫面,使觀眾感到景物撲面而來、或進入銀幕深凹處,能產生強烈的“身臨其境”感。

    3D立體立體電影,即我們常說的4D電影,是立體電影和特技影院結合的產物。隨著3D立體軟體在國內越來越廣泛的應用,4D電影也得到了飛速的發展。運用3D立體軟體製作立體電影有其獨特的優勢,如3D立體場景本身就具有立體特性,與立體成像相關的各種參數非常容易在軟體環境中調節等。本文具體講解了3D立體立體電影製作的原理及常見問題的解決方法,以後我們還會在具體的製作方面繼續探討,希望廣大對立體電影感興趣的朋友不要錯過。

 4D電影是立體電影和特技影院結合的產物。除了立體的視覺畫面外,放映現場還能模擬閃電、煙霧、雪花、氣味等自然現象,觀眾的座椅還能產生下墜、震動、噴風、噴水、掃腿等動作。這些現場特技效果和立體畫面與劇情緊密結合,在視覺和身體體驗上給觀眾帶來全新的娛樂效果,猶如身臨其境,緊張刺激。

 4D影院最早出現在美國,如著名的蜘蛛人、飛躍加州、T2等項目,都廣泛採用了4D電影的形式。近年來,隨著3D立體軟體廣泛運用於立體電影的製作,4D電影在國內也得到了飛速的發展,畫面效果和現場特技的製作水準都有了長足的進步,先後在深圳、北京、上海、大連、成都等地出現了幾十家4D影院。這些影院大都出現在各種主題公園(樂園)、科普場所中,深受觀眾和遊客的喜愛。

  運用3D立體軟體製作立體電影有其獨特的優勢,如3D立體場景本身就具有立體特性,與立體成像相關的各種參數非常容易在軟體環境中調節等。所以,電腦3D立體技術應用於影視行業後,很快就出現了3D立體立體電影,如大家俗稱的3D電影、4D電影。美國狄斯奈樂園中的蜘蛛俠(SpiderMan),更是解決了“3D立體立體跟蹤渲染”技術,使畫面中的立體場景能夠根據遊客的運動軌跡自動地轉換透視關係,能夠適時地保持虛景(3D立體畫面)和實景(現場佈景)一致和連續的透視關係,大大提高了畫面的真實感。那麼,怎樣運用3D立體軟體來製作立體電影?製作過程中要注意哪些問題?本文將通過對3D立體立體電影的製作原理的詳細分析,探討一些常見問題的解決方法。

人眼的立體成像原理
  在現實生活中,人們通過眼睛觀察的周圍環境之所以是立體的,是因為人的兩隻眼睛所處的空間位置不同,可以從兩個不同的視角同時獲得兩幅不同的場景影像,人的大腦對這兩幅影像進行處理後,不僅能分辨出所觀察物體的顏色、質感等光學資訊,還能根據兩幅圖像的差異判斷出物體與雙眼的距離等空間資訊。這樣一幅立體的畫面就呈現在腦海中。


圖1 人眼的立體成像原理

利用3D立體軟體形成立體圖像
  利用3D立體軟體製作立體電影,需分別考慮兩個環節,即3D立體環節和放映環節。在3D立體軟體中(圖2a),為了模擬雙眼的立體成像原理,必須用兩個攝影機同時渲染場景,這兩個攝影機的相對位置,應儘量與人的兩眼的相對位置一致,它們的間距稱為鏡距(camWide)。通常,我們將其中一個攝影機命名為LCam,它位於相當於人左眼的位置上,物體A經它渲染後,所形成的圖元位於其渲染平面的Al處;另一個攝影機命名為RCam,它位於相當於人右眼的位置上,物體A經它渲染後,所形成的圖元位於其渲染平面的Ar處。

  從圖中可以明顯看到,由於兩攝影機的位置不同,它們分別渲染的場景會有少許差別。有些讀者認為這兩幅畫面僅僅是“錯位”了,因而認為將任何一幅畫面經錯位處理後就能形成立體畫面。實際上並非如此簡單,經Lcam和Rcam所渲染的圖像,雖然看起來差異不大,但它們卻包含著不同的透視資訊,這才是形成立體視覺的關鍵元素。


圖2 3D立體軟體中的立體渲染鏡頭,及物體A的渲染過程


圖3 放映環境中觀眾的雙眼和螢幕,及A`的成像過程

在放映環境中(圖2b),當把兩攝影機所渲染的畫面同步投放到同一螢幕上時,必須採取適當的畫面分離技術,使觀眾的左眼只能看到Lcam渲染的畫面,而右眼只能看到Rcam渲染的畫面。常用的畫面分離方式有“偏振光式”和“液晶光閥式”,兩種方式都需要配戴眼鏡來協助分離畫面。如用裸眼會看到畫面呈雙影,沒有立體效果。

  在播放環境中,用兩放映機分別將兩渲染面投放到同一螢幕上,圖元Al和Ar出現在圖2b中螢幕的不同位置,通過畫面分離技術,Al只能被觀眾的左眼看見,Ar只能被右眼看見,兩眼視線交叉於A`。觀眾感知的A已不在螢幕上(即已“出屏”),形成了一個有距離資訊的立體像A`。這樣,3D立體場景中的物體A,就立體地還原在觀眾眼前。這就是3D立體立體電影的製作原理。

如何準確地控制“出屏”的距離

  在實際應用中,經常會出現一些困惑:在3D立體場景中,即使物體A已經離渲染鏡頭很近了(如已經小於30cm了),但實際放映時,仍覺得想A`“出屏”不夠,沒有“觸手可得”的效果。相反的情況也時有發生,即觀眾覺得像A`太近,導致脹眼和無法聚焦。

  所以,如何在製作環節中控制最終的“出屏”效果就顯得非常必要。在3D立體立體電影的製作中,我們經常追求“觸手可及”的效果,這個距離約為30cm—50cm。我們對比3D立體環節和放映環節,當螢幕對觀眾眼睛的張角β與在3D立體軟體中鏡頭的水準張角α相等,且渲染鏡頭的鏡距camWide與觀眾兩眼的距離eyeWide相等時,即β=α,且eyeWide=camWide時,則D`=D。也就是說,此時可以通過控制3D立體軟體中物體A與渲染鏡頭的距離D,在播放時精確地定位A`到觀眾的距離。實現了在3D立體環境中的“可見”,即實現了播放環境中的“可得”。


圖4 在3D立體環境和放映環境中,當camWide=eyeWide,且β=α時,則D=D`,所見即所得。

  可見,放映環境與3D立體環境的一致,給精確定位A`提供了最好的操作性。在這樣的環境下,3D立體製作人員在製作階段就能很清楚地預估最終的“出屏”效果。然而在現實工作中,放映環境和3D立體環境一致的要求並不能總被滿足。如各影院的螢幕有大有小,觀眾離螢幕的距離有遠有近,觀眾相對于螢幕可居中可偏離等等。各種影院環境對觀眾的影響,最終產生兩個變化:螢幕對觀眾的張角β和螢幕對觀眾的錯切變化。錯切是由於觀眾偏離螢幕中軸產生的圖像變化,其影響並不大,不容易被感知。因此,下面僅討論β的變化對立體效果的影響。

  當觀眾離螢幕過遠,或螢幕不夠大時,會導致βα。這時,從圖4中可以看到,因為螢幕變小,使Al`和Ar`間的距離等比例縮小,成像交叉點A`縮回,使得D`D,削弱了“出屏”效果,觀眾覺得物體飛不到眼前,沒有“觸手可及”的衝動。


圖5 在3D立體環境和放映環境中,當βα時,則D`D,削弱了“出屏”效果。

  為避免上述情況的發生,可讓觀眾適當靠近螢幕,或增大螢幕尺寸。通常大螢幕的立體效果較小螢幕好,其原因就是大螢幕會產生較大的β角。此外,還可以增加渲染鏡頭的鏡距(camWide)。從圖5可以看到,在3D立體環境中增大camWide,使camWideeyeWide,Al`和Ar`間的距離會變大,成像交叉點A`前移,使得D`D,增強了“出屏”效果。

  在βα的情況下,增大camWide所產生的A`前移,會適當彌補β過小所產生的回縮。

  圖5當camWide增大時,則D`D,增強了“出屏”效果。當βα時,會出現相反的情況,即D`D。觀眾可能會覺得聚焦困難、脹眼。解決的辦法是減小camWide或減小螢幕。

改善“出屏”效果不足的幾點建議
  由於3D立體製作環節與實際播放的時間跨度較大,當在播放環節發現立體效果不好時,實際已很難再回到3D立體環節重新調整和修改了。因此,有必要找到一種能在3D立體製作階段就可以準確預估到播放效果的方法。從上面的分析我們可以看到,最好的方法就是實現3D立體環境與播放環境在尺寸、比例上的一致性。簡單講,就是盡可能保證β=α及eyeWide=camWide,這樣就可在製作時做到“所見即所得”。

  在實際案例中,β=α是很難保證的。在3D立體環境中,由於畫面構圖的需要,α通常被設置在40°-75°之間。而在影院中,β超過50°的機會並不多,所以βα出現的幾率較大。此時,為彌補物體“出屏”不足的問題,在製作時,增大LCam和RCam的間距(camWide),通常是比較有效的方法。事實上,在絕大多數情況下,增大camWide都能改善場景的立體效果,而不會改變β和α的大小關係,因此應是首選的方法。

  此外,如物體的體積足夠小,可將物體儘量靠近渲染鏡頭以減小D,最近距離可突破20cm。這樣,即使播放環境的βα,也可以保證D`在30cm-50cm之間,有很好的“觸手可及”的效果。然而物體一般都具有一定的體積,靠近的程度也會有限,還得依靠增大camWide來彌補立體效果的不足。

  綜上所述,保持3D立體環境和放映環境的一致是最佳的選擇。考慮到有些放映環境可能會削弱立體效果,可適當增大鏡距(camWide),使camWideeyeWide。如讓camWide在7cm-12cm之間。其次,考慮將物體移近攝影機(減小D),使成像點D`恢復到30cm-50cm的最佳區間。

  在立體電影的大規模團隊製作過程中,渲染鏡頭最好由專人製作。增加幾個反映放映環境的屬性(如螢幕大小、觀眾離螢幕的距離、觀眾的瞳距等),用運算式的方式給出現場資料與渲染鏡頭相應屬性間的函數關係。這樣不僅能做到統一控制,還能做到調整簡便,保證每組畫面的立體效果。

  除上述因素外,畫面的許多藝術因素對立體效果也非常重要,例如物體運動的速度和方向,鏡頭前各物體的擺放層次,物體出屏的位置和方向等,這些問題都需要我們在製作中逐步地積累經驗。
發表於 2010-5-5 02:00:52 | 顯示全部樓層
3d果然是個複雜的東西~~多謝提供資訊~~
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發表於 2010-5-24 17:10:08 | 顯示全部樓層
敬愛的司令  真是辛苦您了 整理出如此詳盡的資料  圖文並茂   但是看不到圖ㄚ  可以請您幫幫忙嗎?   一個新人的請求 叩首
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發表於 2011-12-7 18:58:10 | 顯示全部樓層
Thanks for the info, if the pictures are not dead, that will definitely help to understand better. Is it possible to reload the picture?
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發表於 2012-4-11 10:43:47 | 顯示全部樓層
謝謝您的分享!
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發表於 2012-5-11 18:00:23 | 顯示全部樓層
受教了...感謝您的教學
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發表於 2012-12-13 16:20:43 | 顯示全部樓層
受益良多~對人眼的構造增進不少
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發表於 2015-2-16 18:59:52 | 顯示全部樓層
但紅藍眼鏡…原理也一樣??
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 樓主| 發表於 2015-2-16 19:43:42 | 顯示全部樓層
紅藍眼睛是觀賞3D影片的方式之一,與拍攝無關。
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發表於 2015-2-18 19:37:12 | 顯示全部樓層
以前真不會設定…受益良多
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發表於 2015-3-2 10:03:48 | 顯示全部樓層
謝謝您了 我可以每天在這裏看到一些關於這方面的知識
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發表於 2015-3-2 19:32:47 | 顯示全部樓層
明白小小…希望多看看…能夠明白
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發表於 2015-3-10 15:09:19 | 顯示全部樓層
喜欢~好地方!
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