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立體影片的主流制作方法及顯示技術研究論文
摘 要：三維立體動畫和影片對生活在二十一世紀的人們來說已經并不陌生，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使之成為數字時代的新寵。本文將主要探討幾種主要的立體影片數字內容的制作方法，以及當前比較流行的幾種三維顯示技術及其應用。
關鍵詞：三維立體； 立體影片； 三維動畫； 顯示技術
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三維縱深感的假象的技術。通過這種技術，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膜傳導入大腦并重新合成在一起，從而產生了三維立體的視覺感受。
值得一提的是，隨著科技的不斷進步和發展，三維立體技術也在不斷保持快速的革新和發展，直至今日，已經有層出不窮的三維立體圖像生成及展示的技術出現在人們視野之中。然而限于文章的篇幅，筆者不能將當前所有相關的技術的方方面面都概括進來，只能針對今天比較主流、流行的一些制作方法和相關技術進行分析和探討。
本文主要分為兩大部分：其一，分兩方面（實拍影片和三維動畫）對三維立體數字內容的制作方法進行探討；其二，介紹當前幾種主流的三維立體圖像顯示技術及其應用。
1三維立體影片數字內容的幾種主要制作方法
1.1實拍立體視頻影片 根據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鍵在于要讓人的左眼和右眼分別看到各自相應的透視視角圖像。因此在拍攝立體影片的時候，我們需要架設兩臺相同的攝像機以模擬人類的雙眼，并將其并排固定在云臺上。在錄制過程中，導演也會使用相應的雙視角監視器來觀察兩臺攝像機拍攝出的兩個視角的畫面。隨著技術的不斷發展，專業的三維立體攝影機也應運而生并且快速普及到電影、電視的拍攝中。其中最著名的經典案例莫過于2010年初上映的科幻電影《阿凡達》了。影片采用詹姆斯.卡梅隆自主研發的三維攝影機進行拍攝，而這項技術的發展也歷經多年。早在2000年的時候，卡梅隆和拍檔文斯.佩斯就開始在索尼公司的支持下開發一套全新的攝影系統，這種系統使用兩臺索尼HDCF950 HD攝像機進行拍攝，目的是創造出具有立體實感的環境，這便是后來的三維虛擬影像擷取攝影系統(Fusion 3-D Camera System)。在2003年二人合作的IMAX電影《深淵幽靈》中，這項技術首次得到應用。隨后，卡梅隆還讓同行幫他測試這套技術，著名導演羅伯特.羅德里格茲在《非常小特務3D》和《立體小奇兵》就進行了嘗試，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.賽勒斯演唱會紀實》等。在過去幾年中，卡梅隆不斷在對這項技術進行完善，使之呈現出更強更富于動感的立體效果，而同時又不會令觀眾頭暈。隨著多次實驗與應用，這項技術日漸成熟，最終被運用到《阿凡達》的拍攝中。而在我國，三維立體技術的應用也越來越普及，例如2012年的中央電視臺春節聯歡晚會就首次使用了專業的雙鏡頭三維攝像機進行錄制，讓觀眾看到了一個不一樣的春晚。
1.2CG立體動畫影片 制作立體動畫影片的原理和制作實拍的立體視頻其實有著許多共同之處。其最大的相同點就是在于，同樣需要架設兩個攝像機來模擬人的左右眼，并通過這兩臺攝像機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，這里用到的攝像機并非實體的真實攝像機，而是三維動畫軟件中的虛擬攝像機。
在今天主流的三維動畫設計軟件中，例如Lightwave 3D，Maya，3DS MAX等基本都提供了專門的虛擬立體攝像機（Stereoscopic Camera）。其中MAYA軟件中的立體攝像機可以直接以紅藍方式在三維視圖中預覽出來，藝術家和動畫師只需帶上紅藍立體眼鏡就可以非常方便的實時觀察所制作出來的立體效果。筆者將重點介紹在當前應用非常廣泛的三維軟件3ds max中制作立體動畫的方法。
在3ds max軟件（后文簡稱MAX）中(截止至2012版本)并未直接提供現成的立體攝像機，所以比較初級的做法是建立兩個平行且朝向一致的自由攝像機（free camera），并在兩者之間創建一個dummy物體或者point物體之類的輔助物體，然后將兩個攝像機通過link父子鏈接工具鏈接到這個虛擬物體上。這樣通過移動或旋轉虛擬物體，就可以同時控制兩個攝像機的位置和朝向。如果覺得這樣的設定提供給動畫師的功能和控制（尤其對瞳距—即兩攝像機間距的控制）過少的話，可以通過MAXScript腳本語言對攝像機和虛擬物體進行一些編程控制，以增加此雙攝像機設定的功能性和可控性。
然而，上述的方法并不適合于大多數的用戶，操作起來也多有不便。但是幸運的是，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大而方便的立體攝像機系統。
第一種系統是VrayStereoRig。在MAX的創建面板的系統項（system）中切換至Vray，會發現里面提供了一個名為VrayStereoRig的工具。使用這個工具可以在視圖中創建出已經綁定好的三架平行且朝向間隔一致的自由攝像機，其中中間的攝像機為主控機位，通過選擇移動它可以同時控制它兩側的左右眼攝像機，同時通過水平移動任意一側的攝像機即可方便的調整攝像機之間的間距。這種立體攝像機系統雖然比用戶自己手工綁定創建的攝像機系統更加簡單易用，但是也存在一些不足之處：首先，此系統無法量化控制瞳距參數和立體攝像機其他相關屬性；其次，在渲染輸出的時候只能分別渲染左、右眼攝像機視圖，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，在最終播放的時候會有些不便。
第二種系統是在MAX的幫助物體（helpers）的Vray工具組中的VrayStereoscopic工具。只要在場景中創建一個VrayStereoscopic幫助物體，就可以自動將場景中的目標攝像機或者自由攝像機轉為立體模式，而無需創建多余的左右眼攝像機，通過控制一個攝像機即可以生成左右眼的透視偏差圖像。同時這種系統還提供了很多參數化的控制，例如eye distance參數可以量化的控制“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參數可以調整攝像機的焦距（此處即等同于零視覺交叉平面的位置，此參數可決定場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）。這種立體系統還有一個很大的優勢就是，如果在渲染設置中選用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方式預覽立體效果。由此可見，VrayStereoscopic是一個功能非常強大，使用非常便捷的立體攝像系統。
1.3立體影片的播放 無論是實拍的立體視頻還是電腦制作的CG立體動畫，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，無論是采用紅藍顯示技術還是偏振技術，都需要使用一個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入相應的透視圖像，也可以直接讀取上下格式或是左右格式的圖像，并對這些圖像進行處理和播放，最終可以按照紅藍方式顯示，也可以將左右眼圖像信息分離并分別輸出到兩個視頻信號以供諸如偏振法等顯示技術使用。
2立體視頻的幾種主要顯示技術
2.1紅藍立體顯示技術（色分法） 這種立體圖像顯示技術是通過使用顏色來分離左右眼兩個不同的透視圖像的。通常左眼透視圖像以紅色通道來顯示，右眼則以藍綠通道來顯示。觀察者通過佩戴紅藍眼鏡（左鏡片為紅色，右鏡片為青色）來觀看這類立體影片。這樣通過紅藍眼鏡的兩個不同顏色的鏡片過濾紅藍立體影片，將視頻中左右眼透視的圖像分離出來分別對應顯示于觀察者左眼和右眼，從而顯示出立體的效果。這種紅藍立體的顯示技術是目前應用很廣泛的一種技術，因為它可以適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，這種顯示技術的視覺質量相對于其它立體顯示技術來說是相對較差的，因為一方面，其圖像質量主要依賴于顯示媒介以及紅藍眼鏡的顏色純度，也就是說顯示媒介或者紅藍眼鏡的質量會嚴重影響最終觀看的效果；另一方面，雖然這種紅藍顯示技術可以產生比較明顯的立體效果，但是視頻中的顏色信息經過紅藍眼鏡鏡片的過濾會有不同程度的缺失和偏差，嚴重影響觀看效果，而且長時間觀看會造成人眼部的不適以及頭暈等癥狀。由于上述種種原因，這種紅藍顯示技術目前已經在逐步退出歷史的舞臺，但不管怎樣，紅藍技術還是一種相對廉價和平民化的立體顯示技術。
2.2偏振立體顯示技術 當前在影院中最廣泛使用的立體影片顯示技術是偏振投射技術。這種立體顯示技術需要配備兩臺高質量的投影機（分別負責投射左眼和右眼的圖像）同時對齊聚焦投射在一個特制的金屬幕布（或稱為銀幕布—silver screen）上，并且在這兩臺投影機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立展現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相對于之前提到過的紅藍立體顯示技術而言優勢是顯而易見的，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量以達到較好的觀看質量。其缺點則在于價格上，由于這種顯示技術需要專門的金屬幕布，然而這種幕布的造價非常高昂，是一般平民百姓家里很難承受的，所以，這種技術現在基本都是應用于各大影院中，很難走入尋常百姓家里。
2.3時分法顯示技術 時分法（有時也稱為時序法，場序法）也是當前一種比較成熟的立體顯示技術。這種技術的原理是這樣的：左、右眼的透視圖像按一定的時序顯示在同一個顯示媒介上（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）快速的打開和關閉。這樣，當顯示器在當前時刻顯示的是左眼透視圖像時，快門眼鏡的左鏡片打開而右鏡片則關閉，在下一時刻顯示器則顯示右眼透視圖像，快門眼鏡則同步進行開關：左鏡片關閉，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，同時觀察者的左眼和右眼會“同時”看到相應透視視角的連續圖像，從而實現三維立體的效果。當前比較成熟的技術產品是NVIDIA公司出品的3d vision產品。這種時序法的立體顯示技術目前主要是應用于個人電腦數字娛樂領域，如電影和電腦游戲等。現在許多次世代游戲，如《極品飛車》、《波斯王子》、《刺客信條》等等都已經開始支持這種3d顯示技術。通過這種技術，游戲玩家可以體驗到一種更加真實、更加身臨其境的游戲樂趣。但是由于這種立體顯示技術所需要的硬件條件相對較高，所以當前要普及這種技術可能還需要一段的時間。
3結束語
三維立體圖形圖像目前仍然是一個比較年輕的技術領域，也是當前新媒體技術和數字娛樂等行業所關注的熱門焦點。筆者通過對當前三維立體影片數字內容的幾種主要制作方法及顯示技術的概括分析和研究，希望能達到一個拋磚引玉的作用。期待更多的人能投入到三維立體的研究中來，研發出更強大更成熟的立體圖像系統，創作出更加豐富多彩的立體三維影片和動畫，為人們的生活增添更多的色彩和樂趣。
參考文獻
Korea. July 20-21,2000.
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