立体影片的主流制作方法及显示技术研究

摘　要：三维立体动画和影片对生活在二十一世纪的人们来说已经并不陌生，其富于纵深感、立体感以及令人身临其境的视觉效果无疑已经使之成为数字时代的新宠。本文将主要探讨几种主要的立体影片数字内容的制作方法，以及当前比较流行的几种三维显示技术及其应用。

关键词：三维立体； 立体影片； 三维动画； 显示技术

   所谓三维立体（Stereoscopic 3D），指的是一种能在平面的图像媒介中生成或增强三维纵深感的假象的技术。通过这种技术，两幅有少量透视视角偏移的图像被分别显示于观察者的左眼和右眼，然后这两幅偏移图像分别通过左右眼的视网膜传导入大脑并重新合成在一起，从而产生了三维立体的视觉感受。
    值得一提的是，随着科技的不断进步和发展，三维立体技术也在不断保持快速的革新和发展，直至今日，已经有层出不穷的三维立体图像生成及展示的技术出现在人们视野之中。然而限于文章的篇幅，笔者不能将当前所有相关的技术的方方面面都概括进来，只能针对今天比较主流、流行的一些制作方法和相关技术进行分析和探讨。
本文主要分为两大部分：其一，分两方面（实拍影片和三维动画）对三维立体数字内容的制作方法进行探讨；其二，介绍当前几种主流的三维立体图像显示技术及其应用。
1 三维立体影片数字内容的几种主要制作方法
1.1 实拍立体视频影片   根据之前提到的三维立体图像的概念，我们知道，看到三维立体效果的关键在于要让人的左眼和右眼分别看到各自相应的透视视角图像。因此在拍摄立体影片的时候，我们需要架设两台相同的摄像机以模拟人类的双眼，并将其并排固定在云台上。在录制过程中，导演也会使用相应的双视角监视器来观察两台摄像机拍摄出的两个视角的画面。随着技术的不断发展，专业的三维立体摄影机也应运而生并且快速普及到电影、电视的拍摄中。其中最著名的经典案例莫过于2010年初上映的科幻电影《阿凡达》了。影片采用詹姆斯.卡梅隆自主研发的三维摄影机进行拍摄，而这项技术的发展也历经多年。早在2000年的时候，卡梅隆和拍档文斯.佩斯就开始在索尼公司的支持下开发一套全新的摄影系统，这种系统使用两台索尼HDCF950 HD摄像机进行拍摄，目的是创造出具有立体实感的环境，这便是后来的三维虚拟影像撷取摄影系统(Fusion 3-D Camera System)。在2003年二人合作的IMAX电影《深渊幽灵》中，这项技术首次得到应用。随后，卡梅隆还让同行帮他测试这套技术，著名导演罗伯特.罗德里格兹在《非常小特务3D》和《立体小奇兵》就进行了尝试，之后绝大部分的三维立体电影也都是采用这种方法拍摄的，如《地心游记3D》、《麦莉.赛勒斯演唱会纪实》等。在过去几年中，卡梅隆不断在对这项技术进行完善，使之呈现出更强更富于动感的立体效果，而同时又不会令观众头晕。随着多次实验与应用，这项技术日渐成熟，最终被运用到《阿凡达》的拍摄中。而在我国，三维立体技术的应用也越来越普及，例如2012年的中央电视台春节联欢晚会就首次使用了专业的双镜头三维摄像机进行录制，让观众看到了一个不一样的春晚。
1.2 CG立体动画影片   制作立体动画影片的原理和制作实拍的立体视频其实有着许多共同之处。其最大的相同点就是在于，同样需要架设两个摄像机来模拟人的左右眼，并通过这两台摄像机来渲染输出两幅有一定透视角度偏移的左、右眼图像。不同的是，这里用到的摄像机并非实体的真实摄像机，而是三维动画软件中的虚拟摄像机。
　　在今天主流的三维动画设计软件中，例如Lightwave 3D，Maya，3DS MAX等基本都提供了专门的虚拟立体摄像机（Stereoscopic Camera）。其中MAYA软件中的立体摄像机可以直接以红蓝方式在三维视图中预览出来，艺术家和动画师只需带上红蓝立体眼镜就可以非常方便的实时观察所制作出来的立体效果。笔者将重点介绍在当前应用非常广泛的三维软件3ds max中制作立体动画的方法。
　　在3ds max软件（后文简称MAX）中(截止至2012版本)并未直接提供现成的立体摄像机，所以比较初级的做法是建立两个平行且朝向一致的自由摄像机（free camera），并在两者之间创建一个dummy物体或者point物体之类的辅助物体，然后将两个摄像机通过link父子链接工具链接到这个虚拟物体上。这样通过移动或旋转虚拟物体，就可以同时控制两个摄像机的位置和朝向。如果觉得这样的设定提供给动画师的功能和控制（尤其对瞳距—即两摄像机间距的控制）过少的话，可以通过MAXScript脚本语言对摄像机和虚拟物体进行一些编程控制，以增加此双摄像机设定的功能性和可控性。
　　然而，上述的方法并不适合于大多数的用户，操作起来也多有不便。但是幸运的是，在目前非常流行的第三方渲染插件Vray（2.0版本）中提供了两种非常强大而方便的立体摄像机系统。
　　第一种系统是VrayStereoRig。在MAX的创建面板的系统项（system）中切换至Vray，会发现里面提供了一个名为VrayStereoRig的工具。使用这个工具可以在视图中创建出已经绑定好的三架平行且朝向间隔一致的自由摄像机，其中中间的摄像机为主控机位，通过选择移动它可以同时控制它两侧的左右眼摄像机，同时通过水平移动任意一侧的摄像机即可方便的调整摄像机之间的间距。这种立体摄像机系统虽然比用户自己手工绑定创建的摄像机系统更加简单易用，但是也存在一些不足之处：首先，此系统无法量化控制瞳距参数和立体摄像机其他相关属性；其次，在渲染输出的时候只能分别渲染左、右眼摄像机视图，输出为两套图像视频或图片序列，而不能直接输出为常见的左右格式或上下格式的视频，在最终播放的时候会有些不便。
　　第二种系统是在MAX的帮助物体（helpers）的Vray工具组中的VrayStereoscopic工具。只要在场景中创建一个VrayStereoscopic帮助物体，就可以自动将场景中的目标摄像机或者自由摄像机转为立体模式，而无需创建多余的左右眼摄像机，通过控制一个摄像机即可以生成左右眼的透视偏差图像。同时这种系统还提供了很多参数化的控制，例如eye distance参数可以量化的控制“两眼”的距离（即瞳距，瞳距的大小直接影响立体效果的好坏），focus distance参数可以调整摄像机的焦距（此处即等同于零视觉交叉平面的位置，此参数可决定场景中物体的深度情况，如某物体在此交叉平面的前面，此物体则显示为“出画”的效果）。这种立体系统还有一个很大的 优势就是，如果在渲染设置中选用VRAY的帧缓存frame buffer,则可以在渲染的过程中直接将动画输出为左右格式的视频或图像序列，并且在Vray的帧缓存窗口中直接用红蓝方式预览立体效果。由此可见，VrayStereoscopic是一个功能非常强大，使用非常便捷的立体摄像系统。
1.3 立体影片的播放   无论是实拍的立体视频还是电脑制作的CG立体动画，我们最终得到的片源一般包括以下几种常见形式：1）分离的左右眼视频或图像序列（左、右眼分别一套文件）；2）上下格式文件：将左眼和右眼的图像按上下方式拼接在一起形成一个单一视频或图像序列；3）左右格式：将左右眼的图像按左右方式拼接。但是要想看到立体的影片，无论是采用红蓝显示技术还是偏振技术，都需要使用一个专门的软件来播放处理这些视频。目前非常流行的播放软件是Stereoscopic Player，它可以按左右眼通道分别导入相应的透视图像，也可以直接读取上下格式或是左右格式的图像，并对这些图像进行处理和播放，最终可以按照红蓝方式显示，也可以将左右眼图像信息分离并分别输出到两个视频信号以供诸如偏振法等显示技术使用。
2 立体视频的几种主要显示技术
2.1 红蓝立体显示技术（色分法）   这种立体图像显示技术是通过使用颜色来分离左右眼两个不同的透视图像的。通常左眼透视图像以红色通道来显示，右眼则以蓝绿通道来显示。观察者通过佩戴红蓝眼镜（左镜片为红色，右镜片为青色）来观看这类立体影片。这样通过红蓝眼镜的两个不同颜色的镜片过滤红蓝立体影片，将视频中左右眼透视的图像分离出来分别对应显示于观察者左眼和右眼，从而显示出立体的效果。这种红蓝立体的显示技术是目前应用很广泛的一种技术，因为它可以适用于各种彩色显示媒介上，可以是电脑显示器也可以是普通投影仪。然而，这种显示技术的视觉质量相对于其它立体显示技术来说是相对较差的，因为一方面，其图像质量主要依赖于显示媒介以及红蓝眼镜的颜色纯度，也就是说显示媒介或者红蓝眼镜的质量会严重影响最终观看的效果；另一方面，虽然这种红蓝显示技术可以产生比较明显的立体效果，但是视频中的颜色信息经过红蓝眼镜镜片的过滤会有不同程度的缺失和偏差，严重影响观看效果，而且长时间观看会造成人眼部的不适以及头晕等症状。由于上述种种原因，这种红蓝显示技术目前已经在逐步退出历史的舞台，但不管怎样，红蓝技术还是一种相对廉价和平民化的立体显示技术。
2.2 偏振立体显示技术   当前在影院中最广泛使用的立体影片显示技术是偏振投射技术。这种立体显示技术需要配备两台高质量的投影机（分别负责投射左眼和右眼的图像）同时对齐聚焦投射在一个特制的金属幕布（或称为银幕布—silver screen）上，并且在这两台投影机的输出镜头前各自安置一块矩形偏振片。而观众则佩戴偏振3D眼镜来观看影片。偏振3d眼镜的两个镜片可以将投射在金属幕布上的图像还原为左眼和右眼图像并分别独立展现于观众的左眼和右眼，从而让观众得到立体的视觉效果。这种立体图像显示技术相对于之前提到过的红蓝立体显示技术而言优势是显而易见的，它可以非常完美的还原片源的色彩信息，能够很好的保证图像质量以达到较好的观看质量。其缺点则在于价格上，由于这种显示技术需要专门的金属幕布，然而这种幕布的造价非常高昂，是一般平民百姓家里很难承受的，所以，这种技术现在基本都是应用于各大影院中，很难走入寻常百姓家里。
2.3 时分法显示技术   时分法（有时也称为时序法，场序法）也是当前一种比较成熟的立体显示技术。这种技术的原理是这样的：左、右眼的透视图像按一定的时序显示在同一个显示媒介上（通常为刷新率120 Hz的高频3 D显示器），观察者则佩戴一副液晶快门3 D眼镜来观看。这种快门眼镜的左右镜片以一定的频率（一般为60 Hz）快速的打开和关闭。这样，当显示器在当前时刻显示的是左眼透视图像时，快门眼镜的左镜片打开而右镜片则关闭，在下一时刻显示器则显示右眼透视图像，快门眼镜则同步进行开关：左镜片关闭，右镜片打开。由于此操作的频率很高，人的眼睛并不能察觉出快门眼镜镜片的开关，同时观察者的左眼和右眼会“同时”看到相应透视视角的连续图像，从而实现三维立体的效果。当前比较成熟的技术产品是NVIDIA公司出品的3d vision产品。这种时序法的立体显示技术目前主要是应用于个人电脑数字娱乐领域，如电影和电脑游戏等。现在许多次世代游戏，如《极品飞车》、《波斯王子》、《刺客信条》等等都已经开始支持这种3d显示技术。通过这种技术，游戏玩家可以体验到一种更加真实、更加身临其境的游戏乐趣。但是由于这种立体显示技术所需要的硬件条件相对较高，所以当前要普及这种技术可能还需要一段的时间。
3 结束语
     三维立体图形图像目前仍然是一个比较年轻的技术领域，也是当前新媒体技术和数字娱乐等行业所关注的热门焦点。笔者通过对当前三维立体影片数字内容的几种主要制作方法及显示技术的概括分析和研究，希望能达到一个抛砖引玉的作用。期待更多的人能投入到三维立体的研究中来，研发出更强大更成熟的立体图像系统，创作出更加丰富多彩的立体三维影片和动画，为人们的生活增添更多的色彩和乐趣。
  
参考文献
.Korea. July 20-21,2000.