3D影像技术原理与制作

李东冬,刘觉敏

（南京视觉艺术职业学院，南京,211215）

3D影像技术原理与制作

李东冬,刘觉敏

（南京视觉艺术职业学院，南京,211215）

近年来，随着《地心历险记》、《阿凡达》、《功夫熊猫》等一批数字3D影片的成功推出，获得了观众的极大青睐。特别卡梅隆执导的《阿凡达》，凭借着引人人胜的3D立体影像，为我们创造了一个美轮美奂的潘多拉星球，使观影者身临其境地进入了一个梦幻般的世界，从而获得了全球亿万观众赞赏的掌声，创造了史无前例的票房记录。与此同时，在电视领域，各家电视生产厂商都紧跟时代潮流，早早推出了各自的3D电视机产品。国家广电总局也联合包括央视在内的国内6家电视台在2012年1月1号开播了3D实验频道，每天播出13.5个小时的3D电视节目。另外一些诸如伦敦奥运会、央视春晚等大型活动也已涵盖了3D视频的播出方式，数字3D技术业已成为业界持续关注的热点技术。3D影视是影像技术发展的革命性成果，它在很大程度上提高了人们对视觉艺术的认识水平，让观众有身临其境的震撼感。

3D影像制作;硬件;软件;匹配

1 3D立体重现原理

所谓3D立体电影，正是以双目立体视觉为基础而完成摄制与放映的。从原理上说，就是用两台摄影机，以一定的视觉夹角，得到两个具有一定视差的影像，从而模仿现实世界中人眼观看物体的方式。影像通过大脑的解析，使我们感知到了一个三维世界的深度，即画面中物体的出屏或进入屏幕深处，这就是所谓的3D立体影像重现原理。这一点类似于我们对立体声音响的感知，即通过左右耳听到不同声道喇叭发出的声音就可以重现声音的方位感。

2 3D视频制作技巧

相比于传统的2D视频制作，3D视频对于前期拍摄、后期制作等技术环节的要求亦显得格外严格。

从拍摄设备上说，目前的3D摄像机可以分为双机双镜头式3D摄像机和3D摄录一体机。前者是采用两台独立的2D摄像机经过同步设计之后，安装在支架上成为一部3D摄像机，其排列方式分为水平支架式和垂直支架式两种，水平支架式摄像机其摆放方式为平行放置，但由于两个机器及镜头本身体积都比较大，很难使镜头之间的距离缩小至人眼的平均距离（60-65mm），在拍摄远距离时没什么问题，但在拍摄近距离物体的时候，由于镜头间距离过大，画面会出现重影以及胀眼等不适感。所以在实际应用中，垂直支架式摄像机更为广泛。这类机器使用了带有分光镜箱技术的立体支架，让两台摄像机呈90度垂直安装，它的好处在于可以不受摄影机及镜头体积限制，因而可以选用较大的成像器，得到高质量的画面，同时两台摄像机之间的距离可以任意调节，从而为视差的调节带来了更大的便利。但是由于这种机器的体积较为庞大且造价高，镜头伺服系统同步调节复杂，因此比较适合电影、综艺晚会、体育赛事等有充分调节时间的节目使用，属于高端的3D视频拍摄设备。此外，3D立体拍摄架要具有多种调节功能，具体来说，不仅要可以调节机距以及双机夹角，还要能调节双机的匹配性。双机夹角的调节是用来控制正负视差，所谓正负视差就是常说的出屏和入屏。双机夹角需要根据拍摄场景不同进行实时调节，这是拍摄3D立体中最重要的一个环节与技术。而双机匹配性的调节，简单来说就是将两台拍摄机器的高度、水平、倾斜、旋转进行最佳匹配，以确保拍摄画面的立体效果。

除了这种复杂的双机双镜头式立体拍摄设备外，另一类为摄录一体机，即一台摄像机上安装有两个平行的镜头，拍摄后得到一个独立的的影像文件，但在导入视频后期编辑软件后，分为左右眼两个具有视差的视频轨道。此类机器主要特点是携带方便，价格相对便宜，其缺点在于镜头轴间距无法调节，只能通过调节会聚来完成其3D画面的调整，导致最终的立体效果受到影响。

从技术上说，目前3D视频的拍摄并无一个明确的规范或标准，创作者应根据不同的拍摄内容和拍摄思想等依据去灵活运用，但切记一切以视觉体验为基础，以视觉感受的最佳舒适度为准则。首先，切不可为了追求立体效果，而片面地增大出屏或入屏效果，最好以大众的观看能力作为平衡点，尽量避免任何可能导致观众眩晕、胀眼或是重影现象的发生。其次，在拍摄时为了突出立体感，可以适当设计些沿镜头主光轴运动的画面。因为沿着主光轴运动的物体，往往能够产生较为强烈的空间立体感。再次，多运用移镜头的方式来代替变焦拉伸。一方面因为在使用双机拍摄时，目前的镜头变焦同步系统还无法做到在所有机器上百分之百完全一致，另一方面这也是体现立体优势的一种手段。即我们在拍摄2D影片时也有这种感受，即运用镜头在场景中纵向移动可以制造出更为强烈的层叠感，体现其立体优势。最后，应注意两台机器焦点应一致，否则在后期剪辑时几乎无法解决。此外，鉴于人眼在观看物体时，不可离得太近，就像我们把一根手指放在两眼之间，近距离观看时会产生重影，3D视频在拍摄时被摄物体也不可离镜头过近，否则亦会出现严重的重影现象，因此在拍摄3D视频时应尽量避免过近的前景的使用。特别是在条件允许的情况下最好能够根据场景安排拍摄主体布局，毕竟富有明显层次的画面才能显现较好的立体效果，一般来讲合理的立体布局是前景、中间景、背景；但层次也不宜过多，否则会让画面凌乱。

3D立体拍摄制作要遵循拍摄到位，减少后期调整的原则；如果前期拍摄不理想，后期制作再好也会影响整片效果。相比于前期拍摄上的繁杂，3D数字视频在后期制作要求上也丝毫未显轻松。首先，不管前期使用什么样的拍摄设备，最终得到的素材至少都包含左右两个高清视频，而且每个视频至少都是1920*1080像素大小的。从目前商业使用上看，很多拍摄会使用相对高端的电影级别的机器，它们的画质往往可以达到4k（4096X2160像素）画质，而两轨4k画面要进行处理的话，其对后期硬件的要求也是极高的，否则连正常的播放都难以实现。因此从硬件配置上说，一般要求为工作站级别的机器，很多专业设备配置了双路24核志强处理器，24G内存，专业级的图形显示卡，可通过偏振、分光、快门式等监看方式进行监看的3D立体监视器，还有具备高性能读写速度的磁盘阵列等。

对于3D摄录一体机拍摄的画面，最终是存储为一个文件的，因此不用考虑其两轨视频的同步性问题。目前可以使用sony公司的vegas Pro11实现后期剪辑，在这款软件里，可以直接导入拍摄素材，拖入时间线后，素材会自动分为两个链接在一起的视频轨道和一个音频轨道，从剪辑技术上说和2d视频并无大的不同，使用起来较为方便。但在软件的file- Properties里，可以从stereoscopic 3D里选择3d视频的监看方式，它支持目前主流的色分式、偏振式、快门式等模式，另外在最终输出时也可选择相应的3D模式选项，方便后期佩戴不同的眼镜观看。

3 3D视频的合成技术方式

3.1 裸眼式3D

裸眼式3D技术主要应用在工业商用显示市场，而与大众消费者接触的并不多。因此大众对于裸眼3D的认识多少存在一定的误区，一些人以为裸眼3D是一种新的影像制作技术，可事实则不然。从目前看，裸眼3D一定是借助于某种特制的屏幕来完成3D立体效果显示的。从技术上来看，裸眼式3D可分为光屏障式（Barrier）、柱状透镜(Lenticular Lens)技术和指向光源（Directional Backlight）三种。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，但是分辨率、可视角度和可视距离等方面还存在很多不足。

3.2 借助眼镜的方式

目前从3D电视的显示技术来说，是多种方式并存的，然而他们的一个共同特点都是借助于特制的眼镜，实现双眼看到不同的画面，从而产生3D立体效果。概括起来主要有以下几种技术：

（1）色差式技术

色差式3d视频是要通过色差式眼镜来进行观看的，他是利用不同颜色的色片（一般为红蓝、红绿等）来阻挡和通过相应的色光，确保左右眼分别看到两幅具有一定视差画面的一种观看方式。这种技术历史最为悠久，成像原理简单，对显示器没有特别要求，还能在电视、投影上面放，实现成本相当低廉，但是容易使画面边缘产生偏色和重影，3D效果也是最差的。

（2）主动快门式3D技术

快门式3D技术主要是通过提高画面的刷新率来实现3D效果的，通过把图像按帧一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来，同时红外信号发射器将同步控制快门式3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面。这种技术要求3D液晶电视屏幕刷新频率必须达到120Hz以上，也就是让左、右眼均接收到频率在60Hz以上的图像，就能保证用户看到连续的3D图像效果。

（3）偏光式3D技术

偏光式3D是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，先通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面，然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。

目前在偏光式3D系统中，市场中较为主流的有IMAX 3D、RealD 3D、MasterImage 3D三种，多用于3D影院。此外像一些如长虹、LG、康佳、TCL、海信、创维等品牌采用偏光式3D技术生产RealD偏光3D电视。

4 总结

3D立体技术作为一种新的影像制作技术，必将随着科学技术的发展而不断更新，其应用范围也将越来越广。作为影视工作者，我们应该主动适应和研究3D立体技术对当代影视制作产生的影响，利用其创作出更多更好的影视作品。

[1] 孙伟杰：《3D影视制作与播放技术探析》，《现代电影技术》杂志，2010年09期

[2] 韩小磊：《电影导演艺术教程》，中国电影出版社 2010年版

[3] 黄海，高岩，施剑平，《3D影视拍摄新技术研究和应用》，《现代电视技术》杂志，2015年02期

[4] 傅正义：《影视剪辑编辑艺术》，中国传媒大学出版社 2009年版

Principle and production of 3D imaging technology

Li Donddong,Liu Juemin
（Nanjing visual arts Career Academy,Nanjing,211215)

In recent years,with the "Adventures of the earth","Afanda","Kung Fu Panda" and a number of digital 3D film successfully launched,the audience greatly favored.Special director James Cameron's "Avatar",by virtue of the lead everybody to win the 3D images,we create a beautiful world of Pandora, so that the audience be personally on the scene into a dreamlike world,so as to get the applause of the millions of viewers around the world praise, has created an unprecedented box office records.At the same time,in the field of television, television manufacturers are closely followed the trend of the times, the early launch of their own 3D TV products.State Administration of Radio Film and television also jointly,including 6 domestic television station CCTV,on January 1,2012 launch 3D experimental channel, broadcast every day 13.5 hours of 3D TV programs.Other major events such as the London Olympics,CCTV Spring Festival and other large events have also covered the broadcast mode 3D video,digital 3D technology has become the industry's hot technology continues to focus.3D film and television is the revolutionary results of the development of video technology,it has greatly improved people's understanding of the level of visual arts, so that the audience has a feeling of shock.

3D image production hardware software matching