数字影院3D技术及发展趋势

张盼盼

(珠海中影影视服务有限责任公司,广东珠海 519500)

1 人立体感的产生

人的左眼和右眼是有距离的,看到的图像有细微差别,这两幅不同的图像经过大脑的合成,就能区分出物体的远近和大小,从而产生立体感。3D 主要就是利用了人眼视差的原理,只要保证人的两只眼睛看到的画面不相同,就可以形成3D 视觉。

结合图1 来说,每个人的眼间距是固定数值,空间的任何一点与两只眼睛都会构成一个三角形,这个点与眼间距线的距离是固定的。如:点一与眼间距线的距离为L1,点二与眼间距线的距离为L2。L1和L2的数值不同就是物体在空间中距离人的位置不同,于是我们可以通过双眼看到一个具有立体感的物体。

图1 人眼感知物体距离示意图

如图2所示,人的每只眼睛观看物体的角度不同,观察到的画面也不同,这两幅不同的画面在人脑中经过计算,形成立体图像,这种由角度引起的视觉差异也增强了物体的立体感。

图2 人眼感知物体形状示意图

2 3 D技术的种类及优缺点

目前3D 技术主要可分为色差式、主动快门式、偏振式和头戴式。其中色差式中红蓝3D 技术效果不佳,主要为民用;快门式3D 技术因为其对银幕无要求,应用范围广泛;偏振式3D 技术对银幕类别有要求,要使用偏振比高的金属银幕,但实现方式简单、使用成本较低,便于普及,多人使用的环境大多采用此方式;头戴式3D 主要应用于个人娱乐场景。这四种技术有着各自的优缺点。

表1 四种3D 技术的特点及优缺点

2.1 色差式3D技术

2.1.1红蓝3D 技术

红蓝式3D 眼镜的红色镜片只能透过红光,蓝光被阻挡,而蓝色镜片只能透过蓝光,红光被阻挡。人眼透过红蓝镜片观看特制的图像时,两组画面被分开后分别进入左右眼,在大脑中便产生了3D 的效果。

此类技术优点是应用场景广泛,对片源要求不高,眼镜非常便宜,但由于显示的画面偏色非常严重,观看效果差,现在很少被采用。

图3 红蓝画面及眼镜

2.1.2杜比3D 技术

杜比3D 系统组件由滤光轮、滤光控制器和杜比3D 眼镜构成。杜比3D 技术电影系统使用兼容的投影机,用一个旋转的色彩过滤轮插入到灯泡和成像器件之间,将主色分离成不同的波段,把三基色:红色、绿色、蓝色,由色轮转换成红色1、红色2、绿色1、绿色2、蓝色1、蓝色2。特殊的干扰滤波器眼镜,允许左眼只看到标记为“1”的片段,而右眼只看到标记为“2”的片段,这样形成3D 效果。

此类技术优点是使用单台放映机,不需要金属银幕,观众能获得和非3D 电影一样的色彩保真度。缺点是亮度损失比较大,需要功率较大的放映机。而且3D 色轮控制需要专门的设备件,并非所有放映机都能安装。

随着激光光源的普及,杜比开发了新的激光3D系统,大体原理是发射两组不同波长的RGB 激光,再分别透过不同的带通镀膜滤光3D 镜片传递到人的左右眼中,形成3D 效果。这样的优势是不需要滤光轮,光利用效率有了大幅提高,缺点是眼镜成本较高,维护不易。

图4 杜比3D系统

2.2 主动快门式3D技术

液晶器件在通电和断电的情况下会产生通光和阻光的现象,让图像保持固定频率以帧序列方式播放,3D 信号发生器控制3D 液晶眼镜,快速切换左右镜片透光或阻光,实现左右眼观看对应的图像,从而在大脑中产生立体效果。

图5 快门式眼镜

此类技术的优点是适用范围广,不限放映机和银幕种类,不需要复杂的调适,单台放映机可以实现。缺点是每只眼睛实际上只能得到一半的光,亮度大打折扣,眼睛很容易疲劳。同时3D 液晶眼镜需配备电池才能工作,体积和重量较大,佩戴舒适性差、容易损坏,价格较贵。再者影城经营时,需要做好卫生消毒以循环使用,定时检查电量以保持良好状态,这样会有很大的工作量。另外,目前3D 眼镜左右两侧开闭的频率均为50/60 Hz,也就是说两个镜片每分钟各要开合50/60次,即使是如此快速,用户眼睛仍然可以感觉到闪烁问题。

2.3 偏振式3D技术

光是一种电磁波,自然光是很多电磁波的混合物,它在各个方向的振动是均匀的。偏振片只允许平行于偏振化方向的光通过,同时过滤掉垂直于该方向振动的光,因此自然光经过偏振片后,改变成为具有一定振动方向的光。当偏振处理过的光经过特制的偏振眼镜时,每只镜片只能接受一个偏振方向的画面,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。

图6 通过偏振片得到偏振光示意图

偏振式3D 技术的色彩损失是最小的,色彩显示更为准确。偏振式3D 眼镜只是在普通眼镜的表层镀上偏光层,结构简单、成本低廉、重量轻便,观众佩戴舒适,便于管理。缺点是串扰率较高,必须配合高偏振比的金属银幕使用,而金属银幕容易氧化,不易维护,均匀性差。

图7 头戴式3D设备

2.4 头 戴 式3D 技术

传统的3D 实现方法,是将左右眼画面同时显示在银幕上,通过眼镜将左右画面分离后传送到观众双眼,这样串扰率高,容易出现“鬼 影”,3D 效 果 并 不完美。头戴式3D 技术直接在左右眼显示不同画面,以实现更加真实的3D 效果。此类产品无需采用投影、银幕等设备,集成度高、私密性好,无鬼影,但片源有限、设备重、舒适性差、不适合长期观看,目前仅应用于民用。

3 电影院当前主流3 D系统

电影院3D 的兴起得益于 《阿凡达》的火爆,最初3D 系统多采用国外进口产品,价格较为昂贵。其中色差式3D 中杜比3D 技术发展较早,初期应用较为广泛。以Xpand为代表的主动快门式3D 系统,可以配合普通数字幕使用,在偏振式3D 系统出现前也流行过一段时间。就目前国内影院市场而言,最为普及的还是偏振式3D 系统。偏振式3D 系统在放映设备数量上分为单机偏振3D 和双机偏振3D,在实现方式上分为机械式偏振3D 和液晶偏振3D。

图8 偏振式3D系统分类

3.1 单机偏振3D系统

图9 MasterImage 3D系统

单机偏振3D 系统主要分为机械式偏振3D 系统和液晶偏振3D系统。机械式偏振3D系统需在放映机镜头前加装旋转的光学偏振镜,将光线分离为不同的方向,用相对应的偏振眼镜分别接受左右眼图像,从而实现3D 效果,主要以Master Image为代表。缺点是机型笨重、控制难、成本高、光效低、容易集尘、维护难。

液晶一大特点是性质会受到电流的影响,它在自然状态下是扭曲的,给它加上电流后,它将根据电压的大小反向扭曲相应的角度,因此可以被用来控制光的通过。一套完整的最基础的液晶3D 系统是由线偏振器、液晶分光器和3D 眼镜构成。光线透过线偏振器被处理为线偏振光。线偏振光通过液晶分光器后变为有一定帧顺序的圆偏振光。液晶分光器可以看作动态1/4波片,同时实现左旋圆偏振和右旋圆偏振的分离。单台放映机按帧顺序分别播放左眼画面和右眼画面,观众的左右眼通过不同偏振方向的镜片观看两幅不同的画面,从而实现3D效果。

液晶偏振3D 系统根据光路数量主要分为单光路3D 系统、双光路3D 系统及三光路3D 系统。这三种光路的3D 系统有着各自的优缺点。

表2 三种液晶偏振3D 系统对比表

3.1.1单光路3D 系统

图10 液晶偏振单光路3D原理示意图

图11 单光路3D系统

单光路3D 系统是目前电影院使用最多的一种低成本的解决方案,在镜头前面加装线偏振器和液晶分光器,再使用偏光3D 眼镜就可以观看电影了。优点是成本低,缺点是光效差、串扰率较高。

3.1.2双光路3D 系统

双光路3D 系统是在单光路3D 系统的基础上,使用传统的偏振分光棱镜,对整束入射光线进行偏振化处理,透射并反射偏振态光束,透射光束使用液晶相位调制器件等直接打到银幕上,反射光束也通过使用液晶相位调制器件等处理后与透射光束重合为一幅图像,从而提高光利用率。优点是光效高,缺点是体积较大、调试难度高、成本较高、串扰率高。

图12 双光路3D系统原理示意图

图13 双光路3D系统

3.1.3三光路3D 系统

图14 三光路3D系统原理示意图

图15 三光路3D系统

三光路3D 系统是在双光路3D 技术的原理基础上,将偏振分光棱镜结构设计为K 字型,将反射光束分为上下两个半束光线,分别向上和向下反射,使用两个反射镜、两个偏振旋转器件、两个液晶相位调制器件将上下半幅图像在银幕上拼接为一幅完整的图像,与透射的整幅图像在银幕上重合起来,从而提高光线利用率。优点是光效高、体积较双光路小,缺点是调试难度高、成本较高、串扰率较高。

3.2 双机偏振3D技术

双机偏振3D 技术是在两台放映机镜头前加装两片不同方向的偏振片,让放映机投射出互相垂直的完全偏振光波,观众通过特制偏振眼镜,左右眼就能看到不同的画面,从而形成立体图像。此类技术优点是立体感强、亮度高、画面平滑流畅、无高频闪烁和画面模糊现象,消除了单机3D 系统长时间观看带来的视觉疲劳和眩晕感。缺点是需要双机放映,成本较高。双机偏振3D 技术主要分为双机线偏振3D 系统和双机圆偏振3D 系统。

表3 双机线偏振3D 系统与双机圆偏振3D 系统对比表

图16 双机偏振3D系统

3.2.1双机线偏振3D 系统

在使用线偏振眼镜看立体电影时,眼镜应始终保持处于水平状态,使水平偏振镜片看到水平偏振方向的图像,而垂直偏振镜片看到垂直偏振方向的图像。双机线偏振3D 系统的优点是光效高、对比度高、色彩还原性好、不受温度影响。但如果眼镜略有偏转,垂直偏振镜片就会看见一部分水平方向的图像,水平偏振镜片也会看见一部分垂直方向的图像,左右眼就会看到明显的重影。

3.2.2双机圆偏振3D 系统

圆偏振光的偏振方向是有规律的旋转着的,它可分为左旋偏振光和右旋偏振光,它们相互间的干扰小,通光特性和阻光特性基本不受旋转角度的影响。缺点是光效稍低、对比度低、色彩有影响、温度高会使得鬼影加重。

4 未来影院3 D技术发展

影院放映技术飞速发展,银幕因为新工艺、新材料的应用而有不同的发展方向,市场上涌现出了不同于传统PVC 材质的新品,比如Real D 公司的终极银幕和深圳时代华影公司的纳幕。同时,LED厂家由三星一家独占,也逐渐发展到多家竞争的状态,国内外出现了不少厂家,如深圳洲明、深圳时代华影和LG 等。主动发光显示的LED 放映系统凭借其超高亮度、超高对比度、高帧率、更好的均匀性等特点,给观众带来了强烈的视觉冲击。

4.1 纳米银幕3D技术的应用

区别于PVC做幕基的传统银幕,新型银幕使用涤纶树脂 (PET)做幕基,采用纳米光学设计、超精密加工等领先技术,具有高亮度、画面均匀、宽视角、低串扰率等特点。为了更加能发挥新型银幕的优势,3D 系统和眼镜也应随之改进。3D 系统方面应优化选材和技术,提升系统的透光率和光效,提高对比度,让画面更加通透,3D 效果更加立体,同样的单台放映机能支持更大银幕。高帧率技术应用越来越多,3D 系统应提升对48帧/60帧/120帧的全面支持,才能使运动画面更加流畅,不出现拖尾的现象。3D 眼镜同样也是重要的部分,需提升对比度,降低串扰率,增大镜片尺寸,让观众视野更加宽广,观看效果更加优质。但就笔者看来,特殊银幕也只是过渡阶段,还是在传统投影式放映的范畴中,不可避免地或多或少有 “耀斑”“鬼影”“散斑”等问题。放映的发展方向,最终会归到LED 等主动式发光这一技术上来。

4.2 LED 3D技术的应用

4.2.1偏振式LED 3D

LED 偏振式3D 技术的原理如同普通影院偏振式3D 技术一样,都是利用偏振光的特性分别将不同的画面传递给左右眼。因为LED 是主动发光技术,省略了光源到银幕间增加偏振片以制造偏振光的过程,同样一个像素需要两组点阵分别播放,一组贴左旋圆偏振片,另一组贴右旋圆偏振片,由两倍的点阵来显示不同画面,再用普通的偏振眼镜观看,从而形成立体效果。优点是眼镜结构简单,观众佩戴舒适。缺点是要采用双倍分辨率的LED,成本很高,目前基本没有影城使用此技术。

4.2.2主动式LED 3D

此技术同2.2介绍的主动快门式3D 技术是一种,主动式眼镜配合3D 信号同步器,控制左右眼镜片同步开关,让左右眼看到不同的画面,产生3D效果。LED 在商业影院出现后,此技术才重新开始应用起来。目前来看主动式3D 系统是LED 影厅最合适的解决方案,系统成本低,对显示设备没有限制,但主动3D 眼镜旧有的问题依然存在,在透光性、轻便性、性价比、电量维护上还有很大的改进空间。

4.2.3光栅式LED 裸眼3D

光栅式的LED 3D 应用是将显示屏和光栅精密结合在一起,左右眼的视差图像交错排列在显示屏上,利用光栅的分光作用将左右眼视差图像向不同方向传播,当观看者处于合适位置,左右眼就能分别看到不同的图像,从而形成3D 效果。双视点技术是基础的方式,等于是用两倍于普通的LED 点阵来显示两幅不同的画面,利用光栅让观众在特定位置左右眼看到不同的图像,来实现3D 效果。多视点技术是N 倍于普通LED 点阵来显示多幅不同画面,利用光栅让观众在特定位置左右眼看到不同的图像,来实现3D 效果。相比之下,多视点技术观众的观看位置更加灵活,显示效果更优,但实现起来更加困难。此类技术的优点是观众不需要佩戴眼镜,缺点是观看角度受限,不论双视点技术还是多视点技术,都要大量增加点阵和箱体,而且显示效果欠佳。不过随着各种技术手段层出不穷,缺点终会被慢慢克服,未来有可能是影院3D 发展的方向之一。

5 结语

2009年《阿凡达》上市,这部史诗巨作重新定义了3D 电影,人们才发现银幕上重现的瑰丽奇幻的冒险是如此真实而又梦幻。随后3D 电影井喷式发展,中国新建的绝大部分影厅都配置了3D 设备,市场上甚至出现了抢购3D 系统的现象,影院和观众对3D 的热情方兴未艾。

3D 电影普及初期,有许多的局限影响着放映质量。比如为了 《阿凡达》,卡梅隆与索尼共同改进3D 摄像机及拍摄技术,甚至开发了一套新的摄影系统。而后续的3D 影片较少采用3D 摄像机拍摄,大部分是后期转制,片源质量良莠不齐。再如影院多采用氙灯光源放映,3D 画面亮度一直不理想。又如主动式眼镜闪屏、佩戴舒适感差,对近视观众不友好,其价格贵、容易损坏等原因,让希望尝试3D观影的观众望而却步。

激光光源的应用、银幕技术的改进等手段,极大提升了画面亮度和观影质量,同时3D 系统这一关键部件的变革也起了很重要的作用。主动式3D系统开启了影院3D 放映的先河,让观众真正开始在银幕上体验3D 世界。而偏振式3D 系统的出现,克服了眼镜不舒适和价格昂贵等缺点,使得人们在影院观看3D 电影成为主流。长期以来,3D 影片最大的问题就在于亮度不足,为了较小成本地提升画面亮度,双光路3D 和三光路3D 应运而生。总的来说,影院3D 技术的革新让电影创作者有了更好传递内容和思想的工具,促进了3D 电影的发展,而3D 电影的兴盛又反过来推动了3D 技术的革新。正是3D 电影和3D 技术的相互裨益,让观众在未来能够体验更多新奇的形式和更加精彩的内容。❖