3D立體電影製作原理

west

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。

bigwe

3d果然是個複雜的東西～～多謝提供資訊～～

hankhaha

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

vchenmm

Thanks for the info, if the pictures are not dead, that will definitely help to understand better. Is it possible to reload the picture?

john256

謝謝您的分享!

謙仔

受教了...感謝您的教學

aplomb

受益良多~對人眼的構造增進不少

liufong

但紅藍眼鏡…原理也一樣？？

west

紅藍眼睛是觀賞3D影片的方式之一，與拍攝無關。

liufong

以前真不會設定…受益良多

超得意

謝謝您了 我可以每天在這裏看到一些關於這方面的知識

liufong

明白小小…希望多看看…能夠明白

wjk9999

喜欢~好地方！