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3d电影原理

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3D立体电影製作原理
D是英文Dimension(线度、维)的字头，3D是指3D立体空间。国际上是以3D电影来表示立体电影。
　　人的视觉之所以能分辨远近，是靠两隻眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两隻眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑裏，脑子就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。一隻眼睛虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果把同一景像，用两隻眼睛视角的差距製造出两个影像，然后让两隻眼睛一边一个，各看到自己一边的影像，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，也多是运用这一原理，我们称其为“偏光原理”。
　　3D立体电影的製作有多种形式，其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。它以人眼观察景物的方法，利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水准视差的电影画面。放映时，将两条电影影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机需同步运转，同时将画面投放在金属银幕上，形成左像右像双影。当观众戴上特製的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致；致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼彙聚功能将左、右像迭和在视网膜上，由大脑神经产生3D立体立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众感到景物扑面而来、或进入银幕深凹处，能产生强烈的“身临其境”感。
    3D立体立体电影，即我们常说的4D电影，是立体电影和特技影院结合的产物。随着3D立体软体在国内越来越广泛的应用，4D电影也得到了飞速的发展。运用3D立体软体製作立体电影有其独特的优势，如3D立体场景本身就具有立体特性，与立体成像相关的各种参数非常容易在软体环境中调节等。本文具体讲解了3D立体立体电影製作的原理及常见问题的解决方法，以后我们还会在具体的製作方面继续探讨，希望广大对立体电影感兴趣的朋友不要错过。

　4D电影是立体电影和特技影院结合的产物。除了立体的视觉画面外，放映现场还能模拟闪电、烟雾、雪花、气味等自然现象，观众的座椅还能产生下坠、震动、喷风、喷水、扫腿等动作。这些现场特技效果和立体画面与剧情紧密结合，在视觉和身体体验上给观众带来全新的娱乐效果，犹如身临其境，紧张刺激。
　4D影院最早出现在美国，如着名的蜘蛛人、飞跃加州、T2等项目，都广泛采用了4D电影的形式。近年来，随着3D立体软体广泛运用于立体电影的製作，4D电影在国内也得到了飞速的发展，画面效果和现场特技的製作水准都有了长足的进步，先后在深圳、北京、上海、大连、成都等地出现了几十家4D影院。这些影院大都出现在各种主题公园（乐园）、科普场所中，深受观众和遊客的喜爱。
　　运用3D立体软体製作立体电影有其独特的优势，如3D立体场景本身就具有立体特性，与立体成像相关的各种参数非常容易在软体环境中调节等。所以，电脑3D立体技术应用于影视行业后，很快就出现了3D立体立体电影，如大家俗称的3D电影、4D电影。美国狄斯奈乐园中的蜘蛛侠（SpiderMan），更是解决了“3D立体立体跟踪渲染”技术，使画面中的立体场景能够根据遊客的运动轨迹自动地转换透视关係，能够适时地保持虚景（3D立体画面）和实景（现场佈景）一致和连续的透视关係，大大提高了画面的真实感。那么，怎样运用3D立体软体来製作立体电影？製作过程中要注意哪些问题？本文将通过对3D立体立体电影的製作原理的详细分析，探讨一些常见问题的解决方法。
　　人眼的立体成像原理
　　在现实生活中，人们通过眼睛观察的周围环境之所以是立体的，是因为人的两隻眼睛所处的空间位置不同，可以从两个不同的视角同时获得两幅不同的场景图
　　像，人的大脑对这两幅图像进行处理后，不仅能分辨出所观察物体的颜色、质感等光学资讯，还能根据两幅图像的差异判断出物体与双眼的距离等空间资讯。这样一幅立体的画面就呈现在脑海中。

图1 人眼的立体成像原理

　　利用3D立体软体形成立体图像

　　利用3D立体软体製作立体电影，需分别考虑两个环节，即3D立体环节和放映环节。

　　在3D立体软体中（图2a），为了模拟双眼的立体成像原理，必须用两个摄影机同时渲染场景，这两个摄影机的相对位置，应儘量与人的两眼的相对位置一致，

　　它们的间距称为镜距（camWide）。通常，我们将其中一个摄影机命名为LCam，它位于相当于人左眼的位置上，物体A经它渲染后，所形成的图元位于其渲染平面的Al处；另一个摄影机命名为RCam，它位于相当于人右眼的位置上，物体A经它渲染后，所形成的图元位于其渲染平面的Ar处。

　　从图中可以明显看到，由于两摄影机的位置不同，它们分别渲染的场景会有少许差别。有些读者认为这两幅画面仅仅是“错位”了，因而认为将任何一幅画面

　　经错位处理后就能形成立体画面。实际上并非如此简单，经Lcam和Rcam所渲染的图像，虽然看起来差异不大，但它们却包含着不同的透视资讯，这才是形成立体视觉的关键元素。

　　图2 3D立体软体中的立体渲染镜头，及物体A的渲染过程

　　图3 放映环境中观众的双眼和萤幕，及A`的成像过程

在放映环境中（图2b），当把两摄影机所渲染的画面同步投放到同一萤幕上时，必须采取适当的画面分离技术，使观众的左眼只能看到Lcam渲染的画面，而右眼只能看到Rcam渲染的画面。常用的画面分离方式有“偏振光式”和“液晶光阀式”，两种方式都需要配戴眼镜来协助分离画面。如用裸眼会看到画面呈双影，没有立体效果。

　　在播放环境中，用两放映机分别将两渲染面投放到同一萤幕上，图元Al和Ar出现在图2b中萤幕的不同位置，通过画面分离技术，Al只能被观众的左眼看见，Ar只能被右眼看见，两眼视线交叉于A`。观众感知的A已不在萤幕上（即已“出屏”），形成了一个有距离资讯的立体像A`。这样，3D立体场景中的物体A，就立体地还原在观众眼前。这就是3D立体立体电影的製作原理。

　　如何准确地控制“出屏”的距离

　　在实际应用中，经常会出现一些困惑：在3D立体场景中，即使物体A已经离渲染镜头很近了（如已经小于30cm了），但实际放映时，仍觉得想A`“出屏”不够，没有“触手可得”的效果。相反的情况也时有发生，即观众觉得像A`太近，导致胀眼和无法聚焦。

　　所以，如何在製作环节中控制最终的“出屏”效果就显得非常必要。在3D立体立体电影的製作中，我们经常追求“触手可及”的效果，这个距离约为30cm—50cm。我们对比3D立体环节和放映环节，当萤幕对观众眼睛的张角β与在3D立体软体中镜头的水准张角α相等，且渲染镜头的镜距camWide与观众两眼的距离eyeWide相等时，即β=α，且eyeWide=camWide时，则D`=D。也就是说，此时可以通过控制3D立体软体中物体A与渲染镜头的距离D，在播放时精确地定位A`到观众的距离。实现了在3D立体环境中的“可见”，即实现了播放环境中的“可得”。

　　图4

　　在3D立体环境和放映环境中，当camWide=eyeWide，且β=α时，则D=D`，所见即所得。

　　可见，放映环境与3D立体环境的一致，给精确定位A`提供了最好的操作性。在这样的环境下，3D立体製作人员在製作阶段就能很清楚地预估最终的“出屏”效果。

　　然而在现实工作中，放映环境和3D立体环境一致的要求并不能总被满足。如各影院的萤幕有大有小，观众离萤幕的距离有远有近，观众相对于萤幕可居中可偏离等等。各种影院环境对观众的影响，最终产生两个变化：萤幕对观众的张角β和萤幕对观众的错切变化。错切是由于观众偏离萤幕中轴产生的图像变化，其影响并不大，不容易被感知。因此，下面仅讨论β的变化对立体效果的影响。

　　当观众离萤幕过远，或萤幕不够大时，会导致βα。这时，从图4中可以看到，因为萤幕变小，使Al`和Ar`间的距离等比例缩小，成像交叉点A`缩回，使得D`D，削弱了“出屏”效果，观众觉得物体飞不到眼前，没有“触手可及”的衝动。

　　图5

在3D立体环境和放映环境中，当βα时，则D`D，削弱了“出屏”效果。

　　为避免上述情况的发生，可让观众适当靠近萤幕，或增大萤幕尺寸。通常大萤幕的立体效果较小萤幕好，其原因就是大萤幕会产生较大的β角。

　　此外，还可以增加渲染镜头的镜距（camWide）。从图5可以看到，在3D立体环境中增大camWide，使camWideeyeWide，Al`和Ar`间的距离会变大，成像交叉

　　点A`前移使得D`D，增强了“出屏”效果。

　　在βα的情况下，增大camWide所产生的A`前移，会适当弥补β过小所产生的回缩。

　　图5当camWide增大时，则D`D，增强了“出屏”效果

　　当βα时，会出现相反的情况，即D`D。观众可能会觉得聚焦困难、胀眼。解决的办法是减小camWide或减小萤幕。

　　改善“出屏”效果不足的几点建议

　　由于3D立体製作环节与实际播放的时间跨度较大，当在播放环节发现立体效果不好时，实际已很难再回到3D立体环节重新调整和修改了。因此，有必要找到一种能在3D立体製作阶段就可以准确预估到播放效果的方法。从上面的分析我们可以看到，最好的方法就是实现3D立体环境与播放环境在尺寸、比例上的一致性。简单讲，就是尽可能保证β=α及eyeWide=camWide，这样就可在製作时做到“所见即所得”。

　　在实际案例中，β=α是很难保证的。在3D立体环境中，由于画面构图的需要，α通常被设置在40°-75°之间。而在影院中，β超过50°的机会并不多，所以βα出现的几率较大。此时，为弥补物体“出屏”不足的问题，在製作时，增大LCam和RCam的间距（camWide），通常是比较有效的方法。事实上，在绝大多数情况下，增大camWide都能改善场景的立体效果，而不会改变β和α的大小关係，因此应是首选的方法。

　　此外，如物体的体积足够小，可将物体儘量靠近渲染镜头以减小D，最近距离可突破20cm。这样，即使播放环境的βα，也可以保证D`在30cm-50cm之间，有很好的“触手可及”的效果。然而物体一般都具有一定的体积，靠近的程度也会有限，还得依靠增大camWide来弥补立体效果的不足。

　　综上所述，保持3D立体环境和放映环境的一致是最佳的选择。考虑到有些放映环境可能会削弱立体效果，可适当增大镜距（camWide），使camWideeyeWide。

　　如让camWide在7cm-12cm之间。其次，考虑将物体移近摄影机（减小D），使成像点D`恢復到30cm-50cm的最佳区间。

　　在立体电影的大规模团队製作过程中，渲染镜头最好由专人製作。增加几个反映放映环境的属性（如萤幕大小、观众离萤幕的距离、观众的瞳距等），用运算式的方式给出现场资料与渲染镜头相应属性间的函数关係。这样不仅能做到统一控制，还能做到调整简便，保证每组画面的立体效果。

　　除上述因素外，画面的许多艺术因素对立体效果也非常重要，例如物体运动的速度和方向，镜头前各物体的摆放层次，物体出屏的位置和方向等，这些问题都需要我们在製作中逐步地积累经验。

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