3D視頻攝制技術應用研究

章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學院）

3D視頻攝制技術應用研究

章曉亮

（作者單位：浙江傳媒學院）

隨著新技術不斷發展，3D視頻除傳統傳播媒介外，在科技館、博物館、規劃館等這一細分市場也有較大需求。研究不同設備不同情景下對應的拍攝解決方案，確定拍攝參數的范圍、景別、節奏，根據人眼舒適性有針對性進行調節。本文介紹幾種觀看3D視頻的方法。

3D視頻、攝制技術、顯示方式

影視的創作不僅僅可以通過新穎的故事情節來吸引觀眾，各種影視制作新技術的應用，也賦予了更大的創作空間，其中3D技術對影視的影響較為深遠，該技術將帶來全新的視覺體驗［1］。

3D技術主要基于人的雙目立體視覺源于人眼的視差這一機制，由英國科學家查爾斯·惠斯通發現。與2D信號相比立體3D視頻信號具有更有效的視覺表達，可以使人產生強烈的沉浸感和臨場沖動。

從國際市場發展來看，3D市場占有率在持續增長，部分電視臺已經推出了3D頻道，如BSkyB、ESPN等廣播商，2010年世界懷有25場比賽使用3D技術轉播。據統計，2014年美國生產了21部3D商業電影，中國生產了13部。

數據提供商數據顯示，在中國已上映的27部3D影片（進口片17部+國產片9部）累計票房達到105億元，占所有電影總票房的42%。由此可見，中國觀眾對3D影片的熱愛及3D影片強大的吸金能力。

而在美國，電影觀眾對3D影片的熱情度正呈下降趨勢。朱梁指出，2008-2016年11月，美國3D電影的數量趨勢呈現先增后減，其主要原因，一批能帶來豐厚回報的3D電影的出現，投資方片面認為只要是3D電影形式，就可以有錢賺，所以紛紛拍3D影片或直接2D轉3D。3D影片數量不斷增加，制作周期變短，從放映的技術來講，放映的亮度和分辨率往往不夠，影片缺少創意、制作水平偏低，造成電影的制作質量下降，讓觀眾產生厭煩心理。甚至部分電影如《機械戰警》《超驗駭客》《超體》等在北美并無3D版本，而是由2D直接轉成3D“特供”中國觀眾，影片質量可想而知。目前，除了院線電影之外，3D視頻應用對于科技館、博物館、規劃館等這一細分市場也有較大需求?，F在最欠缺的就是數字內容，對3D內容制作的研究有重要意義。

3D視頻立體效果實現主要通過攝制技術與立體影像顯示技術結合完成。立體視頻制作的方式主要有實拍、數字合成技術、也有將2D視頻轉換成3D視頻、通過這些技術手段有效組合決定最終畫面的表現力和舒適度。立體影像顯示技術主要分為色差式、偏振式、主動快門式和近眼微顯示式等，以及基于基本視差的裸眼3D顯示技術如柱狀透鏡式、光屏障式。

3D視頻的制作難度遠高于普通節目制作，制作前需根據節目各項需求及3D拍攝的特點統籌規劃，針對3D拍攝基本規律作進一步優化，如草率地進行拍攝，最終的3D節目不僅未能滿足觀眾的需要，反而給觀眾帶來視覺疲勞、頭暈目眩等不良反應，因此有必要對3D視頻拍攝制作進行深入研究。

1　影響立體拍攝的主要因素

對于拍攝創作人員最為關心的問題，如何選擇好各類攝制設備及相關軟件，解決攝制過程需面對的核心技術問題。在攝制過程中需要結合相關原理及實踐操作經驗，分析影響立體拍攝的影響因素，得出立體拍攝策略以及主要參數調整方法。

1.1立體影像人眼交匯點的確定及雙目視覺舒適感

雙目聚焦某一物體時，視線交匯，大腦通過中間匯聚的角度測出相應距離，從而會產生立體感。當觀察距離遠處單個物體時，匯聚角度變小，觀察距離較近的單個物體時，匯聚角度會變大。當多個物體出現時，人眼對多個物體都有不同匯聚點，由此形成人眼強迫視線交匯產生的空間也就是立體空間。從眼睛到物體之間距離產生立體影像［2］。

相對攝像機而言，模擬人眼的視覺錯，根據物體遠近匯聚不同角度。立體感知深度測試也是立體成像效果的關鍵。

物體的水平視差指相同物體上左右眼視差對應的像素點的水平距離。如果把物體簡稱為B，B左眼視差在屏幕上對應的像素點為l，右眼視差在屏幕上對應的像素點為r，左右（l，r）像素之間距離為P，左右眼間距為D，眼睛到屏幕的觀看距離為L，立體感知深度為V，那么立體感知深度就可以用公式表示為：

V=L*P/P-D

當l在r的左側時，P為正值，觀看距離L和雙眼間距D固定，P≤D，因此V值為負數，該物體具有正視差，表明物體位置位于屏幕的后方，如圖1所示。

圖1　l在r的左側

當l在r的右側，像素點左右互換位置時，P值為負，觀看距離L和雙眼間距D固定，因此V值為正數，此時物體具有負視差，表明物體位置位于屏幕的前方，如圖2所示。

圖2　l在r的右側

當l和r匯集到一點上時，P值等于0，觀看距離L和雙眼間距D固定，計算得出V值為等于0，該物體零視差，表明物體位置位于屏幕上。

圖3　l和r匯集到一點

拍攝前需要對立體深度提前估算，確定對正負視差的大至范圍，確保觀眾不受視覺疲勞的影響。根據《3D電視技術指導意見》和電視臺的制作規范圖像中主體部分的立體深度在3%的閾值，即正視差在屏幕上左右眼成像間距小于高清電視畫面水平方向的2%，負視差小于高清電視畫面水平方向的1%。短期沖擊效應分別不超過4%和2.5%［4］。具體實際拍攝過程可通過使用3D立體深度計算軟件，輸入鏡頭的焦距；攝影機成像元件的尺寸；畫面中拍攝物體到攝影機的距離；成片播放銀幕的大小等，可以直接計算出推薦的軸距和會聚數值，也有計算軟件會提供成像的最大正負視差值［5］。

1.2立體拍攝器材

3D前期拍攝主要有兩種形式，一種是并列式，一種是垂直反射式，垂直反射鏡方式是將對偶攝像機垂直擺放，利用半透明反射系統使對偶攝像機獲取視頻信號。最大優勢避免受空間與場地不足，裝置操作上比較復雜，需要3D拍攝采用兩個攝像機并列，會聚角調節范圍相對比較廣，但受到鏡頭之間物理距離的限制，有些鏡頭不容易拍攝。

直角機位拍攝法。會聚法拍攝中有一種直角機位拍攝法，對偶攝像機垂直擺放，利用半透明反射系統使對偶攝像機獲取視頻信號。直角機位拍攝法的裝置操作比較復雜，需要將一片半透明鏡安裝在特質的金屬框架中，在半透明鏡片兩側按照直角機位安放攝像機，一臺攝像機在半透明鏡后方拍攝左眼圖像，另一臺攝像機在半透明鏡前方拍攝右眼圖像。由于操作復雜，裝置龐大，因此利用直角機位拍攝法拍攝之前需要進行實地檢測調整。

并列式與垂直反射式拍攝方式從使用成本與效率、系統硬件成本上來說，對于剛起步，初步探索的單位，采用更容易兼顧平臺與立體拍攝快速切換的模式。

消費級的立體拍攝可以借助3D軟件來完成如景深相機等軟件拍攝最終進行合成。

1.3具體拍攝注意點

1.3.1鏡頭要素的構成

遠景等以空間景物為拍攝對象，表現其范圍和廣度，主要用來表現具有空間關系的景別。一般用來展示大的空間、環境、交代背景，展示事件的規模和氣氛。

遠景相對而言具有較強的縱深感，更具有立體化、大景深特別，在場景布置上空間層次一定要豐富，前景景物、主體及背景突出。在3D拍攝上可以更多的使用該方法。

近景相對而言畫面主體取景胸部以上，占據畫幅面積一半以上，而特寫與大特寫更多拍攝物體細節和人物瞬間神態更在乎表情變化，視覺上具有強制性觀眾強制拉近去看，相對而言持續時間相對較短，3D拍攝最終成片使用上相對較少。

立體圖像相比二維圖像多了縱深軸的維度，需要針對縱深軸特點進行構圖、對復雜場面進行有效調度，滿足各種視差需要就成為關鍵。

景別控制始終圍繞觀眾的興趣點，客觀真實環境縱深處的人物距離遠近需要與環境景物的大小對比相協調往往都是在觀眾的視線方向行進，沖出銀幕給觀眾一個措手不及，或者深入銀幕縱深處提升觀眾的好奇心。

在確定景別拍攝時更需要注意3D邊框效應，避免拍攝對象處于邊框效應范圍之內。

邊框中上邊框影響巨大，特寫處于較明顯位置、顯著的空間位置，寬銀幕特寫“不留頭”的習慣，利用視覺特性自動補足被卡在邊框以外人物的額頭［3］。而在3D影視，創作者的選擇是讓人臉出屏，額頭的補足還處在屏幕上，有空間的錯位，那么比較嚴重的邊框效應就會出現。

當邊框與兩幅不同的畫面相互交匯時，由于拍攝角度的差異，必然會導致在邊框附近，一幅畫面中的一部分內容在另外一個畫面中是被遮掩的。

相對較特別的鏡頭通過快速出畫或入畫來完成。避免長時間在邊框效應范圍內停留。

1.3.23D影片節奏的總體把握

影片節奏上節奏是人們對事物運動變化的總的感受。把握節奏的一般要求是：注重運動，富于變化，保持協調。運動產生速度，速度形成節奏，節奏是貫穿節目始終的一種連續而又有間歇的運動相對舒緩，便于3D信息的接收。延長鏡頭時間的做法，表現了動作的逼真性與完整性。

節奏主要有鏡頭長度、鏡頭的運動節奏及畫面主體物的運動節奏。按3D立體影片拍攝制作鏡頭長度分，主要分長鏡頭與短鏡頭。一般來說，鏡頭運動節奏長鏡頭相對緩慢；短鏡頭節奏相對較快。

鏡頭的長度更需要與畫面內容相適應。需要分析和靈活應用鏡頭長度帶來節奏變化，恰當地取舍鏡頭長度與剪輯點，增強鏡頭畫面內容的表現力。

除控制鏡頭長度外，在3D拍攝對鏡頭內的主體物運動也需要進一步控制。一般來說，主體物的運動速度快，節奏就快；主體物的運動速度慢，節奏就慢。此外，由于內容情節節奏和表現形式節奏的整體節奏也能起到較大的影響。

1.3.3拍攝對象與技巧上避免以下幾類情況

拍攝物體不能全部為純色，如藍天、白墻；拍攝物體細致網格圖像避免與攝像機CCD重疊引起摩爾紋效應，帶細密方格子的圖像。拍攝物體特別細微，不易分辨的如粒子，灰塵；避免文字在畫面物體空間位置和遮擋關系的錯誤。

1.3.4拍攝鏡頭選擇

鏡頭選擇上需要避免廣角鏡頭與長焦鏡頭，3D會聚以免產生太遠太扁的效果。廣角拍攝使被攝人物在屏幕上顯得更遙遠，而長焦鏡頭拍攝會過度拉近距離，造成畫面扁平化。

研究不同情景來確定相應的解決方案：太小的物體、太遠的場景、前后景距離過大等因素。

研究確定拍攝參數的范圍，攝像機瞳距對應設置，如在類似人眼區段拍攝設置；若拍攝遠近景選擇瞳距設置。使用鏡頭焦距增減對瞳距的影響。

會聚角精確計算，根據會聚面的距離得出會聚角的近似數值。對調整設定支架參數及監視器上的視差。3D計算器可以比較方便得出數據。

2　觀看方法

現在幾乎所有的3d電影都是左右格式或者上下格式的，左右格式和上下格式只是3D立體電影的一種存儲方式，和拍攝方式，播放設備無關，觀看方式有以下幾種。

第一，使用3D播放設備，佩戴與之配套的眼鏡直接觀看。目前，3D播放設備包括3D電視、3D顯示器、3D投影儀和3D觀屏鏡等，主要方式偏振片與主動快門式兩類。主要設備都可以直接播放左右格式的3D電影，在相關的軟件中設置一下參數或者直接硬件合成，左右格式的3D電影就會自動合成稍帶重影的一個畫面，通過3D眼鏡，就可以體驗出屏效果了。

主動快門式也就是時分技術通過支持3D Vision立體顯示的120 Hz掃描屏幕與支持3D眼鏡完成。通過與高刷新率屏幕相配合使用，實現3D效果。

第二，在普通播放設備，轉成紅藍3D格式觀看。軟件設置：顯示方式→分色立體→優化立體，然后直接戴上紅藍3D眼鏡就會有出屏效果了也可以即時轉換并觀看的。

第三，直接遮擋來完成。左右3D方法通過遮擋中間視線進行疊加，視線集中可以完成三維的效果合成。通過用手掌豎放兩眼中間進行遮擋，左右眼各分看視頻，將目光離散后匯聚到一點上。經過訓練觀察兩張照片可以直接顯示成一張立體的圖片。

3　結語

根據視差原理，利用現有小型攝像機或單反相機來模擬人的立體視覺。構建簡單便攜的立體拍攝平臺（平行式及會聚式）對攝像空間坐標系（x，y，z）及顯示空間進行有效的還原。處理實際拍攝空間中前景、主體、背景之間在攝像機光軸方向的距離，計算合理的拍攝距離、攝像機間距，及產生恰當的水平拍攝視差。左右兩路立體視頻顯示處理，分別能在分色、偏振、分時等不同立體模式下正常顯示。

[1]王瓊.電影《阿凡達》3D特效技術解析[J].電影文學,2013(13).

[2]孫延祿從模擬人眼立體視覺功能的差異看3D影像技術的類別與未來[J].現代電影技術,2012(1).

[3]邱章紅,裴之田.3D電影鏡頭的邊框效應[J].中國傳媒科技,2016(2).

[4]李新.小成本3D視頻拍攝編輯研究[D].濟南:山東師范大學,2014

[5]王愛紅,王瓊華,李大海,等.立體顯示中立體深度與視差圖獲取的關系[J].光學精密工程,2009(2).

2013年浙江廣播電視技術研究所科研項目“3D視頻攝制核心技術應用研究”（項目編號：2013009）。

章曉亮（1981-），男，浙江蘭溪人，高級工程師，研究方向：視頻攝制技術。