身临其境视觉逼真 浅谈3D立体电影制作_肖甲玩电脑

《阿凡达》采用3D技术，将电影屏幕变成了一个通向潘多拉星球的大门。在看3D电影时，我们不仅能看到上下、左右方向的运动，还能够看到离我们而去或者向我们而来的动作。3D电影会有这种效果，是因为我们看到的世界，已经过大脑处理。因为两只眼睛位置的区别，每只眼睛看到的图像都有细微的不同。大脑会将这些图像处理成立体视觉，让我们能够分辨出距离感。3D电影原理就是如此———让两只眼睛分别接收到不同的图像，剩下的就让大脑自动完成吧。那3D电影是如何制作出来的呢?下面小编就简单为大家介绍一下。

立体影片制作流程揭密

        三维立体影片(Stereoscopic 3D)制作流程与传统平面电影制作不同，大致如下图所示：

立体影片制作与平面影片制作不同，它在前期制作的时候必须有立体图形师(stereographer)创建的深度脚本(depth script)，它与故事板配合以确定后续的Layout制作并预览立体效果。这一步对与整个影片的立体效果来说显得至关重要。一方面，它帮助决定了每一个镜头的景深度；另一方面，有利于前后镜头间的深度衔接，确保观众能观看到舒适的画面。

        按传统平面影片制作流程走到2D故事板环节，则必须使用至少由3个虚拟摄像机的camera rig来制作动画Layout。其中位于最中央的摄像机为观测摄像机，其余的为渲染摄像机用以渲染出左右眼图像。

一般使用2个渲染摄像机，Maya2009版本内置了这样一套Camera rig。这两个摄像机之间的距离，也就是产生左右两幅画面差别的原因，它对于立体效果有最直接的影响。摄像机之间的距离值需与深度脚本相适配以产生舒适的立体效果。

立体效果对个整个流程的各个环节都有着很高的要求：

动画方面需要注意根据故事情节和深度脚本密切配合，尤其是出屏效果控制；

流程走到材质纹理环节，则需要3D纹理来达到比较令人信服的效果；

特效方面则必须与灯光等配合，在渲染的时候一定要渲染出令人满意的体积感；

渲染方面一般需使用光线追踪算法以得到真实的光影效果。

         如果是三维与实拍结合的立体影片，那么最简单的办法是：你可以在现场使用红蓝眼镜来预览你的立体效果，当然，使用立体监视器最好。如果是纯三维立体影片你最好输出视频文件并使用投影设备和立体眼镜来进行预览。

        立体效果制定非常关键。长期预览观看立体效果会明显导致眼睛疲劳，所以制定立体效果最好是在眼睛比较放松的情况下进行，这对于三维与实拍结合的立体影片显得更加重要。

背景知识

        立体图像是对现实的一种模拟。因此，它必须符合人眼双视角成像原理。

        由于人的双眼所处空间位置的差异(这个距离一般用国际平均值6.35厘米)，致使现实环境分别在两眼中形成两幅有细微差别的图像，这两幅图像经过大脑的识别处理，人就能感知环境物与人眼的距离和环境物的状态(包括大小，颜色，材质等信息)。如下图所示：
红色三角形与绿球相交的区域为左眼看到图像，而绿色三角形与绿球相交的区域则为右眼看到图像。左右眼的图像同时被大脑接收，融合，并加以识别，人就知道绿球与人的距离，绿球的大小，颜色，材质等信息，立体图像就在大脑中形成。当然，如果绿球处于运动状态，那么两眼将不断的刷新各自看到的图像，并交给大脑进行处理，人也就可以不断更新对绿球的感知信息。
由以上的双视角成像过程，我们可以知道，是同一环境分别在左右眼形成有细微差别的图像，经过大脑的识别处理，使我们感知立体环境的存在。也就是说，为了模拟双视角成像，必须首先有左右两个相机去捕获环境影像，然后将左影像交给左眼观看，右影像交给右眼观看，最后大脑才能进行识别处理形成立体图像。我们来审视一下这个模拟的过程。我们无法插手大脑如何识别处理左右图像这一环节(至少现在能插手的极其有限)。幸运的是，我们可以控制如何将左右两幅图像交给大脑。这也就是立体图像的呈现方式。方式多种多样，常见的有偏振镜方式(polarized projection)，红蓝眼镜方式(red & blue glasses)，主动投影方式(LCD Shutter)等。这里，我们对这些方式不详细探讨，下面主要讨论一下立体图像内容制作方面的技术问题。

景深感知

         人眼对于环境深度的感知是从以下几个方面感知的：透视关系，已知对象的大小，细节，遮挡关系，光影，相对运动。
从上图，沿着战壕向远方可以看到明显的透视关系，它可以暗示给人知道整个空间的体积大小。

       一个鸽子有多大，我们是见过的，一个沙袋有多大我们也见过。它们在场景中的大小比例会给我们一个暗示，它们离我们大概有多远。

        木棍的纹理我们大致知道。近处的木棍的纹理我们看的清楚，远处的就看不清楚了，因为离我们很远。

        扇起翅膀的鸽子挡住了滑翔的鸽子表明了它们之间的前后关系，也就是告诉我们它们离我们的远近信息。

       因为大气的缘故，我们看近处的物体接受光照射程度比较高，因此它的饱和度总比远处的高，同样也给我们一种深度的暗示。

       物体以同样的速度运动，我们看到近处的物体总比远处的快。

       所以，可以理解，在制作立体影片的时候，适当增强以上几个方面的深度感知程度是可以给观众带来印象深刻的立体体验的。

       在实际制作的时候，可以应用明显的和暗藏的多个透视关系来增强观看者对环境空间体积的感知。而透视关系，当然是通过丰富的场景层次来表现。例如:


      上图为Blizzard公司游戏Diablo3的预告片中的一张截图。最近处的石人和石墙被稍作模糊处理，稍远处依山建造的城堡，再远处是处于阴影区的山，更远处是有金光照耀的山，最远处的山和天幕。5个明显的层次，构造了明显的透视关系。而石墙之后，城堡和阴影区的山之间还给观众暗示了一个巨大的体积空间的存在。这里值得一提的是，在立体影片里面，一般都会保持画面的清晰可见，不会对其作模糊处理。模糊处理会使人感觉景深混乱，一方面削弱了立体感，另一方面，会引起观众不适。这也是我们接下来也探讨的立体制作的原则之一。

立体影像制作原则

        人眼的双视角立体成像原理决定了我们进行立体制作的时候必须遵守一定的立体制作原则。在使用三维软件(如Maya, 3D Max等)进行立体制作的时候，我们通常使用3台摄像机组成的Camera Rig进行制作。

         首先，我们必须要满足一个前提条件：左右图像之间不能存在垂直的偏差，也就是说同一个目标像素在左右图像中只能是存在水平方向的偏差。因为我们的眼睛无论什么时候都是瞄准单一目标，左右图像才能被大脑识别处理成像。

          有效立体成像区域(Effective stereo zone, 记为ESZ)
   目标距离(Target Distance，记为TD)就是你要拍摄的目标到你的摄像机的距离，也就是聚焦点的位置。有效立体成像区域为：1/2的目标距离到3/2的目标距离之间，即1/2*TD < ESZ < 3/2*TD。不难想象，如果一个物体(例如你的鼻子)离你的眼镜非常近，你将需要努力旋转你的眼球，以聚焦到该物体上，也就是通常所说的斗鸡眼，这会引起大脑不适。

摄像机间距(Effective Camera Distance，记为ECD)

         摄像机间距也就是左右两个摄像机之间的距离。这个距离，根据经验，应该等于目标距离的1/30，即ECD=1/30*TD。

屏幕前后

        屏幕指的是投影平面。摄像机视角向无限远，以目标距离为界，如果物体刚好处于目标界上，那么它在左右摄像机图像中的位置是一样的，因此不存在视差(parallax)；如果该物体位于目标界之前，它拥有负视差(Negative parallax)，反之，为正视差(Positive parallax)。所有拥有正视差的对象在投影的时候将会出现做屏幕里面，而拥有负视差的则会出现做屏幕前面。所有处于屏幕里面的对象都比处于屏幕前面的看起来更舒服，但这并不意味着你不能将对象摆在屏幕前面。经验告诉我们，长时间将对象摆在屏幕前会引起观众不适，例如头晕，恶心等症状，因此应该避免长时间将对象摆在屏幕前面。

观看时图像间距(Max Image Separation，记为：MPS)

         观看时图像间距就是在观看立体效果的时候，同一对象在左右投影中的水平距离。这个距离值的最大有效值等于屏幕到观众之间的距离(Viewing Distance，记为VD)的1/30，即MPS = 1/30*VD。

立体制作时应注意事项

         避免画面中观众的主要关注对象被屏幕的边框裁切，这样会直接破坏立体感，同样会引起不适。

         为得到逼真的效果，所有的反射折射都应该使用光线跟踪算法计算；尽量使用真实的材质纹理，避免使用贴图。

         同一镜头和前后两个镜头之间应该尽量使用同样的焦距。否则，将迫使观众不断调整眼球运动，容易引起眼睛疲劳和不适。

         当进行立体布局(stereo layout)的时候，一方面近处场景道具应该尽量不要太靠近1/2*TD位置，另一方面远处的则应该尽量靠近3/2*TD位置。这取决于你想要的场景的景深度。

          由于没有真正完美的视差值，所有依靠主动的或被动的立体眼镜泄露的立体显示，都允许一个眼睛能看到另一个眼睛应该看的图像的部分画面，这种情况称为串扰(crosstalk)。可见的串扰叫随影(ghosting)，会削弱立体感。因此，第一，使用能接近你想要的立体感的尽量小的视差值；第二，尽量避免使用高对比度图像。