3D视频摄制技术应用研究

章晓亮

（作者单位：浙江传媒学院）

3D视频摄制技术应用研究

章晓亮

（作者单位：浙江传媒学院）

随着新技术不断发展，3D视频除传统传播媒介外，在科技馆、博物馆、规划馆等这一细分市场也有较大需求。研究不同设备不同情景下对应的拍摄解决方案，确定拍摄参数的范围、景别、节奏，根据人眼舒适性有针对性进行调节。本文介绍几种观看3D视频的方法。

3D视频、摄制技术、显示方式

影视的创作不仅仅可以通过新颖的故事情节来吸引观众，各种影视制作新技术的应用，也赋予了更大的创作空间，其中3D技术对影视的影响较为深远，该技术将带来全新的视觉体验［1］。

3D技术主要基于人的双目立体视觉源于人眼的视差这一机制，由英国科学家查尔斯·惠斯通发现。与2D信号相比立体3D视频信号具有更有效的视觉表达，可以使人产生强烈的沉浸感和临场冲动。

从国际市场发展来看，3D市场占有率在持续增长，部分电视台已经推出了3D频道，如BSkyB、ESPN等广播商，2010年世界怀有25场比赛使用3D技术转播。据统计，2014年美国生产了21部3D商业电影，中国生产了13部。

数据提供商数据显示，在中国已上映的27部3D影片（进口片17部+国产片9部）累计票房达到105亿元，占所有电影总票房的42%。由此可见，中国观众对3D影片的热爱及3D影片强大的吸金能力。

而在美国，电影观众对3D影片的热情度正呈下降趋势。朱梁指出，2008-2016年11月，美国3D电影的数量趋势呈现先增后减，其主要原因，一批能带来丰厚回报的3D电影的出现，投资方片面认为只要是3D电影形式，就可以有钱赚，所以纷纷拍3D影片或直接2D转3D。3D影片数量不断增加，制作周期变短，从放映的技术来讲，放映的亮度和分辨率往往不够，影片缺少创意、制作水平偏低，造成电影的制作质量下降，让观众产生厌烦心理。甚至部分电影如《机械战警》《超验骇客》《超体》等在北美并无3D版本，而是由2D直接转成3D“特供”中国观众，影片质量可想而知。目前，除了院线电影之外，3D视频应用对于科技馆、博物馆、规划馆等这一细分市场也有较大需求。现在最欠缺的就是数字内容，对3D内容制作的研究有重要意义。

3D视频立体效果实现主要通过摄制技术与立体影像显示技术结合完成。立体视频制作的方式主要有实拍、数字合成技术、也有将2D视频转换成3D视频、通过这些技术手段有效组合决定最终画面的表现力和舒适度。立体影像显示技术主要分为色差式、偏振式、主动快门式和近眼微显示式等，以及基于基本视差的裸眼3D显示技术如柱状透镜式、光屏障式。

3D视频的制作难度远高于普通节目制作，制作前需根据节目各项需求及3D拍摄的特点统筹规划，针对3D拍摄基本规律作进一步优化，如草率地进行拍摄，最终的3D节目不仅未能满足观众的需要，反而给观众带来视觉疲劳、头晕目眩等不良反应，因此有必要对3D视频拍摄制作进行深入研究。

1　影响立体拍摄的主要因素

对于拍摄创作人员最为关心的问题，如何选择好各类摄制设备及相关软件，解决摄制过程需面对的核心技术问题。在摄制过程中需要结合相关原理及实践操作经验，分析影响立体拍摄的影响因素，得出立体拍摄策略以及主要参数调整方法。

1.1立体影像人眼交汇点的确定及双目视觉舒适感

双目聚焦某一物体时，视线交汇，大脑通过中间汇聚的角度测出相应距离，从而会产生立体感。当观察距离远处单个物体时，汇聚角度变小，观察距离较近的单个物体时，汇聚角度会变大。当多个物体出现时，人眼对多个物体都有不同汇聚点，由此形成人眼强迫视线交汇产生的空间也就是立体空间。从眼睛到物体之间距离产生立体影像［2］。

相对摄像机而言，模拟人眼的视觉错，根据物体远近汇聚不同角度。立体感知深度测试也是立体成像效果的关键。

物体的水平视差指相同物体上左右眼视差对应的像素点的水平距离。如果把物体简称为B，B左眼视差在屏幕上对应的像素点为l，右眼视差在屏幕上对应的像素点为r，左右（l，r）像素之间距离为P，左右眼间距为D，眼睛到屏幕的观看距离为L，立体感知深度为V，那么立体感知深度就可以用公式表示为：

V=L*P/P-D

当l在r的左侧时，P为正值，观看距离L和双眼间距D固定，P≤D，因此V值为负数，该物体具有正视差，表明物体位置位于屏幕的后方，如图1所示。

图1　l在r的左侧

当l在r的右侧，像素点左右互换位置时，P值为负，观看距离L和双眼间距D固定，因此V值为正数，此时物体具有负视差，表明物体位置位于屏幕的前方，如图2所示。

图2　l在r的右侧

当l和r汇集到一点上时，P值等于0，观看距离L和双眼间距D固定，计算得出V值为等于0，该物体零视差，表明物体位置位于屏幕上。

图3　l和r汇集到一点

拍摄前需要对立体深度提前估算，确定对正负视差的大至范围，确保观众不受视觉疲劳的影响。根据《3D电视技术指导意见》和电视台的制作规范图像中主体部分的立体深度在3%的阈值，即正视差在屏幕上左右眼成像间距小于高清电视画面水平方向的2%，负视差小于高清电视画面水平方向的1%。短期冲击效应分别不超过4%和2.5%［4］。具体实际拍摄过程可通过使用3D立体深度计算软件，输入镜头的焦距；摄影机成像元件的尺寸；画面中拍摄物体到摄影机的距离；成片播放银幕的大小等，可以直接计算出推荐的轴距和会聚数值，也有计算软件会提供成像的最大正负视差值［5］。

1.2立体拍摄器材

3D前期拍摄主要有两种形式，一种是并列式，一种是垂直反射式，垂直反射镜方式是将对偶摄像机垂直摆放，利用半透明反射系统使对偶摄像机获取视频信号。最大优势避免受空间与场地不足，装置操作上比较复杂，需要3D拍摄采用两个摄像机并列，会聚角调节范围相对比较广，但受到镜头之间物理距离的限制，有些镜头不容易拍摄。

直角机位拍摄法。会聚法拍摄中有一种直角机位拍摄法，对偶摄像机垂直摆放，利用半透明反射系统使对偶摄像机获取视频信号。直角机位拍摄法的装置操作比较复杂，需要将一片半透明镜安装在特质的金属框架中，在半透明镜片两侧按照直角机位安放摄像机，一台摄像机在半透明镜后方拍摄左眼图像，另一台摄像机在半透明镜前方拍摄右眼图像。由于操作复杂，装置庞大，因此利用直角机位拍摄法拍摄之前需要进行实地检测调整。

并列式与垂直反射式拍摄方式从使用成本与效率、系统硬件成本上来说，对于刚起步，初步探索的单位，采用更容易兼顾平台与立体拍摄快速切换的模式。

消费级的立体拍摄可以借助3D软件来完成如景深相机等软件拍摄最终进行合成。

1.3具体拍摄注意点

1.3.1镜头要素的构成

远景等以空间景物为拍摄对象，表现其范围和广度，主要用来表现具有空间关系的景别。一般用来展示大的空间、环境、交代背景，展示事件的规模和气氛。

远景相对而言具有较强的纵深感，更具有立体化、大景深特别，在场景布置上空间层次一定要丰富，前景景物、主体及背景突出。在3D拍摄上可以更多的使用该方法。

近景相对而言画面主体取景胸部以上，占据画幅面积一半以上，而特写与大特写更多拍摄物体细节和人物瞬间神态更在乎表情变化，视觉上具有强制性观众强制拉近去看，相对而言持续时间相对较短，3D拍摄最终成片使用上相对较少。

立体图像相比二维图像多了纵深轴的维度，需要针对纵深轴特点进行构图、对复杂场面进行有效调度，满足各种视差需要就成为关键。

景别控制始终围绕观众的兴趣点，客观真实环境纵深处的人物距离远近需要与环境景物的大小对比相协调往往都是在观众的视线方向行进，冲出银幕给观众一个措手不及，或者深入银幕纵深处提升观众的好奇心。

在确定景别拍摄时更需要注意3D边框效应，避免拍摄对象处于边框效应范围之内。

边框中上边框影响巨大，特写处于较明显位置、显著的空间位置，宽银幕特写“不留头”的习惯，利用视觉特性自动补足被卡在边框以外人物的额头［3］。而在3D影视，创作者的选择是让人脸出屏，额头的补足还处在屏幕上，有空间的错位，那么比较严重的边框效应就会出现。

当边框与两幅不同的画面相互交汇时，由于拍摄角度的差异，必然会导致在边框附近，一幅画面中的一部分内容在另外一个画面中是被遮掩的。

相对较特别的镜头通过快速出画或入画来完成。避免长时间在边框效应范围内停留。

1.3.23D影片节奏的总体把握

影片节奏上节奏是人们对事物运动变化的总的感受。把握节奏的一般要求是：注重运动，富于变化，保持协调。运动产生速度，速度形成节奏，节奏是贯穿节目始终的一种连续而又有间歇的运动相对舒缓，便于3D信息的接收。延长镜头时间的做法，表现了动作的逼真性与完整性。

节奏主要有镜头长度、镜头的运动节奏及画面主体物的运动节奏。按3D立体影片拍摄制作镜头长度分，主要分长镜头与短镜头。一般来说，镜头运动节奏长镜头相对缓慢；短镜头节奏相对较快。

镜头的长度更需要与画面内容相适应。需要分析和灵活应用镜头长度带来节奏变化，恰当地取舍镜头长度与剪辑点，增强镜头画面内容的表现力。

除控制镜头长度外，在3D拍摄对镜头内的主体物运动也需要进一步控制。一般来说，主体物的运动速度快，节奏就快；主体物的运动速度慢，节奏就慢。此外，由于内容情节节奏和表现形式节奏的整体节奏也能起到较大的影响。

1.3.3拍摄对象与技巧上避免以下几类情况

拍摄物体不能全部为纯色，如蓝天、白墙；拍摄物体细致网格图像避免与摄像机CCD重叠引起摩尔纹效应，带细密方格子的图像。拍摄物体特别细微，不易分辨的如粒子，灰尘；避免文字在画面物体空间位置和遮挡关系的错误。

1.3.4拍摄镜头选择

镜头选择上需要避免广角镜头与长焦镜头，3D会聚以免产生太远太扁的效果。广角拍摄使被摄人物在屏幕上显得更遥远，而长焦镜头拍摄会过度拉近距离，造成画面扁平化。

研究不同情景来确定相应的解决方案：太小的物体、太远的场景、前后景距离过大等因素。

研究确定拍摄参数的范围，摄像机瞳距对应设置，如在类似人眼区段拍摄设置；若拍摄远近景选择瞳距设置。使用镜头焦距增减对瞳距的影响。

会聚角精确计算，根据会聚面的距离得出会聚角的近似数值。对调整设定支架参数及监视器上的视差。3D计算器可以比较方便得出数据。

2　观看方法

现在几乎所有的3d电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立体电影的一种存储方式，和拍摄方式，播放设备无关，观看方式有以下几种。

第一，使用3D播放设备，佩戴与之配套的眼镜直接观看。目前，3D播放设备包括3D电视、3D显示器、3D投影仪和3D观屏镜等，主要方式偏振片与主动快门式两类。主要设备都可以直接播放左右格式的3D电影，在相关的软件中设置一下参数或者直接硬件合成，左右格式的3D电影就会自动合成稍带重影的一个画面，通过3D眼镜，就可以体验出屏效果了。

主动快门式也就是时分技术通过支持3D Vision立体显示的120 Hz扫描屏幕与支持3D眼镜完成。通过与高刷新率屏幕相配合使用，实现3D效果。

第二，在普通播放设备，转成红蓝3D格式观看。软件设置：显示方式→分色立体→优化立体，然后直接戴上红蓝3D眼镜就会有出屏效果了也可以即时转换并观看的。

第三，直接遮挡来完成。左右3D方法通过遮挡中间视线进行叠加，视线集中可以完成三维的效果合成。通过用手掌竖放两眼中间进行遮挡，左右眼各分看视频，将目光离散后汇聚到一点上。经过训练观察两张照片可以直接显示成一张立体的图片。

3　结语

根据视差原理，利用现有小型摄像机或单反相机来模拟人的立体视觉。构建简单便携的立体拍摄平台（平行式及会聚式）对摄像空间坐标系（x，y，z）及显示空间进行有效的还原。处理实际拍摄空间中前景、主体、背景之间在摄像机光轴方向的距离，计算合理的拍摄距离、摄像机间距，及产生恰当的水平拍摄视差。左右两路立体视频显示处理，分别能在分色、偏振、分时等不同立体模式下正常显示。

[1]王琼.电影《阿凡达》3D特效技术解析[J].电影文学,2013(13).

[2]孙延禄从模拟人眼立体视觉功能的差异看3D影像技术的类别与未来[J].现代电影技术,2012(1).

[3]邱章红,裴之田.3D电影镜头的边框效应[J].中国传媒科技,2016(2).

[4]李新.小成本3D视频拍摄编辑研究[D].济南:山东师范大学,2014

[5]王爱红,王琼华,李大海,等.立体显示中立体深度与视差图获取的关系[J].光学精密工程,2009(2).

2013年浙江广播电视技术研究所科研项目“3D视频摄制核心技术应用研究”（项目编号：2013009）。

章晓亮（1981-），男，浙江兰溪人，高级工程师，研究方向：视频摄制技术。