2D转3D成像技术全面解读(一)

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电梯直达

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发表于 2011-8-9 11:07:39 |只看该作者 |倒序浏览

媒体和观众对《阿凡达》以及热映中的3D版的《爱丽丝梦游奇境记/ Alice In Wonderland》的追捧主要归功于最新的3D电影技术——动作捕捉和虚拟摄像系统的不断改进终于让3D效果从量变引发为质变。传统的3D技术可使前景对象“延伸”至观众的视野，而3D的影像则凸显了前景与周围环境之间的落差感和层次感，让整个观影者有更加身临其境的感觉。
今天小编就为大家仔细的讲解一下当前3D图像技术的特点、前景以及足不出户在家观看3D电影解决方案！

3D成像原理：世界因双眼而立体

● 世界因双眼而立体，平面图像无法跃然纸上
早在1839年，英国著名的科学家温特斯顿就在思考一个问题——“人类观察到的世界为什么是立体的？”进过一系列研究发现：因为人长着两只眼睛。人双眼大约相隔6.5厘米，观察物体(如一排重叠的保龄球瓶)时，两只眼睛从不同的位置和角度注视着物体，左眼看到左侧，右眼看到右侧。这排球瓶同时在视网膜上成像，而我们的大脑可以通过对比这两副不同的“影像”自动区分出物体的距离远近，从而产生强烈的立体感。引起这种立体感觉的效应叫做“视觉位移”。用两只眼睛同时观察一个物体时物体上每一点对两只眼睛都有一个张角。物体离双眼越近，其上每一点对双眼的张角越大，视差位移也越大。
正是这种视差位移，使我们能区别物体的远近，并获得有深度的立体感。对于远离我们的物体，两眼的视线几乎是平行的，视差位移接近于零，所以我们很难判断这个物体的距离，更不会对它产生立体感觉了，夜望星空你会感觉到天上所有的星星似乎都在同一球面上，分不清远近，这就是视差位移为零造成的结果。
当然，只有一只眼的话，也就无所谓视差位移了，其结果也是无法产生立体感。例如，闭上一只眼睛去做穿针引线的细活，往往看上去好像线已经穿过针孔了，其实是从边上过去的，并没有穿进去。而现在我们所看到的图片、电影、玩的游戏都是平面景物，虽然图像效果非常逼真，但由于双眼看到的图像完全相同，自然就没有立体感可言。
如果要从一幅平面的图像中获得立体感，那么这幅平面的图像中就必须包含具有一定视差的两幅图像的信息，再通过适当的方法和工具分别传送到我们的左右眼睛。

● 立体电影拍摄并不神秘：模拟双眼

既然通过双眼观察世界才能获得立体感，那么想要获得立体的图像也需要两台照相机或摄像机，由此就诞生了“虚拟立体显示”技术，最早引入该技术的是立体电影。立体电影从拍摄开始，就模拟人眼观察景物的方法，用两台并列安置的摄影机，同步拍摄出两条略带水平视差的电影画面，这样影片所包含的信息就与人的双眼亲临拍摄现场所看到的画面毫无二致了。

同样的原理，只需要按照人眼间距并排放置两个摄像头就可以组成立体摄像头。立体电影/视频的拍摄其实很简单，并排放置两个镜头同步拍摄就行了，虽然其中还涉及视频帧合成方面的内容，但理解起来并不困难。不过，想要把立体图像显示给人眼看可不容易，如何才能做到左眼只看左摄像头的图像、右眼只看右摄像头的图像呢？这就涉及到另一个专门的课题，立体影像放映，而这才是3D视觉播放的重点！

3D放映技术：偏振分光的原理

● 立体电影放映：偏振分光技术
电影院放映采用的是偏振法，通过两个放映机，把两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是重影模糊不清的，要看到立体电影，就要在每架电影机前装一块偏振片。从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光。左右两架放映机前的偏振片的偏振化方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。

看立体电影需要带上偏振眼镜

偏振镜分光原理示意图
这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振光方向不改变。当观众带上偏振眼镜后，左右两片偏振镜的偏振轴互相垂直并与放映镜头前的偏振轴一致，所以每只眼睛只看到相应的偏振光图象，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看那样产生立体感觉。

● 偏振光技术简介：
为什么带上偏振眼睛后能使左右眼看到完全不同的图像？确实不太容易理解，关于偏振光和偏振眼镜的原理，由于涉及内容比较多，这里仅作简要介绍。

光就是由互相垂直的电场和磁场形成的一种电磁波，自然光是很多电磁波的混合物，它在各个方向的振动是均匀的。当它以特定的角度(布儒斯特角)经过非金属表面后反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度，就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。部分偏振光是有程度的，偏离的角度越大，偏振光的成分越少，最终成为非偏振光。有了偏振光，有时会给我们照相带来不利。玻璃表面的反射光，使我们拍摄不到玻璃橱窗里面的东西，水面的反射光使我们拍摄不到水中的鱼•••

但利用偏振光的这种特性正好满足立体电影的需求——让左右眼看到完全不同的画面。通过给两个投影机加装偏振片，让投影机投射出互相垂直的完全偏振光波，然后观众通过特定的偏振眼镜，就能让左右眼看到各自不同的画面而互不干涉。

3D放映技术：圆偏振取代线偏振
以前我们用胶片放映机放映3D电影时，一般常用的是线偏振技术或红蓝滤光技术（稍后做详细介绍），不管是应用条件还是成像质量，这两种技术或多或少都存在瑕疵。随着科学技术的不断进步和数字放映技术的应用，新材料、新技术的发展使数字3D电影无论是色彩还原还是观看舒适度上都得到了很大的提高。

新老偏振放映技术
偏振放映技术目前在3D电影院中较为常见，在早期放映立体电影时，也曾经使用过偏振眼镜。但确切的说，那时使用的眼镜应该叫线偏振眼镜。而现在普遍使用的圆偏振技术是在线偏振的基础上发展的，原理基本一致，但它在观看效果上比线偏振有了质的飞跃。

以前我们在使用线偏振眼镜看立体电影时，应始终保持眼镜处于水平状态，使水平偏振镜片看到水平偏振方向的图像，而垂直偏振镜片看到垂直偏振方向的图像。如果眼镜略有偏转，垂直偏振镜片就会看见一部分水平方向的图像，水平偏振镜片也会看见一部分垂直方向的图像，左、右眼就会看到明显的重影。

左旋和右旋偏振光波示意图
而圆偏振光偏振方向是有规律的旋转着的，它可分为左旋偏振光和右旋偏振光，它们相互间的干扰非常小，它的通光特性和阻光特性基本不受旋转角度的影像。现在看偏振形式的3D电影时，观众佩戴的偏振眼镜片一个是左旋偏振片，另一个是右旋偏振片，也就是说观众的左右眼分别看到的是左旋偏振光和右旋偏振光带来的不同画面，通过人的视觉系统产生立体感。Real-D和Masterimage的3D放映辅助系统主要采用的就是这种技术。

● IMAX观影必备：RealD眼镜
RealD的眼镜采用一次性的偏光薄膜镜片，也被IMAX广泛采用。成本很低，特点是大且轻，佩戴起来很方便且相当适宜看IMAX这样的大屏幕。特别是因为眼镜很大，所以即使是带眼镜的朋友也能够轻松佩戴这幅眼镜观看影片而无须换带隐形眼镜。采用偏振技术的RealD眼镜在画面亮度和色彩方面几乎没有什么大的损失，通过眼镜观察到的3D画面清晰明亮，无论是画面中心还是边缘亮度都比较统一且没有什么明显的边缘3D聚焦不准的感觉（镜片大的好处）。

网友展示大个RealD眼镜
除了大的RealD眼睛外，也有普通尺寸的RealD眼镜，如图所示，视觉效果都差不多。

常规尺寸RealD眼镜
因为RealD眼镜设计为一次性使用，所以做工就比较粗糙。但是很多电影院不舍得频繁更新眼镜，一副眼镜会被反反复复利用很久，这样一来眼镜镜片上常常会有很多手印油腻甚至灰点什么的，去这种电影院务必自带镜布清洁镜片，运气不好遇到有划伤的眼镜只能自认倒霉了。
▲ 特点：3D效果逼真，眼镜成本低，佩戴舒适。但是应用范围窄，放映系统成本高，只适于大型影院。

3D放映技术：红蓝滤光技术
偏振技术比较难懂，当然技术难度也比较高。所以之前一些比较低端的电影院都没有使用偏振技术，而是使用了常见的红蓝滤光技术，大家在入场都会收到一个“纸糊”的眼镜。

● 图像分色技术原理
红蓝眼镜很多人都见过，其镜框、眼镜架的材料都是用纸作成的，镜片也不过是一红一篮两张塑料作成的透明镜片，可以说这完全是零成本的产品。

NVIDIA 3D Vision也有一种解决方案就是使用红蓝眼睛
使用滤光技术制作的立体电影，在拍摄时给左右摄影机镜头前分别加装蓝/红滤光镜，只允许蓝/红光通过，阻止大部分红/蓝光。当然现在的影片拍摄并不一定要用滤光镜，事实上通过后期处理也能剔除一些色彩(如 photoshop的滤镜)。

红蓝滤光技术原理
当观众看电影时需要带一个红蓝滤光眼镜，此时左放映机的画面通过红色镜片(左眼)，拍摄时剔除掉的红色像素自动还原，当它通过蓝色镜片(右眼)时大部分被过滤掉，只留下非常昏暗的画面，这就很容易被人脑忽略掉；反之亦然，右放映机拍摄到的画面通过蓝色镜片(右眼)，拍摄时剔除掉的蓝色像素自动还原，产生另一角度的画面，当它通过红色镜片(左眼)时大部分被过滤掉，只留下昏暗画面。这两个角度的画面经过滤光镜之后依然是偏色的，但当人眼传递给大脑后，又会被自动合成从而生成接近原始色彩的立体画面。

然后，左右眼把看到的图像传递给大脑后，大脑会自动接收比较真实的画面，而放弃昏暗模糊不清的画面，从而根据色差位移产生立体感和距离感。
从整体的使用感受中来看，3D立体效果还是非常明显的，但是缺点也非常明显，毕竟这仅仅是通过对两种颜色的过滤实现的效果，无法避免的偏色让这种3D的效果大打折扣，而且如果立体位移较大的话，人脑就无法将两幅偏色的画面自动合成了，这样会导致立体感丧失。
使用滤光原理制作的电影完全可以兼容所有的显示设备，我们只需要一副成本几元钱的红绿眼镜就够了。事实上早期的或者低端的立体电影院就使用了这种方案。

《地心历险记》3D版：直接看的效果是重影、偏色

立体摄像头使用的也是红蓝滤光技术
现在已经有很多大片提供了红绿或者红蓝滤光的3D版下载，很多朋友看了之后觉得头晕目眩、眼睛疲劳、边缘色彩不正常、重影等诸多问题，最大的原因就是滤光眼镜和影片不配套所致，另外红蓝虑光对观看距离有严格的限制，距离屏幕太近或者太远都会大大影响3D效果。