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3D电视的制作简介

作者:   发布时间:2012-08-21 10:31:29   浏览次数:1651

  3D电影并不是新事物,早在20世纪初期已经有了初步的技术作品,然而2009年《阿凡达》的出现使人们对该技术又有了崭新的认识。2012年1月1日,3D电视频道的试运行标志着它已经逐渐走向千千万万普通电视观众的家里。从3D摄像机到3D电视机各种3D产品应运而生,3D成为当前广电行业里最流行的词汇。而3D电视的节目本身无论是从拍摄、记录、传输还是到画面的还原以及声音的制作都需要有更多的内容需要考虑,本文通过对其制作原理、还原技术、传输技术以及声音技术的简要介绍,为大家勾勒出整个3D电视的制作框架。

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  二.制作原理

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  人们之所以可以看到现实物体的立体效果是由双眼视差以及双眼会聚这两个参数所决定的。双眼视差是指由于人眼之间的距离会对所观察的同一个物体产生微小的差别,这种在双眼视网膜成像所出现的微小水平像位差,通常人们两只眼睛之间的距离在60mm左右。双眼会聚是指人们在看远处物体时两眼视线近似于平行,而看近处物体时双眼视线会向正中聚合来对准物体,这种眼睛肌肉所产生的运动会给大脑提供物体远近的线索。3D电视的拍摄和制作就是利用上述原理来完成的,即利用两台摄像机模仿人们的双眼来拍摄同一物体,在此过程中获取两台摄像机之间的镜头轴间距(IA)以及镜头夹角信息记录成为两路独立的视频信号。在图像重放的过程中利用一定的技术手段把摄像机左眼信号单独送给观众左眼再以相同的方式把右眼信号送给观众的右眼,通过大脑对画面的视差以及会聚参数的感知产生立体效果。

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  三.制作设备

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  目前的3D摄像机可以分为两类,一类是采用两台独立的2D摄像机经过同步设计之后,安装在支架上成为一部3D摄像机,其排列方式分为水平支架式和垂直支架式两种,水平支架式摄像机其摆放方式为平行放置,其最大的缺点是由于两个镜头都比较大,很难使得镜头之间的距离达到人眼的平均距离60mm甚至更小,为此又有了垂直支架式摄像机,同时两台摄像机之间的距离可以从零到无穷任意调节,从而为视差的调节带来了更大的便利,但是由于这种机器的体积较为庞大且造价高,镜头伺服系统同步调节复杂,比较适合电影、综艺晚会、体育赛事等有充分调节时间的节目使用。第二类为摄录一体机,根据其大小又分为肩扛式和手持式两种,其主要特点是携带方便可以在较短的时间内完成设备的调试所以比较灵活机动并且价格相对便宜,其缺点在于镜头轴间距不易调节,只能通过调节会聚来完成其3D画面的调整,这样势必会对其立体效果产生一定的影响,同时其成像器的面积减少使得其画质受到一定的影响。

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  国内首辆3D转播车,它采用德国MAN车头,1.2m单侧拉结构,展开后尺寸为12米长2.5米宽4米高,采用2D/3D可切换系统,包括4台3D垂直支架摄像机,2台3D一体摄像机,2路2D转3D摄像机信号。图5为转播车布局图,从左至右分别为技术区、导演区、会聚调整区、音频区,其中技术区主要负责录像以及光圈等图像调节工作,导演区有3D切换台以及3D监视器,工作人员需要通过佩戴偏振眼睛对立体画面的质量进行监看和切换,会聚(convergence)调整区是在普通的2D转播车上不存在的工位如图6所示,它主要负责对3D画面的会聚(convergence)进行调整,保证3D画面的自然性,音频区主要对3D画面的声音进行制作。

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  四.拍摄技巧

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  在3D画面的拍摄过程中摄像师的构图也要遵循2D画面中的一些空间感知标准,例如对焦点位置的关注、透视现象、遮挡、高光与阴影、色彩饱和度、相对运动速度等,同时还需要对两台摄像机的镜头轴间距以及夹角进行适度的调节,以确保每一部摄像机的立体效果。故在3D制作当中专门增设了一个会聚调整工位,他们需要对画面的立体感进行更加细致的调节使其主观感受更加舒适。在镜头的选用方面由于不需要通过景深来表现画面的立体感,通常选择景深较浅的产品,而在其构图上由于会聚调整区域需要对画面的大小进行一定的剪切所以在实际拍摄的过程中构图会较二维画面“松一些”。同时在演员、舞台、灯光等各个方面较二维画面拍摄提出了更高的要求,其中包括演员的动作需要更能凸显立体感,同时如果光线的层次不够可能会直接影响其3D拍摄的立体效果,以及如果道具的材质较为反光会使左右眼偏差过大从而影响画面立体感等在普通的高清拍摄过程当中不会涉及的问题。

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  在实际的拍摄过程镜头轴间距(IA)主要会影响画面的立体深度,间距越宽画面的深度越深,即画面中的近中远三个位置景物之间的距离越大,但是过度的镜头轴间距会使画面横向变形,改变画面物体本来的形状,故在调节镜头轴间距的时候需要保持一定的平衡。镜头夹角主要会影响到所拍摄物体与屏幕之间的相对位置,当夹角为零的时候所有画面是在屏幕外面的,当夹角会聚到拍摄物体上时则该物体会还原在屏幕之上,物体前面的事物则呈现在屏幕的前方,物体后面的事物呈现在屏幕后方,同理当会聚点在所有拍摄物体之前时整个画面全部分布在屏幕里面。

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  五.2D转3D技术

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  由于目前的3D节目相对匮乏,故而2D转3D技术成为当前解决片源数量较少以及减少3D制作成本的重要方案之一。该技术主要是把一幅二维画面中的近点、中点、远点进行归类,通过把中点物体保持不变近点物体突出远点物体后置的方法模拟出3D效果。由于当前3D机器的使用成本很高,所以为了节省制作成本通常会在一些比较少用到的机位镜头以及近景拍摄的机位使用2D高清摄像机以及3D转换器来代替真正的3D拍摄画面。虽然这种技术有着很大的价格优势以及便利性,但是由于它对图像质量的损失大,在色彩饱和度、纵深感等方面都不能和真正的3D制作技术进行比较,所以只适合作为3D制作初期的替代技术使用,随着3D制作技术的逐步成熟以及制作成本的逐渐降低,最终会被真正的3D电视画面所取代。

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  六.显示技术

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  3D显示技术主要分为三类,如图7所示,包括体显示技术、全息技术以及立体图相对技术。体显示技术以及全息技术由于其实现难度大,目前大部分不能被商业化普及,而立体图相对技术是我们目前应用最多的技术,其原理在于先产生场景中的两个视图,然后通过某种机制将不同的视图分别送给左右眼,即左眼只接收到左眼的信号,右眼只接收到右眼的信号,最终通过大脑对这两幅进行合成,形成虚拟的立体画面,该技术的本质在于通过左右眼视图差别为大脑提供立体信息,最终由大脑虚拟完成。

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  对于立体图相对技术来说,根据其获得左右眼信号的方式不同可以分为眼睛式以及裸眼式两种。眼睛式3D是通过不同的滤波技术使得左右眼可以在同一幅画面中分别获得不同的画面信息,通过人的大脑最终合成影像获得立体画面效果,包括色差式、快门式和偏光式三种。由于色差式使用不同颜色的滤光片进行画面滤光,虽然制造成本低但是图像的边缘容易偏色,所成的3D效果不够理想。而快门式3D由于采用快门眼镜可以根据影像频率的刷新时间来实现,但是由于调试比较复杂同时使用成本过高,给其推广带来了很大的困难。所以偏光式3D技术成为目前最为大家接受的眼镜式成像方式,它是通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面,利用3D眼镜左右分别采用不同的偏振方向最后分离出两组不同的画面,再通过大脑合成立体影像,其价格相对低廉且画面效果较为理想,但是其安装调试繁琐且光线衰减较大也成为该技术的美中不足。所以裸眼3D有其自身的结构性优势,它是通过非配带眼镜的方式来在同一副画面中,获得独立的左右眼画面信号的一种技术,可以分为屏障阵列、透镜阵列、指向光源三种方式。屏障阵列是通过利用开关液晶屏、偏振膜以及高分子液晶层来制造出一系列的垂直条纹,当左眼看到图像显示在液晶屏上时,不透明的条纹会遮挡住右眼的信号到左眼,从而达到分离左右眼视频信号的目的,它最大的好处在于可以与LCD液晶工艺兼容且成本较低。透镜阵列是在液晶显示屏前面加一层柱状透镜来实现的,它使得LCD屏的像平面位于透镜的焦平面上,其透镜下的图像像素被分成几个子像素并以不同的方向投影,从而使左右眼可以分别看到独立的画面。其最大优势在于亮度不受影响成像效果较好,但是其生产成本较高成为该技术推广的重大障碍。指向光源技术实现起来最为复杂,其分辨率和透光率都很高但是目前该技术还尚未成熟。通过对上面3D显示技术的分析可以看出,立体图相对技术是目前最容易实现的技术之一,特别是其中的眼睛式3D在电视机市场应用广泛,但是由于其设计当中的种种缺陷以及佩戴眼睛的种种不便给该技术的进一步发展带来较多的障碍,随着技术的不断发展最终可能会被重放效果更好的全息技术甚至是体显示技术所取代。

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  七.信号传输

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  3D信号的传输方式目前主要包括以下三种方式,1、传输独立的左右眼信号,即传输双路高清带宽同步视频信号,一个代表左眼另一个代表右眼,其优点在于画面清晰,缺点在于带宽过高。2、传输时间交错立体信号,采用这种方式进行画面重放需要对高清电视的基础设施进行升级,为了减少系统升级对播放成本的提高,又提出了时间隔行扫描技术,观众可以通过快门眼睛进行观看,其缺点在于不能够兼容2D电视的播放。3、传输空间交错的立体信号,其主要是在现有的一路高清通道内对于立体视频信号进行传输的模式,采用了空间隔行扫描技术,观众通过偏光眼镜进行观看,其优点在于使用简单方便,且节省带宽,缺点在于图像清晰度损失较大,不能达到高清标准。但是由于其对系统的要求不高,目前采用的3D电视传输方式通常是空间交错传输形式,其中最为常用的是左右方式,屏幕的左边显示左眼要看到的视频,其右边显示右眼要看到的视频。这样的传输方式使得其水平分辨率减少一半,并需要通过偏光眼镜来过滤左右眼的视频信号,从而呈现立体效果。上下方式是指在传输的过程中屏幕的上半边显示一只眼睛的信号而下半边显示另一只眼睛的信号,其中缺点也是垂直分辨率减半,同样需要偏光镜进行过滤立体成像。隔行方式,它是将左右两路图像信息在屏幕上隔行交叉排列,奇数行显示一只眼睛的信号,偶数行显示另一只眼睛的信号,这种方式的缺点同样在于垂直分辨率减半。在棋盘传输方式当中其分辨率在垂直以及水平方向都有一定的损失,且总的效果仍然将空间分辨率一分为二,再使用偏振的办法获得左右眼信号实现立体效果。从上面可以看出,如果在传输领域实现真正的3D高清电视,我们需要对整个广播电视的播出系统进行全面的升级改造,而这种改造对传输成本的大幅度提高成为目前3D电视推广当中最大的阻碍,这种成本降低可以通过技术的进步以及3D制作产业的逐渐成熟而慢慢得以铲除,而目前在该技术的初级阶段上下结构的传输方式不失为一种较好的传输手段。

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  八.声音制作

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  3D电视是画面从平面走向空间所迈出的重要一步,而对于电视声音来说空间感早就成为其制作工艺当中不可缺少的组成部分,立体声和环绕声都是人们对声音空间感探索的结果。与3D电视的成像原理相类似,声像也是通过人们两只耳朵对外界声音差别的感知来实现的,具体的来说主要是通过双耳所感受到声音信号的声压差以及时间差所决定的。由于耳朵位于头部的两侧,所以声波到达双耳的时间会产生一定的差别即所谓的双耳时间差,同时声波到达两耳的强度也会产生一定的区别即所谓的声压差。通过研究发现人耳对于不同频率的声音所依赖的声像判断依据不同,743Hz以下的声音其时间差对声像的影响较为明显,而对于637Hz以上的声音其声压差对声像的影响更为明显。基于以上的心理声学的原理,发明了XY、AB等种种利用声压差以及时间差的立体声话筒拾音技术来帮助人们把现实中的声像记录下来。对于环绕声拾音技术来说,除了需要记录其声像位置之外更多的需要对其声场环境进行记录和塑造,使得观众有更加真实的感受。随着3D技术的发展人们对声音空间感的探索已经不能满足于5.1环绕声在水平方向的声音还原系统了,随之而来的是以Auro 3D技术为代表的针对于3D电影电视技术的9.1、10.1甚至11.1声音重放系统,它不但可以提供良好的水平环绕声效果,同时拓展了听众对声音垂直高度上的声像以及层次的变化,减少了前后声场的突然跳变,同时扩大了最佳聆听位置。3D电视的蓬勃发展带动了音频领域对立体空间声场的更深层次的探索,例如混响器是单声道以及立体声时代塑造声音空间感最重要的设备,而随着扬声器数量的增多,这种效果可以从一定程度上利用扬声器来完成,从而还原出更加自然的声场环境。

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  九.小结

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  3D电视从无到有从电影走向电视,这种种迹象表明3D技术离普通大众越来越近。世界各地的3D电视频道陆续开播使得3D电视已经走向产业化的道路,Discovery、索尼和IMAX公司三方合资创办的3D电视网3net已于2011年2月开播,ESPN也宣布开设3D体育频道,国家广电总局决定于2012年1月1日开播3D电视试验频道,这种种迹象表明3D电视已经成为未来电视的发展趋势。但是昂贵的制作成本以及稀少的3D片源成为目前发展的瓶颈,值得欣慰的是3D电视机从推出到现在平均价格下跌达到57.3%,与2D电视的价格差距越来越小,为3D电视节目的普及推广提供了终端上的保障。同时由于3D重放技术复杂性,使得中国的版权保护事业达到了一个新的高度,从最大程度上遏制了不法分子通过翻拍手段进行盗版的犯罪活动,提高了创作者的积极性为今后有更好的电视作品提供了更加安全的技术平台。

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  虽然目前的3D电视开始向立体方向发展,但是其发展思路仍然没有摆脱2D电视制作技术的束缚。与声音制作技术相类比,虽然人们通过两只耳朵来接受声音信号,但是立体声重放技术并不能完全满足人们对空间感的认知,所以在此之后产生了环绕声重放系统;同理虽然人们用两只眼睛来感受事物但是未必利用双摄像机的立体电视可以满足人们对空间立体感的需求,所以或许在未来3D电视制作当中摄像机可以通过阵列的方式把画面进行处理构造出更具有立体感的3D电视画面制作技术,同时随着我们对视觉心理学以及视觉生理学更加深入的了解或许在不久的将来会出现更加精密的拍摄设备来满足人们对电视画面的需求。

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