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立体拍摄与制作技术热点发展现状

供稿人:田丰;殷媛媛  供稿时间:2012-11-29   关键字:立体显示  立体拍摄  
双目视差体现在视差图像中,因此,视差图像的获取是实现3D显示的前提。视差图像的获取途径主要有两种:一种是立体相机实拍获得,另一种是计算机渲染获得。由于环境、器件等因素,双视点或多视点的立体实景拍摄难度较大,且立体实景影像在影视作品中更为普遍。其中研发高精度同步3D镜头,准确把握拍摄物空间与显示像空间的关系并减少视差图像的失真是视差立体实景拍摄的热点技术。立体摄像机及其镜头目前都由日美厂家掌握,利用立体摄像机拍摄已被推广到各个摄制组,成为电视摄像的热点。
热点技术一:高精度同步3D镜头
日本索尼一直是3D摄录像机的最大生产商,而日本富士能独立研发的3D镜头已占据了市场主流。包括电影《阿凡达》等无一列外都是用了富士能的3D产品。
 
3D镜头的质量决定最终的立体成像效果,镜头是3D制播中最重要的设备之一。目前3D镜头已基本达到实用水平,但在镜头匹配精度上有待进一步提高。
 
3D镜头与普通2D镜头相比,除了在焦距、光阑系数等参数表现出色以外,还要求3D镜头中的两个子镜头严格匹配。两个镜头必须在变焦速度上严格匹配,而且在变焦期间的任意点也必须在同一焦距,在同一点镜头焦点对准必须完全一样;同时在整个变焦范围内,3D镜头的光学中心也必须保持相同。3D镜头的变焦和聚焦都是通过内置伺服控制器进行精确调整的,其调整精度直接关系到变焦和聚焦的精度。后冲是机械产生的游隙(镜头和马达之间),因此即使伺服控制器可以精确地控制,镜头和马达之间的间隙也会导致两个镜头的同步运动出现问题。在3D镜头内增加特制的齿轮与离合器是当前的热点技术,齿轮机构可消除游隙,使3D镜头达到非常高的匹配精度。
热点技术二:与场景匹配的立体相机间距
只有当视差图像的视差值合理,才能得到较好的3D效果。视差过大,人眼不能融合图像,产生场景图像的叠影;视差过小,3D影像立体感不强,失去了身临其境的感受。因此,立体相机间距与场景匹配是立体拍摄的关键技术之一。上海大学在立体拍摄的理论研究上有较好的基础,其理论已应用在上海世博会的展示产品中。
 
上海大学研究提出的场景包容范围,不同于现有文献中提到的球体模型场景包容范围,如图1(a)所示,以及LCD立体显示专业厂商提供的锥形区域包容范围,如图1(b)所示,而是获得了如图1(c)的修正模型。相比厂商提供的模型,上海大学修正的模型主要增加了后景包容范围。按照厂商提供的模型所拍摄或制作的片源会损失部分景深,不能发挥出立体显示器的所有性能。
图1(a)包围球示意图;(b)专业厂商提供的包容范围示意图;(c)上海大学提供的包容范围示意图
热点技术三:视差图像的畸变校正
上海大学研究提出,如图2(a)所示,机位与场景的距离为H,在相同H情况下,拍摄间距越大,前景越是突出屏幕,后景越是凹陷屏幕,间距过大会引起人眼不能融合视差图像。如果拍摄间距不超出极限值而同时保证立体显示器显示的场景画面不失真,这就要求所拍摄的实物与显示器显示的三维图像满足等比例缩放关系。图2(b)描述了各尺寸立体屏幕中拍摄位置与前后景深极限的关系。红色和蓝色曲线表示了3 m宽屏幕对应的不同间距情况下前后景深极限位置。机位的变化影响了过场景O直线的斜率k,最终影响了视差大小。对于相同大小的屏幕,随着机位距离的增大,其前后极限范围缩小,对于相同拍摄距离,屏幕越大,其前后极限范围越小。
图2 (a)物理场景与显示虚拟场景比例基本一致;
(b)针对各尺寸立体屏幕,不同拍摄间距所对应的前后景深极限
热点技术四:3D支架
3D拍摄支架是在拍摄3D电影视频时装配两部摄像机所用的支架,材料一般为炭纤或合金材料。在3D制播时3D拍摄支架的作用非常重要,它的好坏会影响3D视频的观看质量。如果支架的精度不够,则可能产生3D影像的偏差,并产生不适感。
 
目前国内外的大型厂商,如索尼、松下、安达斯都推出了3D支架产品。索尼和松下推出的支架产品主要是为了配合自己的3D摄像机,所以在使用其他3D摄像机或两台2D摄像机时有可能在兼容性方面存在问题。
 
其中最知名的3D支架产品供应商是安达斯集团。安达斯集团携手3ality Technica公司推出的3D拍摄支架满足了对常规3D拍摄的要求,支持两台2D摄像机同时工作,并且可以精确控制摄像机的相对位置和角度,同时调节两台摄像机的光圈等参数。
热点技术五:3D转播车
3D转播车是3D现场制作系统的主要应用形式,目前在全球使用的3D转播车大约有30辆。与2D高清转播车相比,3D转播车增加了3D处理层和3D工位,信号带宽是2D的2倍,同时向下兼容2D转播。3D转播车系统的设计可分为2D/3D切换和2D/3D同播系统,目前主要的设计难点是兼顾3D和2D的工作流程,怎样使2D和3D制作更好更方便地兼容并节省成本。
 
3D转播车中的核心设备是3D处理层,主要指形成3D信号的处理设备,包括3D摄像机支架和3D立体图像处理单元。其它配套设备包括3D摄像机、切换台、监视器、录像设备等。目前生产核心3D处理层的厂家主要有索尼、3Dlity、CPG等公司。这些主要设备都可以用于现场直播。3D车主要的发展方向是怎样使3D制作尽量和2D一致,或者说尽量简单方便又不影响节目质量。
热点技术六:3D切换平台
在3D节目制作系统中3D切换台担当着重要的信号中枢调度角色,对3D节目制作中的左右眼双路信号如同2D制作中的单路信号一样实现双路同时切换、特技效果的同时处理,是3D直播以及录播节目制作中不可或缺的中心设备。
 
随着3D节目制作的发展,各厂家也纷纷推出了各自的3D切换台。一般的3D切换台具备了基本的左右眼双路信号的链接和联动以及一些基本的切换和输出,如CUT、MIX。而对于更为复杂的3D特效切换、3D视差调整以及单链路3G带宽的3D支持等功能则在更高端的产品中才会出现,如索尼的MVS-7000X中大型切换台产品。索尼的MVS-7000X是目前业界最专业的切换台,已广泛应用于各大电视台。它的3D信号规模最高可达双链接40路输入,24路输出;单机高达3M/E的3D制作能力,每级M/E更可支持业界最多的4个全功能3D键;具有丰富的3D调整功能,如左右眼信号的链接和交换、视差调整等;支持3G带宽的3D信号,让操作者可以用与2D相同的操作习惯切换3D节目。
热点技术七:3D非编系统
3D非线性编辑系统是3D电视制播的核心环节。3D非编系统主要面向双视立体音视频内容,为3D电视制播提供3D节目编辑和3D字幕制作,有助于制作者更加方便地剪接3D镜头,查找并修改错误,是制作出精彩、健康和舒适的3D节目内容的关键。
 
传统2D非编系统市场的主流厂商均推出了支持3D编辑功能的系统和产品,包括Apple-DeckLink、Finedit新奥特、Grass Valley、宽泰等。
 
未来理想的3D非编系统应用于影视节目制作时,还应在全局参数调整功能基础上,增加局部3D调节、基于深度的3D素材操作与合成等功能,此外还应开发自动立体检测和校正功能,以更好地适应3D电视直播等应用场景。
参考文献:
1、FUJIFILM Optical Devices .http://www.fujinonbroadcast.com/
2、田丰.自由立体显示中的实景立体影像获取方法.电视技术.2010,34(11)
3、安达斯集团参展2012BIRTV. http://www.ndtchina.com/news/0948-54@2012-09-06.html
4、Sony Product Detail Page MVS7000X. http://pro.sony.com/bbsc/ssr/product-MVS7000X/

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