3D电影高品质立体影像是怎样塑造出来的

3D电影高品质立体影像是怎样塑造出来的
陈凡;陈栩翔
【摘要】电影技术从无声到有声，从黑白到彩色，从胶片到数字，从2D到3D，从1．3K、2K到4K，每一次进步都反映出人类对完美的追求随着技术的飞跃在不断提升。

本文首先通过对电影发展史的回顾，看3D电影技术是如何发展起来的，然后以通俗易懂的描述，解释数字3D电影的原理及实现方法，并着重讨论怎样才能获得高质量3D影像和立体效果的问题，阐明只有在影片的前期拍摄、后期制作和放映整个过程的每一环节都保证高质量，才能最终塑造出极致完美的高品质3D 影像和惟妙惟肖的立体效果，也为读者和观众解释了怎样才能更好地欣赏3D影片。

【期刊名称】《现代电影技术》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】12页(P24-35)
【关键词】数字电影;3D技术;影像质量;双机3D;中国巨幕
【作者】陈凡;陈栩翔
【作者单位】中影巴可（北京）电子有限公司;中影巴可（北京）电子有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TP317.4
一、引言
近年来，最火的电影是哪部？毫无疑问是《阿凡达》，目前最热门的电影技术之
一是什么？毫无疑问是数字3D技术。

《阿凡达》凭借着引人入胜的3D立体影像，为我们创造了一个美轮美奂的潘多拉星球，使观影者身临其境地进入了一个梦幻般的世界，从而获得了全球亿万观众赞赏的掌声，创造了史无前例的票房记录（全
球超过27亿美元，中国17亿元人民币）。

而日臻完善的数字3D技术，则凭借《阿凡达》的完美展现，在中国乃至全世界引起了轰动的观影热潮。

与此同时，支持数字3D的数字放映设备及其3D附属装置，如雨后春笋般地在全球各地电影院生根发芽，开花结果。

这说明数字3D技术受到了广大观众和业界的普遍认同和追捧。

最近“中国巨幕”的推出，又为发烧级影迷创造了欣赏顶级高质量影片理想
的观影环境。

2012年4月由詹姆斯 .卡梅隆（James Cameron）团队精心打造
的3D版《泰坦尼克号》即将上映，这必将引起又一轮3D电影欣赏的新热潮。

那么，3D电影到底是怎样使观众得到身临其境地感受的？高质量的3D立体影像
效果又是如何塑造出来的呢？应该怎样欣赏3D影片才能获得更好的效果呢？这是很多观众和读者迫切希望了解的问题，本文就为大家揭秘。

首先让我们看看3D电影是怎样发展起来的。

二、3D电影技术是怎么发展起来的
3D立体电影有多少年历史？很多人都不太清楚，10年？还是20年？实际上出乎大部分人的意料，立体电影技术并不是一种新技术，胶片立体电影已经有近60年的历史。

但由于种种原因，传统胶片立体电影发展缓慢。

让我们简要回顾一下电影的发展史，看看数字3D技术是何时进化的。

1895年第一部胶片黑白电影《火车到站》（The Arrival of the Train）；
1927年第一部有声电影《爵士歌王》（The Jazz Singer）；
1932年第一部胶片彩色动画片《花与树》（Flowers And Trees）；
1935年第一部胶片彩色故事片《浮华世界》
（Vanity Fair）；
1952年最早的胶片3D立体电影长片《魔鬼先生》（Bwana Devil）。

1953年曾兴起过胶片3D立体电影的热潮，但是由于技术限制的原因，观众的舒适感不好，到1955年逐渐失去势头，上世纪70年代虽有回潮但又逐渐消退，当时只局限于特种电影的应用（如IMAX巨幕电影）。

1970第一部IMAX巨幕电影在日本大阪世博会，展示了特种电影。

1986年使用双70mm／15片孔的IMAX 3D放映，创造了单块银幕平均票房的奇迹。

2000年，DLP （Digital Light Processing数字光处理）投影技术的DLP Cinema®用于电影放映领域，开始了电影数字化的进程。

而数字3D电影技术的研发，改变了传统胶片立体电影的制作方法和手段，用电脑进行加工处理，从而大大降低制作和发行成本，并且使立体影片的质量和效果达到了前所未有的高度。

更突出的是它可以用计算机动画（CG）直接生成3D影像，并可以对普通2D影片进行加工处理，将2D影片转换成3D影片，这样可以大大地扩大影片节目来源和可选择性，一部影片可以有2D和3D两个版本供观众选择观赏。

这是电影技术一个革命性的改变，由此增强了3D立体电影的生命力，从而使之提升到一个崭新的阶段。

正如詹姆斯·卡梅隆所说：“随着数字3D影片的放映，电影将进入了一个崭新的时代。

”
2005年11月，第一部商业放映的全数字3D影片，由美国迪斯尼公司出品的《小鸡快跑》（Chicken Little），获得了3倍于普通2D放映的票房收入。

在此之后，数字3D影片的制作和发行情况也有突飞猛发展，数字3D影片的制作和发行数量见图1所示。

到目前为止，全世界已经安装有超过32，000块3D银幕，中国已经安装有超过4，200块3D银幕。

2008年9月第一部真人3D数字电影《地心历险记》引进中国，另一部3D数字电影是动画片《闪电狗》，在中国受到观众和业界的广泛欢迎和关注。

而2010年
初在我国热映的《阿凡达》已创造了票房新记录，它的3D放映票房是2D放映票房的3－5倍。

这更印证了詹姆斯·卡梅隆的推断。

图1 数字3D影片制作和发行数量（单位：部）
胶片放映和数字放映有什么区别呢？
胶片电影迄今已有116年的历史，它是靠印在胶片上的连续变化的影像，以24格每秒的速度投射出动态影像的，胶片3D影片需要用两套胶片和双机设备拍摄和放映。

而数字电影2000年才问世，像数码相机一样，它不需要胶片（卷），而是
以数字方式存储、播放和投射的。

这不仅仅是介质的不同，而且数字电影与胶片比，画面没有跳动、划痕、褪色现象，无明显闪烁或影像聚焦改变等现象，它在制作、发行、放映、影像质量以及兼顾2D和3D放映上，比胶片有很大优势。

新的基于DLP Cinema®技术的数字3D放映技术，克服了胶片3D立体左右眼影像不易准确同步、拍摄成本高等问题，在影像质量和观影舒适度上比胶片3D有了长足的提高，给观众带来更丰富而舒适的视觉体验。

据市场调查显示，数字3D电影放映可以获得平均比普通影片高的票房收入，有明显的优势，这给数字3D放映技术进入主流商业运作创造的绝好的机遇。

由于数字3D放映技术可以带来可观的商业利益，这就大大促进了数字放映设备、3D装置及配件等相关产业链的迅速发展。

三、3D电影是怎样实现的
人类是怎样感知声音和物体的方位的呢？是通过两只耳朵和一双眼睛感知。

那怎样才能重现三维空间感呢？就像感受立体声音响一样，两耳听到不同声道喇叭发出的声音就可以重现声音的方位感，那么重现三维影像是可以通过使人左右眼分别看到从左、右眼方位看到的影像，使人感知物体的方位（远近），即感受到三维空间的物体。

人类的眼睛在观察一个三维物体时，由于两眼水平分开在两个不同位置上（约6cm），所观察到的物体影像是不同的，它们之间存在着一个像差，由于这
个像差的存在，通过人的大脑解析，使我们感觉到一个三维世界的深度，即感到景物扑面而来或进入银幕深处，这就是所谓的3D立体影像重现原理，如图2所示。

图2 3D影像的重现原理
由此可知，让人从银幕上感受的三维立体的关键就是要把两眼的影像分开，为此影片制作时需要包含左右眼的影像信息，放映时需要将这左、右影像分别传递到左、右眼。

所以3D电影就是基于这一原理制作、传输、和放映的，使观众观看的3D
影片比普通影片有更逼真的感受。

（一）3D影片的制作方式
目前的3D影片制作可分为以下三种：
方式一，动画3D电影CG （Computer Graphics计算机图形）制作：利用CG
计算机图形技术，制作出3D立体动画影像。

方式二，数字（或胶片）实拍3D电影制作：利用两台并列（或垂直折射）安置
的电影摄影机，分别代替人的左、右眼，同步拍摄出两套略带水平视差的电影画面。

方式三，电脑2D转3D算法软件处理的影片制作：利用计算机软件工具，将2D
影片的影像加工转换成3D的影像。

在影像发行传输到影院前，要经过数字原母版生成、编辑、后期制作，从数字源母版（DSM）到数字发行母版（DCDM）须保证质量地取样、压缩、加密，最后
打包成数字发行包（DCP）传递给影院进行放映。

（二）3D影片的传送方式
目前，数字3D影片的发行是通过与数字2D影片一样的方式进行的，传输的是
3D数字发行包（DCP）文件包，以移动硬盘为载体，进行分发和转储的，移动硬盘可以收集重复再利用，费用比胶片发行少很多（胶片需两套，是2D的两倍）。

影院放映时需要核对密钥，只有当密钥在有效期内且与服务器序列号相对应，才能放映出影片内容，有效地保证了内容的安全使用。

（三）3D影片的放映方式
目前的3D电影放映技术有不同的分类方法。

按实现原理分可以分为三种：阻光法、分光法、分色法。

按眼镜的工作方式可分为主动式（眼镜切换）和被动式（眼镜不切换）。

按放映机工作方式可分为单机放映和双机放映。

下面看看不同方式的3D放映是如何实现的。

1.阻光法——通过高速切换电子快门眼镜使左右眼分时看到左、右眼影像，也被称为主动式3D。

其主要技术在眼镜上，利用液晶器件在通电和断电时会产生阻光和透光的现象，眼镜片是分别被控制开闭的两扇小窗户（受控液晶片），在同一台放映机上交替播
放左、右眼画面时，通过液晶眼镜的同步开闭功能，让左、右眼分别看到左、右各自的影像，从而使观影者感受到立体影像。

基于此种技术的3D产品是红外同步发射器和电子快门眼镜。

主要供应商是XpanD、LEONIS和Vrex以及多种国产品牌，可以使用普通白幕（如图3所示）。

图3 阻光法使用的同步发射器与眼镜
2.分光法——通过不同极性的偏振光来传递左、右眼影像，也被称为被动3D。

虽然自然光波传播方向是散射的，但是有偏振特性，即可以通过过滤改变其方向（极性），如果放映机镜头前加了过滤偏振镜，将左、右眼影像的光分开不同极性，观影者佩戴的偏振眼镜分别让不同极性的光（影像）通过，就可以使观影者感受
到立体影像，不过这要求由银幕反射回来光要保持原极性，所以这种方式需要配备金属幕，因为它反射时不改变光的极性。

偏振分光法又分为线性偏振和圆周偏振。

线性偏振是相互垂直的偏振光。

圆周偏振是成各种角度螺旋状传播的偏振光。

线偏振眼镜看立体电影时，如果眼镜略有偏转（观影者头改变观看角度），就会改
变接收光的角度，会引起左右影像相互串扰，看到重影。

图4 分光法示意图
圆偏振就不会出现这种现象。

线偏振光的振动方向是确定的，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响。

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，从而产生立体感。

这种偏振技术可既可以应用于单机3D电影放映，也可以应用在双机3D电影放映中。

基于此种技术的产品主要有偏振滤镜（圆偏振／线性偏振）装置，或ZScreen屏（一种安置在放映机镜头前的可控液晶偏振屏）、同步控制器和偏振眼镜。

主要供应商是Real D、MasterImage、LEONIS和IMAX。

其中以前的IMAX采用线性
偏振，Real D、MasterImage、LEONIS （DepthQ）采用圆偏振。

Real D XL （Light Doubler）技术巧妙地利用了偏振镜反射的光，大大提高了光效率（光效达到28%）。

另外，还有一种特殊的3D放映实现方式，即索尼LCOS（硅基液晶）3D数字放
映系统，它用一台4K放映机，在其内部分像（2个2K影像）后经上下两个镜头，再经过纵向排列的左、右眼偏振镜过滤形成3D影像，这是介于双机与单机之间的分光法3D技术的一种，解析度为2K。

分光法的原理和相应设备如图4所示。

3.分色法——通过将影像的不同颜色成分分割开来传递左、右眼影像，又称为光谱分割3D或Infitec 3D。

以前的红青眼镜3D片和目前的Dolby 3D是基于这一原理。

最近Panavision推出的Panavision 3D也属于此种技术。

大家知道，可见光的波长大约在390nm到770nm之间的区域内，如图5（a）
所示。

如果将左眼影像和右眼影像用不同波长的红、绿、蓝传递（图5b），观众佩戴专用的镀膜眼镜，可将两组颜色分开，分别给左、右眼，使合成的影像有立体感。

安装在放映机内的、快速转动的滤色轮，将红绿蓝各自分为高、低波长两部分，各包含左、右眼影像内容。

通过分色滤光眼镜，让观众感受到左右眼各自的画面，产生立体效果。

由于滤色技术要对影像光谱进行分割，对色彩还原产生一定的影响，所以采用这种方式时，要在服务器上增加色彩管理软件，对影像数据进行校正处理，才能获得好的效果。

基于此种技术的产品有Infitec色轮装置、同步控制器和多光波长眼镜（光谱分色眼镜），以及校色软件。

主要供应商是Barco、Dolby和Panavision，可以使用普通白幕和金属幕，原理及3D装置如图5（b）（c）（d）所示。

由于Panavision 3D对光谱进一步细分（7×2）使在保证分离度的条件下，光效得到了提高。

图5 分色法示意图
（四）不同3D技术实现方式的比较
3D技术实现方式分为单机3D放映和双机3D放映，可以采用基于上述三种技术实现方法之一。

单机3D都靠高速切换左右眼（2倍频／3倍频）获得连续的立体影像，切换眼镜黑场、眼镜镜片和滤光片对光传输都有损失，所以3D放映比2D放映有较大的光损失，不同技术的3D系统光效率、要求的银幕类型和眼镜类型是不同的。

单机不同3D技术特点如表1所示。

如果要支持更宽大的银幕，就需要更亮的光源，一般需要光输出更高的放映机或配置双机3D系统。

这就是引入IMAX和数字双机3D系统的主要原因。

双机系统较单机系统可以提供更大的光输出，更好的色彩，另外放映2D时放映机可以互为备
份。

四、双机数字3D放映和巨幕3D放映的实现方式
目前上档次的影院都配置了超大银幕的3D放映环境，例如有IMAX、“中国巨幕”和其他双机数字放映厅，就是为了追求超大银幕完美的视听震撼效果。

采用双机放映，不只是幕大，还有更好的亮度、色彩和清晰度，并且它可以没有单机放映切换左右眼的闪烁感，眼睛感觉比较舒适，另外，大银幕影厅高起坡的设计和全方位多声道（5.1，7.1，11.1，Auro－3D，13.1等）高功率高保真音响系
统设计，更有利于增强观众的沉浸感和临场感。

1.双机数字3D系统的不同实现方式
基于上述三种3D放映原理可以构建双机3D系统。

有两种不同的实现结构。

一种将左、右眼分开分别放映的结构，即一个机器只放映一路（单眼）影像。

另一种
是双机叠放结构，即每个单机都分时放映左、右眼影像，由同步控制器进行同步。

表1 各种单机3D放映技术的比较
（1）基于分光法原理的双机数字3D放映系统，其基本构成就是分别在两台放映
机前安装不同极性的偏振镜片，两台放映机分别放映左、右眼的信号影像，再配备高增益的金属银幕、偏振眼镜，便可组成一套双机3D数字放映系统影像部分。

原理如图6所示。

这种3D系统要求两台机器左右眼信号要与放映机前的偏振镜片及眼镜的极性相对应，而且两台输出的影像的亮度和色彩要一致才能得到良好的3D 效果。

由于使用同一服务器输出的影像源，不需要配置外部同步装置。

由于不需要黑场时间，又是双倍亮度，光效最高可达到70%。

目前Barco可以为客户提供此种完整的双机偏振3D解决方案（不包括眼镜和偏
振镜片），其中包括：两台数字电影放映机，安装支架，后排风盖板以及堆叠安装支点，而且放映机可提供多个CLO（恒定光输出）目标亮度值，可以有效地支持
2D、3D放映时对亮度的不同要求。

另外，与服务器配合，可以实现双链接
4∶4∶412比特全色度方式放映，有效地保证了更宽的色域范围，经过良好精准的色彩调校使色彩表现得更加逼真。

（2）基于分色法原理的双机叠放3D放映系统，其基本构成就是分别在两台放映
机内部安装同样（或不同）的光谱色轮，两台放映机同时放映左、右眼的影像，可以配备高增益的白幕、色谱眼镜便可构成一套双机光谱3D数字放映系统。

原理如图7所示。

这种3D系统不但要求每台机器都输出与单机3D一样的左、右眼影像，而且要确保两台机器的左右相位和3D参数完全一致，再经过色彩和亮度细致调校，才能得到好的3D效果。

图6 基于分光法的双机3D设备示意图
图7 基于分色法的双机3D设备示意图
目前Barco可以为客户提供此种完整双机Dolby 3D和Panavision 3D解决方案，其中包括：两台内置光谱色轮装置的数字电影放映机，安装支架，后排风盖板以及堆叠安装支点，而且Barco的内置色轮装置，可以联动切换2D、3D模式，不需
要外接同步控制器DFC （Dolby Filter Controller）和额外操作，可简化操作流程，避免误操作。

由于需要黑场时间短，又是双倍亮度，光效最高达到56%。

2.IMAX系统的实现方式
IMAX（指ImageMaximum“最大影像”，是巨幕的一种），主要用于巨幕放映（幕宽＞22m），配有特殊设计的影厅，大坡度座位19～25度的倾角，保证所有观众都可以无障碍地遍览整个屏幕，供应特供影片。

IMAX 3D使用的是基于偏振
分光法的3D技术，它有不同版本和设备配置，有IMAX胶片版、DMR版和数字版之分。

（1）IMAX胶片版
是一种能够放映比传统胶片更大和更高解析度的双胶片电影放映系统。

标准的IMAX银幕为超过22m宽、16m高。

如中国电影博物馆的IMAX厅幕宽27m。

IMAX为了大幅增加影像的解析度，以65mm的胶片拍摄，并以70mm的胶片放映。

IMAX影院放映70mm胶片时分辨率可以达到6K。

目前部分采用IMAX规格摄
制和放映的商业片仅有2部，《蝙蝠侠：黑暗骑士》有30多分钟，《变形金刚2》中的4个场景，获得了水晶般剔透的巨幅影像效果。

（2）IMAX DMR版
IMAX公司还推出了DMR （Digital Re－Mastering，数字母版重新制作）技术
应用于更多商业片的发行。

处理过程是，首先制片公司把普通影片的35mm胶片拷贝交给IMAX公司，IMAX以高解析度扫描35mm胶片的每个画格，将其转为数字画面；然后，使用其专有影像增强技术，对每幅画面进行优化，最后印在
70mm胶片上。

像《哈利波特：混血王子》和《变形金刚2》（该片的大部分场景）等绝大多数IMAX的故事长片都是IMAX DMR版，其画质是高于2K、低于
6K的水准。

（3）IMAX数字版
IMAX数字影院系统实际上是一种基于分光法特制的双机3D数字放映系统。

该系统IMAX把电影拷贝，使用DMR技术加工，制作成数字电影数据（DCP）格式，这种格式分辨率2K或4K，影院由双机数字放映系统放映，这样一份拷贝的成本
降低，也扩大了IMAX的片源。

IMAX数字放映系统的主要部件包括：两台数字放映机和一台特制的影片播放服务器，以及IMAX的影像增强调校系统，使画质要
比使用一台2K数字放映机时更好。

如：北京石景山万达就号称是亚洲第一家数字IMAX影院（幕宽24m）。

《星际迷航》就只发行了数字IMAX版本，《阿凡达》也有此种版本在150多块银幕上放映。

3.“中国巨幕”放映系统的实现方式
“中国巨幕”放映系统是国内推出的一种实用解决方案，它由全球最亮的数字放映
机（双机匹配的DP2K－32B或DP4K－32B，单台光输出高达36000流明）、
播放服务器、影像优化器、兼容多种声音制式的多声道立体声音响系统及带有一体化控制界面的银幕管理系统组成，还配有人性化的大视野3D眼镜，画面宽度超过20m高增益的金属幕，配置双机叠加分光法圆偏振3D系统。

特别是“中国巨幕”使用的数字影片发行版是专门针对巨幅高增益金属幕特点而特殊加工定制的。

它采用低压缩、高码流编码和特殊调色处理。

此版本以其逼真的色彩还原、鲜明的对比度和高分辨力解像，给观众以极致的视觉享受。

“中国巨幕”系统通过关键性技术的自主研发与创新，在大幅提高银幕亮度的同时，为双机放映提供了影像优化实时校正的有力手段。

双机放映的画面经过实时采集、高速处理，达到逐帧画面的像素级精确重合以及影像锐化、色彩校正和均匀度补偿，所有处理均达到12比特
4∶4∶4的量化结构输出，影像优化后的画面带给观众以高品质的观影体验。

再配合国际推荐的多声道还音系统，提供顶级的影院专用大功率、三分频、全频带扬声器，以点声源和面声源相结合的空间还音系统设置，并兼容5.1／7.1／9.1／11.1
／13.1等多种声音制式，使视听效果达到完美极致的顶级水准。

从观影感受上评价，一年前网上对各种放映版本的影像质量有如下评价（“＞”
表示优于）：
IMAX胶片版＞IMAX数字版＞双机3D数字版＞索尼4K3D数字版＞RealD单机3D数字版＞其他单机3D数字版＞2D数字2K版＞2D胶片版
那么，目前的2K （4KDLP）“中国巨幕”应该排在哪里呢？此问题留给读者和观众继续评价吧。

五、如何获得高品质的3D立体影像效果
在3D影片前期拍摄、后期制作到放映的每一个环节上，有很多因素都会影响影像质量和观影效果。

如果哪一个环节出现瑕疵，就都会影响到最后的影像效果。

例如，拍摄／制作视角的突变或双眼镜头位置的距离不合适、镜头的变焦／聚焦同步不好，
镜头切换得过于频繁、放映时出现重影，亮度暗淡，色彩失真，运动影像不流畅拖尾，观众观影位置或角度不合适等，都会造成观影效果或舒适度的降低。

因此，只有在前期拍摄、后期制作和放映的整个过程的每一环节都做到高质量，才能保证最终塑造出完美的高品质3D影像和惟妙惟肖的立体效果。

与2D有所不同，对于3D来说，不仅仅是2D影像所需要保证的因素（亮度、对比度、色彩、清晰度），此外还有不少环节影响3D影像观影效果，如：3D影片前期拍摄和后期制作，影厅的设计，3D实现方式的选择和放映设备的配置，放映设备3D参数的设置，3D影像效果调校，还有观众的观影位置等，都会影响最终观众能否获得高品质3D影像。

1.3D影片前期拍摄和后期制作环节
要得到完美的影像效果，影片质量的完美是必不可少的，那么如何保证3D影像的前期拍摄和后期制作质量呢？除了要像普通2D电影一样，要在实景拍摄、计算机图形CG生成和后期制作上，保证影像的清晰度、白平衡、色彩调校、配光亮度、对比度、透视准确性等技术上的高质量以外，还要保证双眼影像模拟人眼视角的准确，虚拟角色建模的合理与合成拟真的自然，要使双眼影像的聚焦／变焦同步跟踪精准一致、会聚（影像重合）准确、连贯流畅，镜头切换要自然。

2D转3D生成的影像要合符人眼观察物体的习惯（瞳距会随所观察物体的远、近需要有渐变调节），另外，精良的前期拍摄和后期制作设备是必不可少的，以保证数字化的像素分辨率和影像的取样结构是高质量的，而且确保左右眼影像的高度准确和稳定，以及保证大动态范围的感光宽容度。

著名导演詹姆斯·卡梅隆为拍3D《阿凡达》就专门设计了3D摄影机Fusion 3D。

目前的数字电影摄影机已可以产生4K到5K的分辨率，高帧速率（48帧每秒）拍摄，并以12比特4∶4∶4取样结构格式记录的数字影像，有效地保证了拍摄质量，例如新近推出的数字摄影机有RED ONE、ALEXA、SONY 9000PL等。

另外，导演、摄影师和调色师的技术功底也是非常重。