虚幻的真实，三维视觉帝国探索之旅
- 来源:微型计算机
- 关键字:3D电影
- 发布时间:2010-06-29 15:26
《阿凡达》因波澜不惊的剧情在奥斯卡上折戟，但这丝毫不影响它作为革命性大片的历史地位——詹姆斯·卡梅隆动用3D摄像机来拍摄《阿凡达》，在荧幕上成功地演绎了3D电影的魅力，同时刷新了票房记录。受此影响，好莱坞导演纷纷计划在新片中上马3D技术，这股风潮也意味着3D电影将成为未来电影工业的主流形式。
在电视领域，3D技术也开始崭露头角，去年10月份，英超联赛第24轮的阿森纳对阵曼联大战即采用3D立体实况直播，国际足联也计划在今年的南非世界杯中提供3D直播，为球迷提供更具临场感和冲击力的精彩比赛。电视机厂商也从中嗅探到商机，松下、索尼、三星、LG等电子巨头都已高调宣布将在今年投产3D电视，将电视系统带进全新的三维纪元。
内容创建：如何在拍摄时构建三维画面3D电影与我们所说的3D游戏有着本质性的区别。3D游戏的画面拥有x-y-z坐标的三维信息，在数学上是真正意义上的三维；但3D游戏的画面必须展现在一个2D屏幕上，用户便无法感受到画面的深度感，而只是在画面运动中能感受到类似3D的立体场景。与此不同，3D电影是一种视觉解决方案，即在2D屏幕上可以让人眼看出纵深感，即你能真实地感受到屏幕物体的远近，画面宛如就在你眼前展现，这将给观众带来极佳的临场体验。
要实现3D电影是一套系统工程，它在内容创建（即拍摄和数字制作）、后期剪辑以及播放阶段都要有相应的解决方案。而源头的拍摄工作则是重中之重。若要了解3D电影是如何拍摄的，我们就需要先来了解人眼是如何产生深度感，也就是如何形成3D立体视觉的。
对此科学早已给出了答案：人的视觉之所以能够分辨远近，主要就是靠两只眼睛形成的视觉角度差—成人的两眼间距约有5厘米，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看其他任何一样东西时，双眼形成的视觉角度都不会相同。这种角度差尽管非常小，但视觉信号经过视网膜传到大脑后，大脑的视觉中枢就用这微小的角度差，构建出远近的深度，也就是最终产生了立体感。整个过程与计算机处理x、y、z三维坐标的换算非常类似，只不过深度的z坐标是利用角度换算得出的。假如我们用一只眼睛来观察，虽然也可以清晰地看到物体，但对于物体远近的距离分辨却不那么容易。
利用这一原理，将同一个景象依据两眼的视角差异分辨制造出两个相应的影像，然后让每只眼睛分别只看到属于自己的画面，这样综合形成的视觉信号就可以令大脑产生深度的立体感。无论是哪一种3D演示技术，都是基于上述原理构建，区别只在于实现的手段不同、效果存在差异，但是本质上都是利用两眼的视觉角度差来创建立体画面的。
3D电影的拍摄同样如此。在《阿凡达》摄制工作开始之初，詹姆斯卡梅隆就筹划好要在3D影院中放映，为了获得完美的视觉效果，卡梅隆需要一套拥有双镜头同步拍摄的3D摄影机，但在拍摄工作开始的2007年，索尼并没有这样的解决方案。
卡梅隆不得不自行设计。为此，卡梅隆专程从美国飞往日本索尼公司的研发总部，与研发工程师耗时三个月才对16台摄像机进行改装，构建出一套专用的Fusion Camera-3D System拍摄系统。这套系统包括8部HDC-F950和8部CineAlta F23，但它并不是将两台F950或F23简单拼接在一起，而是通过一项复杂的技术将两台摄像机联结为一体，使得拍摄工作可以同步进行——这样的技术改造就等于重新制造出一台拥有两个镜头的3D摄像机，难度不言而喻。而仅仅为了开发这套3D摄影系统，卡梅隆就砸下了1400万美金。当然事实证明，这样的大手笔投资是非常值得的。
在今年的CES展会上，松下发布了号称全球第一款一体化全高清3D摄像机AG-3GA1。AG-3GA1拥有两个镜头，分别对应两组200万像素的CMOS传感器，可同时获得1920×1080的全高清视频数据。据悉，这套摄像机将帮助CBS、福克斯体育、MTV、NBC环球等电视台同步转播6月份的南非世界杯，但它只是广播级的产品，并不适合需要超高分辨率的电影拍摄，技术上无法与卡梅隆的Fusion Camera-3D System相媲美。
由于缺乏现成的商用解决方案，也不是所有的导演都能像卡梅隆一样专程向索尼定制3D摄影机。大多数的3D电影其实都是依靠后期，也就是拍摄时仍只是用单摄影机来完成，后期影像处理通过插值运算的方式，生成另一套视角有所差别的画面。这种方式在技术上比较简单，立体效果同样也不逊色，只是边缘区的画面会受到损失，整体来看具有较好的投入-收益比。后期3D的缺陷就是需要很长的时间来调校，效果也不如真实的3D摄制好。即将上映的《诸神之战》(Clash of the Titans)和《哈利波特7》便是采用后期方式衍生出3D版本的。而从长远的趋势来看，直接采用3D摄制方式将成为好莱坞的主流选择。
3D动画电影则是一个不同的例子，这种动画电影本身就是在计算机上创建，基本无需动用到摄影机，所生产的画面也具有x-y-z坐标。但为了在银幕上给观众展示出纵深感，仍然需要通过插值生成视角差不同的画面，然后同步在3D影院中放映。
终端显示：如何在二维银幕上构建立体电影
双镜头摄制或者3D化的后期处理，这就完成了3D电影的制作工作。
当拷贝提交到影院之后，就必须要专门的3D放映系统才能将立体视觉加以展现。3D放映系统同样利用视角差原理，这套系统必须同时播放左右眼的画面，并让左、右眼分别都只看到属于自己的画面，形成视角差，这样观众就能体验到高度逼真的画面纵深感。
3D电影的制作与放映其实是完全分开的环节，3D电影的放映系统目前存在双机立体(双机偏振镜)式、Real D、XpanD、Dolby3D和IMAX3D等五种不同的解决方案，这五个方案各有优缺点，且都在一定范围内获得应用。其中，双机立体是一种较自然的方案，这套系统要使用两部放映机，放映前将左右眼对应的两套电影胶带分别装，两个放映机的镜头前都装有一个偏振镜，彼此的偏振轴互成90度。两台放映机需要保持同步运转，这样左右眼的画面可以被同时投放到金属银幕上。此时如果裸眼直接观看影像，便会发现存在明显的重影现象，不过当观众戴上特制的偏光眼镜后便会看到立体的视觉画面—奥秘就在于偏光眼镜的左、右两个镜片的偏振轴互相垂直，且与放映机偏光镜的偏振轴相一致，观众的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，进而由大脑神经产生三维立体的视觉效果。此时，观众眼前将出现一幅幅连贯的立体画面，景物扑面而来或者深入到银幕的深处，产生了强烈的“身临其境”的感受。双机立体方案的优点是可以同前期的3D摄制工作完美配合，它也是最自然的3D放映。但缺点在于需要昂贵的金属银幕，才能保证偏振光不会发生角度改变，在3D电影仍不够普及的情况下，对于影院来讲是个不菲的投资。
国际上最流行的Real D方案其实也是采用类似的偏振光原理。Real D拥有高达81%的市场占有率，居于绝对主导地位。Real D只需要单台放映机，不过它需要在数字放映机前安装用于切换光线偏振方向的电-光液晶调制器(Real D公司称之为“Z-screen”)。当光线透过Z-screen投射到屏幕上后，系统中的3D同步控制器则会发出信号，来控制Z-screen窗口切换不同的偏振方向，这样画面就被分成左眼和右眼影像投向银幕。为了保证观看的舒适感，画面的播放速度会达到144帧/秒，对于每只眼来说是72帧/秒。同样，Real D系统也要求电影院使用高成本的金属银幕，可以获得很好的画面亮度和色彩还原度。由于成本较高，国内影院较少采用该套系统。不过Real D 3D系统也有自己的优点，那就是它仅需要几元成本的偏光眼镜，很多使用Real D系统的影院干脆就直接赠送了事。
第三种便是国内较为流行的XpanD3D系统，它是美国NuVision公司（后被XpanD收购）推出的一种使用主动式眼镜的3D电影系统。这套系统在眼镜内装有电子芯片、红外接收器和电池，造价在400元～700元之间。它的播放系统也需要在数字放映机上安装同步控制模块和3D电影红外发射器。当影片放映时，3D放映机的同步控制模块为指向幕布的红外发射器提供同步信号，红外发射器收到指令后发射出940纳米波长的红外信号，并指挥液晶眼镜作相应的切换，从而与放映机播放的画面实现同步。当观众配戴这种液晶同步眼镜后，左眼将只能看到放映电影的左眼影像，右眼将只能看到放映电影的右眼影像，放映机则是高速轮流播放左右眼画面。XpanD系统的优点是可以采用普通的数字电影白幕，虽然眼镜价格不菲，但整体构建成本仍然较低。不过XpanD可能会遭遇眼镜同步错误，表现为长期高度的重影，此时只能更换一副新的眼镜。
杜比推出的Dolby3D系统在国内也较为流行。Dolby3D使用了分色技术：
数字放映机发出的光线通过一个特殊的旋转滤色镜盘，之后光谱成分就能达到分色要求，接着光线再进入放映机光路，由同步控制器控制滤光轮切换左右滤光片，改变光源的光谱，来配合放映机进行播放。由于这个分色过程是在光线到达影片胶带之前发生，观众可感受到较鲜明的立体感。不过这个旋转滤色镜盘需安装在放映机内部，所以需要放映机厂家方能完成。另外这套系统不使用偏振光，现行的白色银幕上即可直接放映3D影片，而一副偏振光眼镜的造价也较低（约人民币200元）。Dolby3D以其低廉的造价获得国内众多影院采用，不过这套系统必须依靠专用软件进行亮度、串扰度、色彩的调校，否则画面色彩和保真度都会大打折扣，这也是国内很多影院3D电影效果一般的主要原因。
IMAX 3D是电影业公认的最佳3D系统。IMAX（ImageMaximum，最大影像）采用专用的“15/70”格式胶片，尺寸高达69.6mm×8.5mm，感光面积相当于普通35mm胶片的10倍，传统70mm胶片的3倍，IMAX摄像机的理论分辨率可达18k（每帧18000×13433像素），不过目前电影工业母带制作的极限分辨率只能达到8K，现行IMAX影院在放映70mm胶片时的分辨率则可以达到6k—与此相比，国内主流的数字电影放映分辨率是2k（2048×1556分辨率），不难看出，IMAX在分辨率方面优势巨大：它可以提供更清晰、更亮丽和超大尺寸的画面。IMAX3D系统则是以此为基础，它使用两盘IMAX专用的15/70胶片来放映影像、一盘胶片对应一只眼睛，然后通过偏振过滤眼镜或红外同步系统配合电子眼镜来提供两个单独的图像。最后再结合IMAX的巨大银幕，产生超级震撼的全视野立体效果。
《阿凡达》的首映式就采用Dolby3D+IMAX技术进行播放，不过《阿凡达》并不是真正的IMAX 3D电影，因为影片的摄制依然采用35mm胶片而非IMAX专用的70mm胶片，只是后期转录到IMAX 70mm胶片进行播放，因此在IMAX 3D放映时可以察觉到较明显的颗粒感。真正采用原生IMAX摄制的影片非常稀少，仅仅只是在部分片段中加以采用，如《蝙蝠侠-开战时刻》的片头和《变形金刚2》也只有4个片段采用IMAX拍摄而成。IMAX的应用更多是拍摄那些科技馆中的特效电影，远谈不上商业化——个中原因在于IMAX公司并不是专业的摄像机厂商，而只提供影院解决方案，也就是IMAX仍未进入到影片拍摄领域。
除了IMAX3D需要使用专用的摄影机和放映机外，其他几种3D影院系统都可以在现行数字放映机基础上升级而成，所以数字放映机可以添加任何一种3D系统，主动权掌握在影院运营商的手中。
困难与挑战：3D电影普及的障碍
IMAX 3D是一种近乎完美的3D电影方案，但它委实过于昂贵，在短时间内大面积普及并不现实。国内的影院一般选择Dolby3D、XpanD方案便是基于成本考虑，这些3D电影给观众带来真实的立体感受，但在画面亮度和色彩方面却不得不做出牺牲。
3D电影要面对的首先就是亮度低的难题。低亮度主要是受放映系统的色轮、偏振镜头以及观众佩戴眼镜的影响，这些阻碍令3D电影的观看亮度比普通电影低80%—比如说一台3万流明的数字影院投影机，有效输出亮度仅仅只有6000流明，亮度衰减问题非常严重。而目前3D影院所能达到的亮度基本上在3f t-L级别，国际标准要求至少为4～5f t-L，这就相差了20%～40%。画面亮度低使得观众容易产生视觉疲劳，所看到的画面色彩也有欠缺，在很大程度上抵消了3D立体感带来的观赏体验提升。
加大投影机的亮度输出是最直接的解决方案。但不幸的是，当前业内所能提供最高亮度的投影机只有3.3万流明，要继续提升极为困难，只能通过其他的技术改良加以解决。美国科视系统公司采用Brilliant3D三重flash技术的摄影机，它将投影机的有效亮度输入提升了13%～32%，并可支持全2k分辨率的3D电影，目前该套系统已经在全球各地广受欢迎，也是目前技术最先进的解决方案。
缺乏国际标准是3D电影的另一个障碍。由于没有公用的标准，影片的摄制只能各行其是，发行影片时也没有统一的标准可以参照执行，影院只能针对不同的影片进行逐一调试，这不仅相当不便，也很有可能影响播出效果，国内的一些3D影院过去就频频传出效果不佳，观众要求退票的不幸事情。也是因为无标准可循，影院方在建设3D系统时必须在多套方案中进行选择：RealD的单机Z-screen方式全球占有率最高，不过需要昂贵的金属银幕，在3D电影还没有广泛普及的情况下，更换金属银幕的成本显然过高。为此国内的影院大多选择较经济的方案，但也因此遭受效果较为一般的困扰。即便是效果最出色的IMAX 3D，也有自己的问题，一方面是成本过于高昂，只有经济发达的大中城市才有条件上马，另一方面就是缺乏IMAX片源，播放影片实际上还是由35mm胶片进行转录，这就导致实际效果打了个折扣。
有鉴于此，美国DCI和SMPTE正在谋求制定统一的数字立体放映方式标准，但这套标准只是对具体亮度输出和色彩方面进行定义，具体的放映方案还是由各影院自行决定，因此3D电影系统的竞争在未来还将持续。
3D电影以立体感吸引人，但并不是所有人都适合观看。在《阿凡达》上映期间，不少观众都反映出现眼睛酸胀、头晕甚至恶心呕吐等不适现象，这主要是由于3D电影除了大量实焦画面外，还有丰富的虚焦布景画面，同时画面切换十分频繁，迫使观众眼球必须作频繁，反复地聚焦，眼睛睫状肌极容易过劳，出现调节性视觉疲劳的情况，也就是会感到眼睛酸胀、头晕或恶心。如果遭遇这种情况，观众可以取下3D眼镜稍作休息，但对于青光眼患者，观看这类3D电影实质上是危险行为，因为3D电影很容易令患者眼压过高，引发青光眼急性发作，对这类观众来说，老老实实观看传统的2D高清电影是正确的选择。
3D电视：主动快门眼镜技术一统天下
3D电影的风雨欲来让电视工业也受到重大启发，在极短的时间内，各大电视机厂商纷纷宣布将推出大屏幕3D电视，其中包括索尼、松下、三星、LG这些平板时代的一线企业。但与3D电影可以在片源上实现不同，现在几乎所有的电视节目都是2D拍摄的，3D电视要想有所作为，就必须在内容创建方面获得突破。
姑且不考虑这一点，我们先来看看3D电视机是如何实现的。早在十年前，DTI就曾推出过一款15英寸的3D LCD显示器：2015XLS，这款产品采用一种名为“自动双重拷贝（Autostereoscopics）”的技术，它其实就是利用一个内部TN面板来控制背光的开关，间歇性地照亮屏幕的奇数列和偶数列，并加上内部光学透镜的配合，最终使得水平扫瞄线的 1、3、5、7 奇数列画面分配给左眼，2、4、6、8偶数列画面分给右眼，由此形成3D立体视觉效果。
除了DT I外，后来的飞利浦、夏普、三洋和三星公司都开发出类似的3D显示器，尽管实现手段有所不同，但它们都是采用相同的像素分列方案。这种方案的缺陷在于画面的水平分辨率只有一半，同时观看者的头部必须在一个狭窄的范围内，偏离出这个范围就无法看到应有的3D效果，这个缺陷注定了像素分列技术不可能被用于3D电视领域—毕竟电视机的观看要求十分随意，你别指望家庭成员会整齐地端坐在屏幕的中央位置。
“Active Shutter Glasses（主动式快门眼镜）”方案是3D电视的理想技术，它也就是3D电影中XpanD方案所用的技术，区别只是在于观赏的对象是LCD屏幕而非金属银屏。主动快门眼镜的原理非常简单：在眼镜左右眼内各内建了一个快速闪动的“黑屏”，当电视显示左眼的影像时，右眼镜片出现黑屏，将右眼遮挡，反之亦然。由于画面切换的速度极快，人眼会“认为”左右眼画面是同时出现的，进而产生立体视觉效果。这种方案可以保持电视机原有的高分辨率，但要求电视机能够以两倍的帧率播放画面，也就是必须将画面刷新频率从现时的60Hz提升到120Hz以上，如此方能减轻屏幕画面的闪烁感。不过这种主动快门式眼镜结构复杂，需要电池、黑屏驱动系统和电视画面的同步控制器，成本较高，这一点我们在介绍XpanD系统时便已谈过。
索尼在今年的CES上展示了一套完整的“主动快门眼镜”解决方案，除了电视机本身外，它还带来了用于同步眼镜的红外发射器和专用的快门眼镜，不过展示的只是原型产品。索尼表示，3D电视正式上市时，红外发射器将直接整合于电视机内，眼镜也将重新设计。值得一提的是，索尼采用PS3作为演示平台，3D游戏的画面效果更具冲击力，这将反过来显著提升PS3的吸引力。
NVIDIA早先推出的3D眼镜其实也采用了相同的技术，但NVIDIA的眼镜是与显卡输出同步的，而非与屏幕同步，由于不同的显示终端会在反应速率、残影、电子回路等方面都存在差异，当视频信号转化为画面显示时，与同步信号已经会产生微小的偏差—虽然这种偏差非常微小，但足以对3D立体画面的营造产生负面影响。与此相比，索尼认为自己的方案在于能够与屏幕同步，可以获得更完美的同步效果。索尼计划在今年6月份推出两款3D电视产品，其中40英寸型号售价大约为3200美元，46英寸的型号售价3888美元，都相当昂贵。
三星公司在3D电视的推出方面比索尼快了一步，在今年3月初，三星电子就推出LED TV 7000和LEDTV 8000系列3D电视机，两个系列均包含46英寸、55英寸规格，并采用240Hz的高刷新率液晶面板，响应时间在4ms之内，性能颇为出众。同样，三星的3D方案也是通过快门眼镜，这项技术其实已经非常成熟，只不过眼镜价格较为昂贵：一副的售价大约为150美元，家中有几位成员，就必须准备多少副这样的3D眼镜。
3D电视能够达到何种效果，真正的关键在于2D内容到3D内容的转换。
无论索尼还是三星抑或是其他厂商，都必须在3D电视中设计一套强大的视频转换系统，将数字视频流转为3D化的影像。这套系统的核心是专用的数字图像处理器，这也是3D电视机成本高于普通电视机的主要原因之一。
3D电视机的出现意味着平板电视机正焕发第二春，以往人们认为从液晶电视的未来之路就是升级到色彩更出众的OLED电视机，现在这种情况出现了转变：3D电视机毋庸置疑将成为未来十年电视机业的主导。但国内的用户很有可能与国际潮流再度脱轨，罪魁祸首就是数字电视标准不统一。
众所周知，我国的数字电视是以机顶盒的方式进入家庭的，机顶盒将接收的数字信号转为模拟信号，然后再输入电视机的模拟端子中。如果你花了大价钱购买了3D电视机，便会发现只能给电视机输入模拟信号，否则就无法收到电视节目；但第一代3D电视机都只针对数字视频信号进行转换，无法处理模拟信号。
最直接的解决办法就是在3D电视机内额外设计一套模拟-数字信号转变系统，预先将模拟视频信号转为数字信号，经由3D图像处理器转换后形成输出。这样做会带来成本的增加，同时电视信号将经历“模拟-数字（电视台-卫星）、数字传输（卫星-基站）-数字-模拟（基站-机顶盒）-模拟-数字（3D电视机）”的反复转换，你可以想象，再优秀的算法也难以抵消信号的失真。
我们现在发现，3D电视面对的困难远比3D电影来得大：几乎所有的电视节目都还是模拟的，3D摄制标准根本无从谈起；同时3D视频转换格式也还无标准可行，所有这一切都还在襁褓阶段。众所周知，高清花了四分之一个世纪才进入平常的家庭中，3D电视要想广泛普及恐怕也非一时之功。当然尽管道路曲折，前途却是光明的，在标准缺失的情况下，电视机厂商会通过各种技术手段来解决问题，对此我们仍然满含期待。
前瞻：2010，3D视觉元年
《阿凡达》打开了3D电影的潘多拉魔盒，影视媒体也因此走上一条新的发展道路。当然如果没有这部电影，也总会有其他的3D电影出现。现在，观众们已经从3D视觉的体验中尝到甜头，迎合市场需求无疑是厂商克敌制胜的法宝。近日，华纳公司决定将为4月2日上映的影片《诸神之战》(Clash of the Titans)以及《哈利波特7》发行3D版本。派拉蒙也正考虑是否也将《变形金刚3》拍摄成一部3D电影。对于导演来说，最大的困难在于制作3D画面需要更长的后期制作时间，而影片的上映日期已经定下——《变形金刚3》定于2011年7月1日上映，虽然看起来还很遥远，但这对于派拉蒙来说却是个考验。此前华纳公司已经为《诸神之战》的后期3D画面转换推迟了上映时间，不过这部片子也面临新的困扰：今年3月份就有《爱丽丝漫游仙境》、《哈勃望远镜》以及《驯龙记》等3D影片上映，3D影院的数量非常吃紧。
3D电视则主要是电视机厂商的舞台，索尼、三星、松下、LG等厂商都将3D电视视作未来的制高点，哪一家厂商能够在技术上夺得领先，便能够一路领跑。
而对于国内电视业来说，3D电视的到来并不见得是什么好消息，国内电视机厂商大多只能作组装工作，开发3D图像引擎这样的工作完全难以胜任，而3D电视一旦广泛流行，就意味着国际一线厂商对产业的控制能力获得进一步加强。
NVIDIA总裁黄仁勋很早就宣称，3D是计算视觉发展的未来方向，过去外界更多解读为NVIDIA在推销自己的显卡。现在我们发现预言成真。也是得益于前瞻性的战略，NVIDIA在3D电影制作领域占据主导地位，这将为它带来强劲的利润增长点。
……
在电视领域，3D技术也开始崭露头角，去年10月份，英超联赛第24轮的阿森纳对阵曼联大战即采用3D立体实况直播，国际足联也计划在今年的南非世界杯中提供3D直播，为球迷提供更具临场感和冲击力的精彩比赛。电视机厂商也从中嗅探到商机，松下、索尼、三星、LG等电子巨头都已高调宣布将在今年投产3D电视，将电视系统带进全新的三维纪元。
内容创建：如何在拍摄时构建三维画面3D电影与我们所说的3D游戏有着本质性的区别。3D游戏的画面拥有x-y-z坐标的三维信息，在数学上是真正意义上的三维；但3D游戏的画面必须展现在一个2D屏幕上，用户便无法感受到画面的深度感，而只是在画面运动中能感受到类似3D的立体场景。与此不同，3D电影是一种视觉解决方案，即在2D屏幕上可以让人眼看出纵深感，即你能真实地感受到屏幕物体的远近，画面宛如就在你眼前展现，这将给观众带来极佳的临场体验。
要实现3D电影是一套系统工程，它在内容创建（即拍摄和数字制作）、后期剪辑以及播放阶段都要有相应的解决方案。而源头的拍摄工作则是重中之重。若要了解3D电影是如何拍摄的，我们就需要先来了解人眼是如何产生深度感，也就是如何形成3D立体视觉的。
对此科学早已给出了答案：人的视觉之所以能够分辨远近，主要就是靠两只眼睛形成的视觉角度差—成人的两眼间距约有5厘米，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看其他任何一样东西时，双眼形成的视觉角度都不会相同。这种角度差尽管非常小，但视觉信号经过视网膜传到大脑后，大脑的视觉中枢就用这微小的角度差，构建出远近的深度，也就是最终产生了立体感。整个过程与计算机处理x、y、z三维坐标的换算非常类似，只不过深度的z坐标是利用角度换算得出的。假如我们用一只眼睛来观察，虽然也可以清晰地看到物体，但对于物体远近的距离分辨却不那么容易。
利用这一原理，将同一个景象依据两眼的视角差异分辨制造出两个相应的影像，然后让每只眼睛分别只看到属于自己的画面，这样综合形成的视觉信号就可以令大脑产生深度的立体感。无论是哪一种3D演示技术，都是基于上述原理构建，区别只在于实现的手段不同、效果存在差异，但是本质上都是利用两眼的视觉角度差来创建立体画面的。
3D电影的拍摄同样如此。在《阿凡达》摄制工作开始之初，詹姆斯卡梅隆就筹划好要在3D影院中放映，为了获得完美的视觉效果，卡梅隆需要一套拥有双镜头同步拍摄的3D摄影机，但在拍摄工作开始的2007年，索尼并没有这样的解决方案。
卡梅隆不得不自行设计。为此，卡梅隆专程从美国飞往日本索尼公司的研发总部，与研发工程师耗时三个月才对16台摄像机进行改装，构建出一套专用的Fusion Camera-3D System拍摄系统。这套系统包括8部HDC-F950和8部CineAlta F23，但它并不是将两台F950或F23简单拼接在一起，而是通过一项复杂的技术将两台摄像机联结为一体，使得拍摄工作可以同步进行——这样的技术改造就等于重新制造出一台拥有两个镜头的3D摄像机，难度不言而喻。而仅仅为了开发这套3D摄影系统，卡梅隆就砸下了1400万美金。当然事实证明，这样的大手笔投资是非常值得的。
在今年的CES展会上，松下发布了号称全球第一款一体化全高清3D摄像机AG-3GA1。AG-3GA1拥有两个镜头，分别对应两组200万像素的CMOS传感器，可同时获得1920×1080的全高清视频数据。据悉，这套摄像机将帮助CBS、福克斯体育、MTV、NBC环球等电视台同步转播6月份的南非世界杯，但它只是广播级的产品，并不适合需要超高分辨率的电影拍摄，技术上无法与卡梅隆的Fusion Camera-3D System相媲美。
由于缺乏现成的商用解决方案，也不是所有的导演都能像卡梅隆一样专程向索尼定制3D摄影机。大多数的3D电影其实都是依靠后期，也就是拍摄时仍只是用单摄影机来完成，后期影像处理通过插值运算的方式，生成另一套视角有所差别的画面。这种方式在技术上比较简单，立体效果同样也不逊色，只是边缘区的画面会受到损失，整体来看具有较好的投入-收益比。后期3D的缺陷就是需要很长的时间来调校，效果也不如真实的3D摄制好。即将上映的《诸神之战》(Clash of the Titans)和《哈利波特7》便是采用后期方式衍生出3D版本的。而从长远的趋势来看，直接采用3D摄制方式将成为好莱坞的主流选择。
3D动画电影则是一个不同的例子，这种动画电影本身就是在计算机上创建，基本无需动用到摄影机，所生产的画面也具有x-y-z坐标。但为了在银幕上给观众展示出纵深感，仍然需要通过插值生成视角差不同的画面，然后同步在3D影院中放映。
终端显示：如何在二维银幕上构建立体电影
双镜头摄制或者3D化的后期处理，这就完成了3D电影的制作工作。
当拷贝提交到影院之后，就必须要专门的3D放映系统才能将立体视觉加以展现。3D放映系统同样利用视角差原理，这套系统必须同时播放左右眼的画面，并让左、右眼分别都只看到属于自己的画面，形成视角差，这样观众就能体验到高度逼真的画面纵深感。
3D电影的制作与放映其实是完全分开的环节，3D电影的放映系统目前存在双机立体(双机偏振镜)式、Real D、XpanD、Dolby3D和IMAX3D等五种不同的解决方案，这五个方案各有优缺点，且都在一定范围内获得应用。其中，双机立体是一种较自然的方案，这套系统要使用两部放映机，放映前将左右眼对应的两套电影胶带分别装，两个放映机的镜头前都装有一个偏振镜，彼此的偏振轴互成90度。两台放映机需要保持同步运转，这样左右眼的画面可以被同时投放到金属银幕上。此时如果裸眼直接观看影像，便会发现存在明显的重影现象，不过当观众戴上特制的偏光眼镜后便会看到立体的视觉画面—奥秘就在于偏光眼镜的左、右两个镜片的偏振轴互相垂直，且与放映机偏光镜的偏振轴相一致，观众的左眼只能看到左像，右眼只能看到右像，进而由大脑神经产生三维立体的视觉效果。此时，观众眼前将出现一幅幅连贯的立体画面，景物扑面而来或者深入到银幕的深处，产生了强烈的“身临其境”的感受。双机立体方案的优点是可以同前期的3D摄制工作完美配合，它也是最自然的3D放映。但缺点在于需要昂贵的金属银幕，才能保证偏振光不会发生角度改变，在3D电影仍不够普及的情况下，对于影院来讲是个不菲的投资。
国际上最流行的Real D方案其实也是采用类似的偏振光原理。Real D拥有高达81%的市场占有率，居于绝对主导地位。Real D只需要单台放映机，不过它需要在数字放映机前安装用于切换光线偏振方向的电-光液晶调制器(Real D公司称之为“Z-screen”)。当光线透过Z-screen投射到屏幕上后，系统中的3D同步控制器则会发出信号，来控制Z-screen窗口切换不同的偏振方向，这样画面就被分成左眼和右眼影像投向银幕。为了保证观看的舒适感，画面的播放速度会达到144帧/秒，对于每只眼来说是72帧/秒。同样，Real D系统也要求电影院使用高成本的金属银幕，可以获得很好的画面亮度和色彩还原度。由于成本较高，国内影院较少采用该套系统。不过Real D 3D系统也有自己的优点，那就是它仅需要几元成本的偏光眼镜，很多使用Real D系统的影院干脆就直接赠送了事。
第三种便是国内较为流行的XpanD3D系统，它是美国NuVision公司（后被XpanD收购）推出的一种使用主动式眼镜的3D电影系统。这套系统在眼镜内装有电子芯片、红外接收器和电池，造价在400元～700元之间。它的播放系统也需要在数字放映机上安装同步控制模块和3D电影红外发射器。当影片放映时，3D放映机的同步控制模块为指向幕布的红外发射器提供同步信号，红外发射器收到指令后发射出940纳米波长的红外信号，并指挥液晶眼镜作相应的切换，从而与放映机播放的画面实现同步。当观众配戴这种液晶同步眼镜后，左眼将只能看到放映电影的左眼影像，右眼将只能看到放映电影的右眼影像，放映机则是高速轮流播放左右眼画面。XpanD系统的优点是可以采用普通的数字电影白幕，虽然眼镜价格不菲，但整体构建成本仍然较低。不过XpanD可能会遭遇眼镜同步错误，表现为长期高度的重影，此时只能更换一副新的眼镜。
杜比推出的Dolby3D系统在国内也较为流行。Dolby3D使用了分色技术：
数字放映机发出的光线通过一个特殊的旋转滤色镜盘，之后光谱成分就能达到分色要求，接着光线再进入放映机光路，由同步控制器控制滤光轮切换左右滤光片，改变光源的光谱，来配合放映机进行播放。由于这个分色过程是在光线到达影片胶带之前发生，观众可感受到较鲜明的立体感。不过这个旋转滤色镜盘需安装在放映机内部，所以需要放映机厂家方能完成。另外这套系统不使用偏振光，现行的白色银幕上即可直接放映3D影片，而一副偏振光眼镜的造价也较低（约人民币200元）。Dolby3D以其低廉的造价获得国内众多影院采用，不过这套系统必须依靠专用软件进行亮度、串扰度、色彩的调校，否则画面色彩和保真度都会大打折扣，这也是国内很多影院3D电影效果一般的主要原因。
IMAX 3D是电影业公认的最佳3D系统。IMAX（ImageMaximum，最大影像）采用专用的“15/70”格式胶片，尺寸高达69.6mm×8.5mm，感光面积相当于普通35mm胶片的10倍，传统70mm胶片的3倍，IMAX摄像机的理论分辨率可达18k（每帧18000×13433像素），不过目前电影工业母带制作的极限分辨率只能达到8K，现行IMAX影院在放映70mm胶片时的分辨率则可以达到6k—与此相比，国内主流的数字电影放映分辨率是2k（2048×1556分辨率），不难看出，IMAX在分辨率方面优势巨大：它可以提供更清晰、更亮丽和超大尺寸的画面。IMAX3D系统则是以此为基础，它使用两盘IMAX专用的15/70胶片来放映影像、一盘胶片对应一只眼睛，然后通过偏振过滤眼镜或红外同步系统配合电子眼镜来提供两个单独的图像。最后再结合IMAX的巨大银幕，产生超级震撼的全视野立体效果。
《阿凡达》的首映式就采用Dolby3D+IMAX技术进行播放，不过《阿凡达》并不是真正的IMAX 3D电影，因为影片的摄制依然采用35mm胶片而非IMAX专用的70mm胶片，只是后期转录到IMAX 70mm胶片进行播放，因此在IMAX 3D放映时可以察觉到较明显的颗粒感。真正采用原生IMAX摄制的影片非常稀少，仅仅只是在部分片段中加以采用，如《蝙蝠侠-开战时刻》的片头和《变形金刚2》也只有4个片段采用IMAX拍摄而成。IMAX的应用更多是拍摄那些科技馆中的特效电影，远谈不上商业化——个中原因在于IMAX公司并不是专业的摄像机厂商，而只提供影院解决方案，也就是IMAX仍未进入到影片拍摄领域。
除了IMAX3D需要使用专用的摄影机和放映机外，其他几种3D影院系统都可以在现行数字放映机基础上升级而成，所以数字放映机可以添加任何一种3D系统，主动权掌握在影院运营商的手中。
困难与挑战：3D电影普及的障碍
IMAX 3D是一种近乎完美的3D电影方案，但它委实过于昂贵，在短时间内大面积普及并不现实。国内的影院一般选择Dolby3D、XpanD方案便是基于成本考虑，这些3D电影给观众带来真实的立体感受，但在画面亮度和色彩方面却不得不做出牺牲。
3D电影要面对的首先就是亮度低的难题。低亮度主要是受放映系统的色轮、偏振镜头以及观众佩戴眼镜的影响，这些阻碍令3D电影的观看亮度比普通电影低80%—比如说一台3万流明的数字影院投影机，有效输出亮度仅仅只有6000流明，亮度衰减问题非常严重。而目前3D影院所能达到的亮度基本上在3f t-L级别，国际标准要求至少为4～5f t-L，这就相差了20%～40%。画面亮度低使得观众容易产生视觉疲劳，所看到的画面色彩也有欠缺，在很大程度上抵消了3D立体感带来的观赏体验提升。
加大投影机的亮度输出是最直接的解决方案。但不幸的是，当前业内所能提供最高亮度的投影机只有3.3万流明，要继续提升极为困难，只能通过其他的技术改良加以解决。美国科视系统公司采用Brilliant3D三重flash技术的摄影机，它将投影机的有效亮度输入提升了13%～32%，并可支持全2k分辨率的3D电影，目前该套系统已经在全球各地广受欢迎，也是目前技术最先进的解决方案。
缺乏国际标准是3D电影的另一个障碍。由于没有公用的标准，影片的摄制只能各行其是，发行影片时也没有统一的标准可以参照执行，影院只能针对不同的影片进行逐一调试，这不仅相当不便，也很有可能影响播出效果，国内的一些3D影院过去就频频传出效果不佳，观众要求退票的不幸事情。也是因为无标准可循，影院方在建设3D系统时必须在多套方案中进行选择：RealD的单机Z-screen方式全球占有率最高，不过需要昂贵的金属银幕，在3D电影还没有广泛普及的情况下，更换金属银幕的成本显然过高。为此国内的影院大多选择较经济的方案，但也因此遭受效果较为一般的困扰。即便是效果最出色的IMAX 3D，也有自己的问题，一方面是成本过于高昂，只有经济发达的大中城市才有条件上马，另一方面就是缺乏IMAX片源，播放影片实际上还是由35mm胶片进行转录，这就导致实际效果打了个折扣。
有鉴于此，美国DCI和SMPTE正在谋求制定统一的数字立体放映方式标准，但这套标准只是对具体亮度输出和色彩方面进行定义，具体的放映方案还是由各影院自行决定，因此3D电影系统的竞争在未来还将持续。
3D电影以立体感吸引人，但并不是所有人都适合观看。在《阿凡达》上映期间，不少观众都反映出现眼睛酸胀、头晕甚至恶心呕吐等不适现象，这主要是由于3D电影除了大量实焦画面外，还有丰富的虚焦布景画面，同时画面切换十分频繁，迫使观众眼球必须作频繁，反复地聚焦，眼睛睫状肌极容易过劳，出现调节性视觉疲劳的情况，也就是会感到眼睛酸胀、头晕或恶心。如果遭遇这种情况，观众可以取下3D眼镜稍作休息，但对于青光眼患者，观看这类3D电影实质上是危险行为，因为3D电影很容易令患者眼压过高，引发青光眼急性发作，对这类观众来说，老老实实观看传统的2D高清电影是正确的选择。
3D电视：主动快门眼镜技术一统天下
3D电影的风雨欲来让电视工业也受到重大启发，在极短的时间内，各大电视机厂商纷纷宣布将推出大屏幕3D电视，其中包括索尼、松下、三星、LG这些平板时代的一线企业。但与3D电影可以在片源上实现不同，现在几乎所有的电视节目都是2D拍摄的，3D电视要想有所作为，就必须在内容创建方面获得突破。
姑且不考虑这一点，我们先来看看3D电视机是如何实现的。早在十年前，DTI就曾推出过一款15英寸的3D LCD显示器：2015XLS，这款产品采用一种名为“自动双重拷贝（Autostereoscopics）”的技术，它其实就是利用一个内部TN面板来控制背光的开关，间歇性地照亮屏幕的奇数列和偶数列，并加上内部光学透镜的配合，最终使得水平扫瞄线的 1、3、5、7 奇数列画面分配给左眼，2、4、6、8偶数列画面分给右眼，由此形成3D立体视觉效果。
除了DT I外，后来的飞利浦、夏普、三洋和三星公司都开发出类似的3D显示器，尽管实现手段有所不同，但它们都是采用相同的像素分列方案。这种方案的缺陷在于画面的水平分辨率只有一半，同时观看者的头部必须在一个狭窄的范围内，偏离出这个范围就无法看到应有的3D效果，这个缺陷注定了像素分列技术不可能被用于3D电视领域—毕竟电视机的观看要求十分随意，你别指望家庭成员会整齐地端坐在屏幕的中央位置。
“Active Shutter Glasses（主动式快门眼镜）”方案是3D电视的理想技术，它也就是3D电影中XpanD方案所用的技术，区别只是在于观赏的对象是LCD屏幕而非金属银屏。主动快门眼镜的原理非常简单：在眼镜左右眼内各内建了一个快速闪动的“黑屏”，当电视显示左眼的影像时，右眼镜片出现黑屏，将右眼遮挡，反之亦然。由于画面切换的速度极快，人眼会“认为”左右眼画面是同时出现的，进而产生立体视觉效果。这种方案可以保持电视机原有的高分辨率，但要求电视机能够以两倍的帧率播放画面，也就是必须将画面刷新频率从现时的60Hz提升到120Hz以上，如此方能减轻屏幕画面的闪烁感。不过这种主动快门式眼镜结构复杂，需要电池、黑屏驱动系统和电视画面的同步控制器，成本较高，这一点我们在介绍XpanD系统时便已谈过。
索尼在今年的CES上展示了一套完整的“主动快门眼镜”解决方案，除了电视机本身外，它还带来了用于同步眼镜的红外发射器和专用的快门眼镜，不过展示的只是原型产品。索尼表示，3D电视正式上市时，红外发射器将直接整合于电视机内，眼镜也将重新设计。值得一提的是，索尼采用PS3作为演示平台，3D游戏的画面效果更具冲击力，这将反过来显著提升PS3的吸引力。
NVIDIA早先推出的3D眼镜其实也采用了相同的技术，但NVIDIA的眼镜是与显卡输出同步的，而非与屏幕同步，由于不同的显示终端会在反应速率、残影、电子回路等方面都存在差异，当视频信号转化为画面显示时，与同步信号已经会产生微小的偏差—虽然这种偏差非常微小，但足以对3D立体画面的营造产生负面影响。与此相比，索尼认为自己的方案在于能够与屏幕同步，可以获得更完美的同步效果。索尼计划在今年6月份推出两款3D电视产品，其中40英寸型号售价大约为3200美元，46英寸的型号售价3888美元，都相当昂贵。
三星公司在3D电视的推出方面比索尼快了一步，在今年3月初，三星电子就推出LED TV 7000和LEDTV 8000系列3D电视机，两个系列均包含46英寸、55英寸规格，并采用240Hz的高刷新率液晶面板，响应时间在4ms之内，性能颇为出众。同样，三星的3D方案也是通过快门眼镜，这项技术其实已经非常成熟，只不过眼镜价格较为昂贵：一副的售价大约为150美元，家中有几位成员，就必须准备多少副这样的3D眼镜。
3D电视能够达到何种效果，真正的关键在于2D内容到3D内容的转换。
无论索尼还是三星抑或是其他厂商，都必须在3D电视中设计一套强大的视频转换系统，将数字视频流转为3D化的影像。这套系统的核心是专用的数字图像处理器，这也是3D电视机成本高于普通电视机的主要原因之一。
3D电视机的出现意味着平板电视机正焕发第二春，以往人们认为从液晶电视的未来之路就是升级到色彩更出众的OLED电视机，现在这种情况出现了转变：3D电视机毋庸置疑将成为未来十年电视机业的主导。但国内的用户很有可能与国际潮流再度脱轨，罪魁祸首就是数字电视标准不统一。
众所周知，我国的数字电视是以机顶盒的方式进入家庭的，机顶盒将接收的数字信号转为模拟信号，然后再输入电视机的模拟端子中。如果你花了大价钱购买了3D电视机，便会发现只能给电视机输入模拟信号，否则就无法收到电视节目；但第一代3D电视机都只针对数字视频信号进行转换，无法处理模拟信号。
最直接的解决办法就是在3D电视机内额外设计一套模拟-数字信号转变系统，预先将模拟视频信号转为数字信号，经由3D图像处理器转换后形成输出。这样做会带来成本的增加，同时电视信号将经历“模拟-数字（电视台-卫星）、数字传输（卫星-基站）-数字-模拟（基站-机顶盒）-模拟-数字（3D电视机）”的反复转换，你可以想象，再优秀的算法也难以抵消信号的失真。
我们现在发现，3D电视面对的困难远比3D电影来得大：几乎所有的电视节目都还是模拟的，3D摄制标准根本无从谈起；同时3D视频转换格式也还无标准可行，所有这一切都还在襁褓阶段。众所周知，高清花了四分之一个世纪才进入平常的家庭中，3D电视要想广泛普及恐怕也非一时之功。当然尽管道路曲折，前途却是光明的，在标准缺失的情况下，电视机厂商会通过各种技术手段来解决问题，对此我们仍然满含期待。
前瞻：2010，3D视觉元年
《阿凡达》打开了3D电影的潘多拉魔盒，影视媒体也因此走上一条新的发展道路。当然如果没有这部电影，也总会有其他的3D电影出现。现在，观众们已经从3D视觉的体验中尝到甜头，迎合市场需求无疑是厂商克敌制胜的法宝。近日，华纳公司决定将为4月2日上映的影片《诸神之战》(Clash of the Titans)以及《哈利波特7》发行3D版本。派拉蒙也正考虑是否也将《变形金刚3》拍摄成一部3D电影。对于导演来说，最大的困难在于制作3D画面需要更长的后期制作时间，而影片的上映日期已经定下——《变形金刚3》定于2011年7月1日上映，虽然看起来还很遥远，但这对于派拉蒙来说却是个考验。此前华纳公司已经为《诸神之战》的后期3D画面转换推迟了上映时间，不过这部片子也面临新的困扰：今年3月份就有《爱丽丝漫游仙境》、《哈勃望远镜》以及《驯龙记》等3D影片上映，3D影院的数量非常吃紧。
3D电视则主要是电视机厂商的舞台，索尼、三星、松下、LG等厂商都将3D电视视作未来的制高点，哪一家厂商能够在技术上夺得领先，便能够一路领跑。
而对于国内电视业来说，3D电视的到来并不见得是什么好消息，国内电视机厂商大多只能作组装工作，开发3D图像引擎这样的工作完全难以胜任，而3D电视一旦广泛流行，就意味着国际一线厂商对产业的控制能力获得进一步加强。
NVIDIA总裁黄仁勋很早就宣称，3D是计算视觉发展的未来方向，过去外界更多解读为NVIDIA在推销自己的显卡。现在我们发现预言成真。也是得益于前瞻性的战略，NVIDIA在3D电影制作领域占据主导地位，这将为它带来强劲的利润增长点。
关注读览天下微信，
100万篇深度好文，
等你来看……
