立体电影深度要素分析

杨海平 · 发表于 2004-8-29 22:10:00

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立体电影深度要素分析

2010年初，美国著名导演詹姆斯.卡梅隆拍摄的影片<阿凡达》在全球范围内掀起了一股立体电影的热潮。《阿凡达》这一部影片的全球票房就高达27亿多美元，几乎将电影史上所有的票房纪录都刷新了一遍。而在《阿凡达》之后，许多影片都是用立体技术来进行制作。能够放映立体影片的银幕数量也呈一个高增长的态势。

立体电影这一电影形式，与普通电影最大的区别，就是立体电影能够给观看者带来更强的空间深度感知。这种深度感知能够为观众呈现出一个空间，给观众带来更加强烈的感官刺激和视听享受。

一、立体电影中的深度要素

立体电影之所以能够给观众带来深度感知，是因为立体电影本身具有许多深度感知要素。观众在观看立体电影时，通过感知这些深度要素而获得空间深度感觉。这些深度要素中，有一部分是可以通过单眼就可以感知的；一部分是需要通过运动来感知；还有一部分是由于人的双眼因为生理上的位置差异而产生，必须通过双眼感知的。通过单眼感知和通过运动感知的这部分深度要素，立体电影和平面电影中都具备，而必须通过双眼感知的深度要素只有立体电影中才具有。具有这些深度要素正是立体电影能够带来比普通平面电影史加强烈的深度感知的原因。

（一）基于单眼的深度感知要素

在我们生活中，有许多人十分不幸的只有一只眼睛具有视觉功能，但是这些人们并没有因为他们没有两只健全的眼睛而丧失了感知深度的能力。他们在生活中不会因为缺少深度感知而碰到身边的家具，不会因为找不到桌子的边缘而将一些小东西掉在地上。这是因为他们可以从单眼为他们提供的2D视觉图像中获取大量的深度信息，而不需要通过两眼图像的差异来进行合成。就像人们知道远处的物体看起来会比近处的物体更小，而且会被近处的物体所挡住一样。或者在我们观看普通电影和看一些照片时，虽然所有的影像都在同一个平面，我们双眼所获得的视觉图像是没有任何差异的，但是我们一样可以通过图像内容中的一些相对信息，来获得图像内容中的深度信息。

1．通过透视与相对大小来感知深度
当我们在一幅图像上，看到一个人和一幢摩天大楼在一起，而人和摩天大楼具有相同的大小时，我们会很自觉地认为摩天大楼会比人的位置远很多。这就是因为观看者本身所具有的视觉经验造成的。经验中，观看者认为大楼的高度会比人高很多，而看起来人和大楼一样高的时候，大楼必然是由于近大远小这一透视规律才变小的，所以观看者会很自觉地认为大楼距离人很远。即使这个大楼仅仅是一个跟人同样高的模型，跟人具有同样的深度位置关系，观众也会认为这个大楼距离人很远。

2．通过纹理梯度来感知深度

如果空间中有某一纹理，在不停地以重复图案的方式呈现出来，这种纹理会在朝向地平线的方向上不断地变小，从而产生一种梯度。人们可以通过对于纹理梯度的认知来判断空间深度。

3.遮挡

观众通常的意识中，距离近的物体会遮挡住距离远的物体，而距离远的物体只会被遮挡，不会遮挡住它前面的物体。这样人们就可以通过物体之间的相对遮挡关系，判断不同物体在空间中的位置。而遮挡关系还会和相对大小综合作用，给观众提供深度信息。因此，如果观众看到一间房子只遮挡住了一个人身体的一半，那么必然会认为这个人是一个巨人，或者这问房子是一个缩小了的模型。

4．由于大气折射造成的图像模糊和色彩变化

当我们在登Llj的过程中，我们眺望远处的山峰，我们经常会发现远处的山峰变得模糊不清，并且远处山上的树木也不如近处山上的翠绿。这是因为空气中还有微小的水分子，水分子会使光发生折射和色散，造成远处物体的清晰度、饱和度下降，色彩发生色偏。人们可以通过这些清晰度下降和色偏，来感知物体的空间深度。

图4 大气折射提示了物体的空间位置

5．阴影和表面亮度分布
对于任何物体，阴影和亮度分布都是分辨物体深度信息重要元素。物体上距离光源近的位置会比物体上距离光源远的位置得到更多的光照，从而获得更高的亮度。而在物体周围的地方，光线被物体遮挡，这样就会在物体周U产生阴影。而人们可以通过这种亮度信息的变化来感知物体的深度。如图5，在同样的一个圆形上面加上不同的光影效果，观看者所得到的深度信息是不同的。

（二）基于运动的深度感知要素

图像中的运动物体产生的运动视差能够帮助观众辨别深度。

1．视差

在这里，我们需要解释立体电影中最为重要的一个概念——视差(Parallax)。视差就是指空间中同一点，在一组图片中的相对位置关系。

如图6所示，从图A到图B，图中五角星的位置发生了位移，这样，图B中五角星的五个顶点与图A中五角星的对应顶点就产生了位置上的差距。这个位置上的差距就是运动视差。

视差这一概念对于立体电影的空间深度感控制十分重要，是立体电影控制空间深度效果的最重要的参数。

2．由于视点运动而产生的运动视差

我们在乘坐火车的时候透过火车的窗口看路边的景物，我们会发现距离观看者近的物体运动速度快，距离观看者远的物体运动速度慢。运动速度上的差异就能够造成运动视差。在相邻两个时间单位内观看者大脑所获取的两幅图像上的对应点的位置具有差距，就产生了运动视差。通过这种运动视差，我们可以获知物体的深度信息。

3.由于物体运动而产生的运动视差

人们可以通过物体在视野中的运动速度，来辨别物体的远近。如果视野中，一架飞机运动速度很慢，我们一般会认为这架飞机是在高空飞行，认为它距离我们很远。而一架飞机在视野中的速度很快，我们一般会认为这架飞机即将着陆，认为它距离我们很近。距离观看者越远的物体，在视野中的运动速度越慢。所以距离不同的运动物体，产生的运动视差也不相同，通过辨别不同的运动视差，观众可以获得运动物体的深度信息。

运动视差与单眼深度感知元素不同，运动视差是一种纯粹的深度感知元素，并不像单眼深度感知元素一样，依赖于人的观影经验而存在。

（三）由于人体生理机能所产生的深发要素

人体能够通过自身肌肉的紧张程度来感知被观察物体的深度信息和位置关系。主要是通过汇聚和聚焦来实现。并且由于人体的生理特点，人的左右眼在水平位置上。

1．汇聚

人的眼球并不是两个固定不动的球体，而是可以转动的，通过眼球边缘的眼外肌的收缩和舒张来进行调节。人在观察物体时，人的眼球会自觉地向内旋转，使双眼的视轴交汇到被观察物体上，这个物体的位置就是人眼的汇聚点。人眼的汇聚点可以从很近的距离到接近无穷远的距离。当人眼汇聚到十分近的距离时，眼外肌强力收缩，带动眼球向内倾斜，而眼外肌长时间处于收缩状态，会给人眼带来疲劳感。当人眼汇聚到远处，接近无穷远的距离时，眼外肌处于舒张状态，会令人感到放松。人可以通过感知眼外肌的收缩和舒张的状态，来进行深度的感知。

2．聚焦

在人的眼球内部，有一个双凸透镜形状的透明组织——晶状体。晶状体两侧连接着人眼的睫状肌。人在观察物体时，通过睫状肌的收缩或松弛改变屈光度，使观察远处物体和观察近处物体时眼球聚光的焦点都能准确地落在视网膜上。人体也可以通过睫状肌的收缩程度，来感知深度信息。

人体在观察物体时，聚焦和汇聚都在同一点上，眼外肌和睫状肌所传递的深度信息趋于统一。

立体影像与上文所提到的运动视差有所类似。人在双眼观看物体时，由于人双眼位置上的差异，双眼形成了两个视点。而人通过这两个视点，得到了两幅具有差异的图像。我们称这两幅具有差异的图像为立体图对。而立体图对之间的差异，我们称之为相对差异。当人们观看立体图对时，人们自然地寻找立体图对间的相对差异，这些差异通过大脑皮层中的视神经元进行处理和融合。人们可以从这些差异当中得到更多、更详细的深度感知元素。这些深度感知元素能提供比单眼深度感知元素和运动深度感知元素更详尽、准确的深度信息。

3.水平视差

如前所述，在运动深度感知元素一节中，视差就是指空间中同一点，在一组图片中的相对位置关系。而在立体深度感知元素中，视差特指空间中一点，在一对立体图对中的位置关系。

为了在下文中更好地运用视差这一概念，在这里，笔者将对于立体图对中的视差进行定量的描述。

在一对立体图对（图7）中，我们将左视点获得的立体图像称之为L图，将右视点获得的立体图像称之为R图。

图7是通过可视化预览软件得到的一对立体图对。我们以图对中，背景墙上窗口左上角一点为例。对L图中，窗口左上角一点称之为点AL；对应R图中，窗口左上角一点称之为点AR。我们称空间中同一点在立体图对L图与R图上所形成的两个点AL和AR为一组对应点。

我们在立体图对中的对应图像内，分别以图像的左下角为原点，以图像的下边框向右为X轴正方向，图像的左边框向上为Y轴正方向，分别建立两个直角坐标系。这样，空间中一点在立体图对两幅图中所得到的两个对应点的坐标可以写为AL(xL，yl)和AR (XR，yR)。

通过这两个点的坐标，我们可以计算出空间中这一点在立体图对中的对应点的水平视差PH和垂直视差Pv。

PH=XR - XL

Pv—yR - YL

人的大脑能够根据水平视差的大小来获取立体图对中所提供的深度信息。而由于人眼在水平高度上并没有差异，所以在理想的状况下，AL（xL，yL）和AR( XR，yR)这两点的纵坐标应当相等，Pv应当等于O。但是在立体电影摄制的过程中，由于装置的原因，Pv很难等于0，所以需要更精密的立体拍摄装置和对于装置更加精密的调整来消除垂直视差。

4．遮蔽效果

在图像中，物体出现重叠时，就会发生遮蔽效果。遮蔽效果在左右立体感知元素中是最强力的感知元素。在单眼的情况下，背景物体的一部分会被前景完全的遮住，完全不可见。而在立体图对中，有一小部分背景的纹理只能被一只眼睛所看见，仅仅出现在立体图对中的一幅图上。大脑在遇到这种遮蔽效果时，会通过判断纹理的差异，来感知立体。

但是这仅仅是在由于遮蔽效果所产生的纹理差异并不十分强烈的情况下可行。如果遮蔽效果所产生的纹理差异十分的强烈，那么大脑很难将立体图对融合在一起，因此极易产生视觉疲劳和眩晕感。

5．左右视点形状差异

中的骰子在左右眼各自的图像中，形状并不相同。左眼图像中，我们看不到四点，右眼图像中，我们看不到三点。在我们观看骰子的过程中，骰子的形状并没有改变，但是左右两眼却看到了不同。这就是由于左右两个视点位置不同，所得到的形状不同。大脑会融合着两个图像成为一个完整的立体视觉。

在人的立体视觉中，有一个附加属性，那就是人眼的瞳距。根据调查，人眼的瞳距的平均值为65mm，个体差异并不大。而且由于每个人的瞳距都是固定的，所以每个人在观察同样大小同样距离的物体时，所观察到的物体在左右眼图像中形状的差异是固定的，所以人们能够根据左右眼的形状的差异来判断物体的深度。骰子在观看者手中和骰子在观看者面前的桌子上，这两种情况，骰子在立体图对中表现出的形状的差异并不相同，人们可以通过这种差异来判断骰子的位置。

但是对于立体摄影来说，由于视点不同所带来的形状差异很容易造成麻烦。因为人眼的瞳距是固定在65mm左右的，而在许多时候，双机立体摄影的两个机器的光轴间距并不是65mm，这就会造成左右视点形状差异与正常人眼所获得的体验不同，使观众不能适应。当双机立体摄影中，两台摄影机的光轴距离过小时，会造成双眼获得的差异信息过少，造成立体信息不足，被摄物体会产生片状的感觉。而当两台摄影机光轴过大的情况时，会造成双眼获得的差异信息过大，与人眼正常的观影习惯不符。就好像观影者拥有一个巨人的瞳距一样，观影者会感觉立体影像的大小过小，出现“小人国”现象。

二、立体电影中深度要素的应用

上文简要阐述了立体电影中，各种深度要素的类别和各自的特点。而正确地使用这些深度要素，正是如何拍好立体电影的一个关键。好的立体电影应该能给观众带来强烈的空间深度感，并且不使观众产生视觉疲劳。

1．立体电影中应当具有丰富的深度要素和深度信息

好的立体电影，应当具有丰富的深度要素。只有具有丰富的深度要素，才能够给观众带来强烈的立体感受。在当前国内的立体电影制作过程中，经常会有创作人员过分重视由于人眼的双眼视觉效应产生的立体效果，而忽略了其他深度要素。比如在拍摄过程中，过分强调了通过双机拍摄带来的立体效果，而忽略了场景中其他物体本身的深度要素。对于被摄景物的纵深感和光影层次都不够重视，这就导致了拍摄出来的片子的单眼深度感知等深度要素缺乏，影片中的深度要素不够丰富，使观众并不能获得深度感知，导致立体效果不佳。其实在立体影片中，双眼视觉效应之外的立体要素某些时候甚至比双眼视觉效应更为重要。在拍摄普通平面电影时，虽然观众看到的所有内容都是在银幕平面上的，但是观众一样能够获得丰富的深度要素，一样能够对于画面内的深度空间产生深度感知。而在这些深度要素匮乏的情况下，即使具有再强烈的双眼立体视觉效果，观众也不会有好的深度感。比如我们拍摄一面墙，即使我们拍摄出来的画面具有极大的水平视差，有强烈的双眼视觉效应，观众们一样不会认为这些立体影像具有好的深度感，因为这些画面中的深度要素不够丰富。

现在好多影片都通过2D转3D这种方式，来获得强烈的双眼立体视觉效果。但是这些通过2D转3D手段制作的立体影片，往往在票房和口碑上都不能获得成功。观众观看这些影片时，总觉得立体效果不佳。这主要是因为，通过2D转3D获得的立体影片，其深度要素并不丰富。

首先进行2D转3D处理的画面，应当是已经具有丰富深度信息的画面，如果画面本身的深度信息不足，那么无论如何进行2D转3D处理，都不会产生良好的立体效果。其次，在2D转3D处理过程中，应当能够使得到的双眼立体视觉深度要素尽可能丰富，细节尽可能的多。2D转3D处理较之实拍立体，在双眼立体视觉方面，得到的细节还是比较少，不能像实拍立体那样，使画面内每一个位置都有独立的深度信息。所以许多不好的2D转3D影片都会产生片状的感觉，这就是深度信息缺失带来的后果。

2．立体电影中应当处理好各种深度要素之间的关系

立体电影中，具有多种深度要素，而这些深度要素之间的关系必须得到妥善的处理。由于立体电影并不是完全的一次拍摄完成，有许多画面内容都是在影片的后期制作过程中添加进去的。这就需要使这些后来添加的内容与画面本身的内容的深度要素不产生冲突，要处理好各种深度要素之间的关系。

最显著的例子就是影片中字幕的深度控制。字幕是一种在影片后期制作过程中添加进去的画面内容。字幕在遮挡关系上，处于一种绝对优势的地位。由于字幕是后期添加的内容，字幕会遮挡住画面中一切的内容，无论画面中内容的双眼立体效果如何，都会被字幕所遮挡。而字幕的本身的深度信息却又是在银幕平面上的。如果处理不当，就会使两种深度要素产生冲突，给观众带来视觉疲劳。在实际制作过程中，经常会人为的给字幕添加视差，并且改变字幕的位置，来避免这种深度要素之间的冲突。

除了遮挡关系与双眼立体效果之间的冲突，各种立体要素之间还会有一些其他冲突，例如聚焦与汇聚，相对大小与双眼立体视觉等等。这些冲突都会对于立体影片的立体效果产生不好的影响，所以在制作立体影片中，一定要处理好各种深度要素之间的关系。

我们在制作立体影片的过程中，一定要明确认识各种深度要素，学会使用各种深度要素来强化立体效果，并且处理好各个深度要素之间的关系，只有这样，才能拍摄出立体效果好的立体电影，使立电影能够长期发展下去。

潇雨 · 发表于 2004-8-31 02:10:00

分享，谢谢

至水清依 · 发表于 2004-9-16 21:15:00

大家应该多多鼓励啊

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