數字環幕立體電影製作方法
2023-05-10 05:22:21 2
專利名稱：數字環幕立體電影製作方法
技術領域：
本發明涉及數字電影電視技術，具體是一種採用三維動畫技術的數字環幕立體電影製作方法。
傳統的立體電影採用雙攝影機或雙鏡頭攝影機拍攝，對應觀察點沿與觀察方向垂直的水平線錯開數釐米的距離，以產生視差。兩觀察點的距離(瞳距)應與人的兩眼間距相當。
放映時通過兩臺電影放映機分別放映對應於人的左右兩眼的左右通道圖象，並使之投射到同一銀幕上。在放映機鏡頭前加偏振片，使兩路圖象具有不同的偏振方向。採用具有一定鏡面反射能力的銀幕，使銀幕的反射光保持入射光的偏振性，觀眾藉助偏振眼睛區別左右兩路通道的圖象，藉助兩路圖象的視差產生立體感。
將若干塊相同的銀幕圍成一個圓柱面，環繞整個放映大廳，並藉助與銀幕相同數量的電影放映機分別把圖象投射到這些銀幕上，就組成了環幕電影的放映環境。環幕電影要求採用同樣數量的攝影機組成環形進行拍攝，獲得的多路圖象。在環幕影院放映時，相臨銀幕之間的圖象被連接起來，所有的銀幕上的圖象被連接成一個整體，觀眾會感覺到置身與一個由影片營造的環境中。
目前環幕電影的每兩相鄰銀幕之間要被一寬約30釐米的豎直邊框隔開，所以畫面實際上沒有達到完全渾然一體。造成這一情況的原因以下(1)、豎直邊框上要開放映窗口，以使放映軸線與畫面垂直，否則，銀幕上的圖象將產生梯形變形。
(2)、由於拍攝時，實際上不可能使所有攝影的觀察點重合，所以相鄰銀幕上的圖象實際上是不可能完全連續地連接在一起的。增加邊框，可以掩蓋這種不連續性。
(3)、放映機和膠片的微小光學參數的差異也會造成畫面不連續。
三維動畫是數字影視的一個方面。影片中被表現的客體或藝術形象的三維幾何屬性，光學屬性，和空間運動均可以由計算機表示。藉助於渲染(rendering)過程，這些計算機表示的模型就被轉換為數字圖象。渲染是藉助於計算機中存儲的攝影機模型進行的。該攝影機模型中存儲了與真實攝影機大體一致的參數，如機位，觀察點，觀察方向，焦距，片門等。
由於三維攝影機模型幾乎完全可以模擬真實攝影機的功能，所以同樣可以通過兩個攝影機模型實現視差，產生左右兩個通道的圖象。這種三維立體技術有一個突出的優點高度精確，可以實現任意多臺攝影機模型的觀察點的完全重合。
傳統攝影機總是在平面上成象的。採用三維動畫方法製作影片時，三維動畫軟體利用渲染來模擬攝影成象過程，但是所有的商品化三維動畫軟體都只能在平面上進行渲染。
本發明的目的在於克服現有的上述不足，提供一種環幕技術與立體技術結合的數字環幕立體電影製作方法，以滿足影視業飛速發展的需求，提供新型的影視產品。
本發明提出的數字環幕立體電影製作方法，其基於含多臺計算機和三維動畫軟體組成的三維動畫製作系統，其特徵在於包括如下步驟a、裝入將被渲染的三維場景模型；b、設置渲染參數，其中包括銀幕的弧的角度、子銀幕數量N、每個子銀幕包含的窄條數M、銀幕的半徑與高度、基線長度或瞳距；c、在三維模型所定義的空間建立一個由M×N個窄條組成的圓柱面，根據輸入瞳距建立基線，使基線中點與所述圓柱面中心重合，創建一對攝影機模型，並使它們的觀察點位於基線的兩端，將攝影機組模型對準圓柱面上一個窄條區域，使兩攝影機視軸相交於窄條的中心點；d、對於待製作影片的每一幀，繞圓柱中心水平地旋轉攝影機組和基線，通過兩攝影機模型分別對其每一窄條對應的三維場景進行渲染(rendering)，輸出兩幅窄條圖象；將所述每一幀的2×M個窄條圖象按順序拼接成一幀子銀幕圖象；e、建立與真實銀幕成比例的圓柱面和N個放映機組的三維模型，採用紋理映射(Texture mapping)技術，將上述每一幀子銀幕圖象逐幀地映射到圓柱面，並通過各個攝影機模型對圓拄面進行二次渲染，輸出相應的子銀幕圖象；f、將相鄰子銀幕圖象邊沿需重疊的畫面進行衰減處理，輸出最終的以子銀幕圖象組成的圖像文件。
本發明與現有技術比較其優點如下本發明提出了新的環幕立體視差模型，採用三維動畫技術製作數字環幕立體電影，通過一系列技術措施實現了立體電影與環幕電影的結合，可以使完整的立體圖象在180度到360度圓柱面銀幕上進行放映。該技術既適合於採用膠片電影放映機的放映方式，也適合於採用多計算機驅動播放軟體播放數字圖象的投影儀放映方式。
影片畫面連續、逼真，動感效果好，能產生巨大震撼力，效果神奇新穎。影片中物體衝出銀幕，到達每個觀眾眼前的效果是立體電影最具魅力的效果。而傳統立體電影在這方面存在很大的局限性，如這樣的物體總是只能做沿縱深方向的運動，並且這樣的物體尺寸總是很小。其根本原因是銀幕對觀眾眼睛所張的視錐的張角太小。衝出銀幕的物體只能在這個錐體中運動，越接近觀眾的眼睛，錐的截面就越小。本發明的環幕是擴大水平視角，使之超過180度甚至達到360度的最有效辦法。當幀角超過180度時，理論上任意大尺寸的物體都能運動到觀眾眼前。
傳統環幕電影是使觀眾產生「沉浸感覺」，身臨其境感覺的一種表現形式，但是，銀幕把觀眾與影片內容隔開的心理作用仍然很強。而本發明方法製作的影片立體效果大大增加，這種隔離感將被削弱很多。
本方法製作的環幕立體電影非常適合於各種遊樂場所，主題公園，科技館，或博覽會放映。
以下結合附圖對本發明的製作方法進一步說明。
圖1為普通的視察模型示意圖；圖2為本發明的環幕立體視察模型示意圖；圖3為其一個子影幕的環幕立體視察模型示意圖；圖4為其相鄰兩幅子影幕圖像邊沿重疊和衰減示意圖；圖5為其立體視差和柱面渲染軟體的流程圖；圖6為其變形矯正和無縫拼接軟體軟體的流程圖。
本文以「視差模型」一詞來表示以人工方式建立視差的數學方法。通過對普通立體電影技術的分析，可以歸納出如圖1所示的普通視差模型。
連接兩臺攝影機的觀察點的直線稱為「基線」，為了形成視差，基線的長度應相當於人的兩眼瞳孔的距離，該距離稱為「瞳距」。基線呈水平方向，並且與觀察方向垂直。
兩臺攝影機的軸線接近平行，兩條軸線的交點總是位於攝影機前方。交點到基線的距離稱為「物距」，它大體相當於觀眾到銀幕的距離。所謂觀察方向，是指基線中點到上述交點的方向。
過交點且與觀察方向垂直的平面稱為「成象面」，這個面的位置相當於銀幕的位置。如果被拍攝物體處在成象面的位置，觀眾就會感覺到它處在銀幕的位置。同樣，當被拍攝物體處在攝影機與成象面之間，觀眾就會感覺到它衝出了銀幕，反之，被拍攝物體處在成象面遠側，觀眾就會感覺到它在銀幕裡面。
普通視差模型既可以通過真實攝影機實拍實現，也可以通過三維動畫的方法實現。
在普通視差模型中，一幀圖象(相當於環幕中的一個子銀幕畫面)使用一條固定的基線。在實拍過程中，實際上也不可能做到在一張底片感光一部分後改變基線方向。在環幕情況下，不同子銀幕必然使用不同的基線方向，以使基線保持與觀察方向的一致，否則，銀幕張角不可能達到或超過180度。相鄰子銀幕上的畫面的接縫兩側，由於使用不同的基線方向，其視差是不可能相同的，因此無法實現正確的連接。
本發明採用了如圖2所示新的環幕立體視差模型。在同一幀圖象(相當於一個子銀幕畫面)中，基線與觀察方向不是固定的，而是繞基線中點旋轉的。
對應於一個子銀幕的圓柱面可以被分割為很多等寬的窄條，這相當於把整個圓柱面用一個M×N正稜柱面來表示，這裡N是子銀幕數，M為每個子銀幕所包含的窄條數。拍攝時，基線中點被固定在圓柱面的中心，繞這個中心旋轉基線與觀察方向，依次通過每一窄條對場景進行拍攝，獲得一系列窄條圖象，然後再將這些圖象組合成一個完整的子銀幕圖象。
對每一個窄條，都要保證觀察方向與該窄條所在的平面垂直，而基線與該平面和水平面分別平行。
相鄰兩個窄條的對應基線只有很小的夾角，由此產生的視差不一致就很小。相鄰兩個子銀幕之間的視差不一致恰恰與相鄰兩個窄條的視差不一致相當。
顯然M越大，窄條越窄，視差的不一致就越小。當M趨於無窮大時，就達到了視差沿畫面水平方向的連續變化。
這種環幕立體視差模型產生的一幀圖象上不同水平位置上的視差是不同的，但沿水平方向連續改變。環幕立體視差模型的實質是使基線與觀察方向連續轉動，這實際上是模擬了人在環視四周時，頭部連續轉動的情形。
環幕立體視差模型不能用現有攝影機實現，因為我們無法在曝光一幀圖片的短暫時間內多次改變機位。但可以通過三維動畫技術實現。這時，渲染過程代替了拍攝過程，三維場景代替了真實場景。
我們通過專門設計的軟體實現這一模型，影院可建成180，240，300，360度等多種銀幕規格。在典型實施例中，一個360度的圓柱面環幕可分成6個子銀幕，每個子銀幕的弧度被定為60度，每個子銀幕包含10～30個窄條。
在理想情況下，窄條的寬度可以設置為僅僅一個象素寬，按照膠片解析度，這意味著每個子銀幕圖象由2000以上的窄條組成。但這樣做不夠經濟，事實上，每個子銀幕分割為10——30個窄條時，效果已相等理想。
圖3為一個子影幕的環幕立體視差模型示意圖。其中每一個子銀幕分為S1～S8共8個窄條，所有不同旋轉角度的多條基線中點均與所述圓柱中心重合，位於基線兩端的兩攝影機依次拍攝窄條對應的相應三維場景，輸出每一幀的子銀幕圖象。
如上所述的窄條分割方法相當於用多稜的正稜柱面逼近一個圓柱面，該方法同時解決了柱面渲染問題。本方法的渲染在一個圓柱面上進行，而不是在平面上進行。
柱面渲染與環幕立體視差模型是由同一軟體承擔的。該軟體輸入三維場景模型，這些三維場景模型可由其他三維動畫軟體產生。輸出以子銀幕圖象為單位的圖象文件。圖象解析度約為800×500——4000×2500。圖象格式為TGA，或Tiff。
其過程如流程圖5所示。
●裝入將被渲染的三維場景模型。
●設置渲染參數，包括銀幕的弧的角度可取180，240，300，或360度；子銀幕數量N，在環柱面360度情況下，設置N＝6較好；每個子銀幕包含的窄條數M，整個銀幕的窄條總數為M×N；銀幕的半徑與高度；以及基線長度或瞳距。●在三維模型所定義的空間中確定攝影機組相對於場景的位置與方向。
為了在上述空間中確定觀察者的位置和觀察方向，需要建立一個圓柱面，並將它分割成M*N個窄條，尺寸和半徑/高度比與真實銀幕相當。
根據輸入瞳距建立基線。創建一對攝影機模型，並使它們的觀察點位於基線的兩端，而基線中點與圓柱面中心重合。將攝影機組模型對準圓柱面上一個窄條區域，使基線與窄條所在平面平行，觀察方向與該平面垂直，兩攝影機視軸相交與窄條的中心點。●窄條渲染對於待製作影片的每一幀，重複下列操作通過2個攝影機模型，並通過窄條表示的取景範圍，分別對三維場景進行渲染，輸出2幅窄條圖象，其中之一為左眼通道圖象，另一為右眼通道圖象；繞圓柱中心水平地旋轉攝影機組(包括基線)銀幕的弧的角度/(M*N)度，渲染下一窄條，直到完成所有2×M×N窄條的渲染。●窄條拼接對於待製作影片的每一幀，重複下列操作對N個子銀幕，重複下列操作將M個窄條圖象按順序拼接成一個子銀幕圖象圖6為子銀幕圖象的變形矯正和無縫拼接軟體流程圖。
變形矯正主要通過三維圖形中的紋理映射(Texture mapping)技術實現。
建立與真實銀幕成比例的圓柱面，建立N個放映機組的三維模型，根據真實影院中放映機相對於銀幕的位置與方向確定三維模型中的攝影機相對於圓柱面的位置與方向。
通過紋理映射技術，將環幕立體視差模型與柱面渲染軟體所產生的圖象逐幀地映射到圓柱面，並通過各個攝影機模型對圓拄面進行二次渲染。
變形矯正也是通過一個專門設計軟體實現的。
該軟體對待製作影片的每一幀，執行上述操作，並輸出相同格式與解析度的子銀幕圖象。
環幕立體電影對影院中放映機相對於銀幕的位置與方向有一定要求，但是滿足這些要求的攝影機放置方式仍有多種。畫面變形與攝影機實際的放置方式有關。同一影片可以通過不同的變形矯正，來適應不同的放置方式。
實現無縫拼接的方法是在放映時使相鄰子銀幕的畫面重疊大約1/10個畫面寬度。如圖4所示，在2個圖象相重疊的區域內，每一個象素的R。G，B分量將被乘以一個因子F，F介於0與1之間。於是每個這樣處理過的象素會變暗。象素的位置越接近圖象的側邊沿，F越小，象素恰恰位於圖象側邊沿使F為零。象素的位置越接近重疊區域的內邊界時，F越大，象素如果恰恰位於這個內邊界上時，F為1。由於使圖象亮度減少，F被稱為衰減因子。
當兩個圖象在放映時在銀幕上重疊時，重疊區域的每一點的亮度均由兩個圖象的對應象素貢獻，由於已做衰減，重疊區域的圖象應看起來不比普通區域更亮。
衰減因子可表為函數F＝f(x)其中F是衰減因子，x是到圖象側邊沿的水平距離，x＝0，象素位於圖象側邊沿，x＝1，象素位於重疊區域內邊界，0＜x＜1。
該函數的曲線(圖象)稱為衰減曲線。
實驗表明，函數f(x)不是線性的，我們只能得到它的經驗公式。
不同放映機或膠片的物理性質總不會完全相同。重疊和衰減的方法可以使一個子銀幕的畫面逐漸地過渡到另一相鄰子銀幕的畫面，避免了由物理性質微小不同造成的畫面在子銀幕接縫處的不連續變化。
無縫拼接是通過以下兩項措施實現的一是製片期間由軟體承擔的衰減理；二是放映期間的子銀幕的約定1/10寬度的重疊。
衰減處理與變形矯可在同一個軟體中進行。在變形矯正施行第二次渲染的過程中，三維模型中對應於各子銀幕的攝影機的取景範圍也重疊，其重疊程度與真實放映機的畫面重疊程度一致。
在完成某一幀的第二次渲染後，該軟體對該幀的每一個子銀幕的兩側按指定寬度和衰減函數逐象素進行衰減處理。
本發明方法的環幕立體電影允許使用計算機、網絡、投影儀來進行放映。最好使用本公司開發的多屏同步播放軟體承擔這一功能。
前面敘述的關鍵性技術均運用於影片製作。放映設備要滿足環幕立體放映的要求放映機的位置與方向要求；銀幕製作要求；放映設備的同步要求；採用計算機與投影儀放映時採用我們公司的多屏同步播放軟體。
除此之外，放映設備採用標準設備，如35毫米電影放映機，滿足配置要求的普通個人計算機和投影儀等。
在基於計算機和投影儀的系統中，影片以AVI文件格式存儲在計算機中，放映用個人計算機與投影儀的數量分別為2N，這裡N是子銀幕數，除此之外，還需用1臺計算機做為伺服器。在每臺放映用計算機上，運行我公司開發的多屏同步播放軟體，它的作用是把AVI文件讀入內存，解碼後，按照伺服器提供的控制信號，逐幀將圖象送達與之相連的投影儀，速率為25幀/秒。伺服器上運行配套的多屏同步播放控制軟體，對各個放映用計算機進行同步控制。所有計算機通過區域網互連。
在基於膠片的系統中，採用標準電影膠片和電影放映機進行放映，共需要2N臺放映機，放映機之間應實現同步控制。
本發明建議的放映機位置和方向是使放映鏡頭的高度位於銀幕上沿高度；光軸過銀幕圓柱面軸，投向對面銀幕；各個放映機沿銀幕上沿呈環形排列，間隔角度為360/N，其中N為子銀幕數。同一組左右兩通道的放映機間隔約2度。
放映機的放置可以適度偏離上述要求，但是，這將導致重做變形矯正。
放映鏡頭前加裝偏振鏡片，觀眾要戴偏振眼睛。
銀幕由金屬銀幕架和幕布組成，幕布採用普通立體影院所用的金屬塗料銀幕，以便保持反射光的偏振性。
我們建議使子銀幕弧的角度為60度，用於無縫拼接重疊的弧的角度為4度。由此可使銀幕具有180，240，300，360四種規格。以適於不同需要。一個產品化的環幕立體影院系統需要考慮多聲道立體音響系統，觀眾席的合理設計，現場特技系統等。
權利要求
1.一種數字環幕立體電影製作方法，其基於含多臺計算機和三維動畫軟體組成的三維動畫製作系統，特徵在於包括如下步驟a、裝入將被渲染的三維場景模型；b、設置渲染參數，其中包括銀幕的弧的角度、子銀幕數量N、每個子銀幕包含的窄條數M、銀幕的半徑與高度、基線長度或瞳距；c、在三維模型所定義的空間建立一個由M×N個窄條組成的圓柱面，根據輸入瞳距建立基線，使基線中點與所述圓柱面中心重合，創建一對攝影機模型，並使它們的觀察點位於基線的兩端，將攝影機組模型對準圓柱面上一個窄條區域，使兩攝影機視軸相交於窄條的中心點；d、對於待製作影片的每一幀，繞圓柱中心水平地旋轉攝影機組和基線，通過兩攝影機模型分別對其每一窄條對應的三維場景進行渲染(rendering)，輸出兩幅窄條圖象；將所述每一幀的2×M個窄條圖象按順序拼接成一幀子銀幕圖象；e、建立與真實銀幕成比例的圓柱面和N個放映機組的三維模型，採用紋理映射(Texture mapping)技術，將上述每一幀子銀幕圖象逐幀地映射到圓柱面，並通過各個攝影機模型對圓拄面進行二次渲染，輸出相應的子銀幕圖象；f、將相鄰子銀幕圖象邊沿需重疊的畫面進行衰減處理，輸出最終的以子銀幕圖象組成的圖像文件。
2.根據權利要求1所述數字環幕立體電影製作方法，其特徵在於所述的銀幕的弧的角度為180度，或240度，或300度，或360度。
3.根據權利要求1所述數字環幕立體電影製作方法，其特徵在於當銀幕呈圓拄面時，取6個子銀幕，每個子銀幕包含10～30個窄條。
全文摘要
一種數字環幕立體電影製作方法,其基於三維動畫製作系統,在三維模型所定義的空間建立一個由M×N個窄條組成的圓柱面,對於待製作影片的每一幀,通過兩攝影機模型,分別對每一窄條對應的三維場景進行渲染,輸出兩幅窄條圖象;將所述每一幀的2×M個窄條圖象按順序拼接成一幀子銀幕圖象;然後進行變形矯正和無縫拼接處理製成圖像文件。其採用環幕立體視差模型和三維動畫技術,可以使完整立體圖象在180～360度柱面銀幕上進行放映,畫面連續、逼真,動感效果神奇新穎,能產生巨大震撼力。
文檔編號G06T15/70GK1372227SQ01107598
公開日2002年10月2日 申請日期2001年2月28日 優先權日2001年2月28日
發明者李明, 崔濤, 劉道強, 鍾文彬 申請人:深圳華強智能技術有限公司