数字电影的技术与理论

　　部分3D技术
　　第1章3D电影技术发展简史
　　3D电影在20世纪20年代就已经出现，经历了几度兴衰更迭，在21世纪迎来了新一轮的热潮。随着2009年末电影《阿凡达》的问世，3D电影进入全盛时期。
　　3D电影的制作、放映技术多种多样，在过去的一百多年中，随着3D电影的数起数落，其相关技术也经历了数次更迭。本章以时间为线索，大致梳理了3D电影技术发展进程中，不同时期的主要技术和代表电影。
　　3D电影技术的发展大致经历了以下几个时期：诞生之初、次黄金期、单条胶
　　片格式复苏期、第二次黄金期、数字立体复兴期。
　　1.1诞生之初（19世纪末—1952年）
　　立体电影的起源早可以追溯到19世纪90年代晚期，英国电影先驱威廉·弗里斯·格林（WilliamFriese-Greene）将两个电影拷贝并排（side-by-side）投映到银幕上，观众通过立体透镜（stereoscope），将两个影像汇聚成一个来观看，由此实现了活动影像的立体再现。由于该方法采用生硬的机械原理，装备繁琐复杂，所以并没有付诸影院实践。
　　下一次记载在册的3D电影放映则到了电影诞生20年之后。1915年6月10日，埃德温·鲍特（EdwinS.Porter）和威廉·E·沃戴尔（WilliamE.Waddell）在纽约阿斯特（Astor）剧院进行了一次试映，放映了三个片段，均为由相距2.5英寸的镜头同时拍摄成的两组画面。放映时观众佩戴红绿眼镜观看，但由于画面质量过低，影片试映后便再无音信。
　　公认的部进行商业放映的3D影片是《爱的力量》（ThePowerofLove），该片由哈利·K·菲尔沃（HarryK.Fairall）任制片，罗伯特·F·埃尔德（RobertF.Elder）任摄影，于1922年9月27号在洛杉矶的大使酒店戏院（AmbassadorHotelTheater）首映。它是历早使用双机放映的立体电影，使用的是红绿分色眼镜。
　　同样是在1922年，劳伦·哈蒙德（LaurenHammond）和威廉·卡西迪（WilliamCassidy）推出了Teleview系统，并在纽约的赛尔文剧院（SelwynTheater）放映了影片《火星来客》（TheManFromM.A.R.S）。该系统在放映时使用两台连锁的放映机，高速地交替呈现左右眼影像（图1.1）。同时，剧院座椅扶手上的快门开关眼镜与之同步交替开合，利用观众的视觉暂留来产生立体影像。快门开关是由电动机发动的机械装置，能与放映机同步高速转动，当观众看到左边的画面时，快门遮挡住右眼的画面，反之亦然。该装置的立体效果出色，但是由于昂贵的设备费用，没有得到普及。然而，这种快门眼镜的方式启迪了后来流行的液晶快门眼镜，成为分色、偏振之外的另一种主流立体显示技术。
　　图1.1Teleview系统放映3D电影时的场景
　　虽然早期的这些3D电影尝试大多反响平平，但它们的出现启发了人们对3D技术的不断追求。其中包括威廉·范·多伦·凯利（WilliamVanDorenKelley），他用自己发明的Prima色彩系统制作了立体电影合集“未来的电影”（MoviesoftheFuture），在纽约的瑞沃剧院（RivoliTheater）上映。此外，弗雷德里克·尤金·艾维斯（FrederickEugeneIves）和雅各布·莱温赛尔（JacobLeventhal）以红蓝立体分色的方式在全美国发行了短片Plastigrams，卢米埃尔重新制作的3D《火车进站》于1934年3月在法国国家科学院（FrenchAcademyofScience）公开放映等，都是这个时期分色立体的代表，获得了一定的成功。
　　30年代分色立体的之作是雅各布·莱温赛尔和约翰·诺林（JohnNorling）合拍的影片“Audioscopiks”系列片。该片用两台摄影机对着成一定角度的镜子拍摄，影片拷贝由特艺色公司（Technicolor）洗印成红绿分色形式。该片获得了当年奥斯卡短片奖的提名。
　　从上面的发展历程可以看到，在3D电影诞生之初，除了Teleview系统的特例外，所有立体影片均是以分色（anaglyph）的形式制作。分色是立体制作初的形式，也是广为人知的方法。以红青分色为例，画面被分别印制成红色和青色，观众观看时使用红、青镜片的眼镜，左右眼分别只能看到各自相应的左右像画面，从而在银幕上看到中性灰的立体影像。
　　早期分色技术工艺相对简单，比较容易实现。但是得到的只能是黑白的立体影像，不能做到对色彩的还原。直到1929年，宝丽来公司创始人埃德温·兰德（EdwinH.Land）发明了偏振片。将偏振技术用于立体放映，给3D电影带来了质的飞跃。
　　偏振片通过赋予光路方向性，可以直接选择哪些光波传入到观众的眼镜中，而不是过滤颜色，从而可以实现非常好的色彩还原。1936年6月，柏林出现了部彩色3D电影《你几乎可以触摸它》（YouCanNearlyTouchIt）。成对的立体影像并排洗印在一条单独的胶卷上，通过偏振片投射在涂有金属反光颗粒的银幕上，金属银幕按照特定的方向将光线反射到观众的眼睛里。
　　20世纪40年代，“二战”将立体电影的发展带入低谷，直到50年代初，才迎来它的个黄金时期。总的说来，20世纪初，立体电影诞生期中，双机的分色技术是主流，偏振方式初露头角，机械快门方式的Teleview系统昙花一现。
　　1.2次黄金时代（1952—1955）
　　立体电影的黄金时代开始于阿奇·奥博勒（ArchOboler）在1952年制作上映的电影《非洲历险记》（BwanaDevil）。从该片开始，使用双机偏振的放映形式逐渐成为主流。当时多层彩色胶片在电影的摄制中获得了广泛应用，而双机偏振技术可以在保留色彩信息的同时提供比分色技术更为清晰明亮的立体影像，因此3D电影获得了进一步的应用发展。
　　另外两部里程碑式的作品是1953年哥伦比亚公司拍摄的《黑暗中的人》（ManintheDark）和华纳兄弟公司拍摄的《恐怖蜡像馆》（HouseofWax，图1.2），它们巨大的票房成功开启了这一时期商业3D影片的热潮。此后，主流制片公司如迪士尼、环球、20世纪福克斯都加入了3D电影的制作行列中。
　　图1.2《恐怖蜡像馆》
　　这个时期上映的3D电影都采用双机偏振的方式放映（图1.3）。在左右两台放映机的放映镜头前分别装置两个互成90°的偏振镜（Polarizingglasses），两条胶片分别装入左右机放映，在金属银幕上同时呈现左像和右像。观看者佩戴带有偏振镜片的眼镜，偏光眼镜的左、右偏振镜片的偏振轴互成90°，分别与镜头前的偏振镜的偏振轴相对应。于是观众每只眼能看到对应的图像。
　　图1.3偏振放映法示意图
　　双机放映的方式具有亮度大、立体效果好的优点，但是双机放映的方式也有其不可避免的缺点：首先，使用胶片的放映在中途需要换片，而每次换片都需要对放映机的同步进行校准，需花费大量的时间，对放映员的操作也是极大的挑战；其次，两条胶片需要保持精确同步，任何一台放映机的放映问题如彼此错位、亮度不匹配、稳定性不一致等都会影响立体效果，从而引起观众头晕、眼睛疲劳等各种不适反应，甚至出现伪立体。加上这一时期的3D影片大多是以挑动观众立体视觉作为噱头，通过制造恐怖气氛、向观众抛射物体等方式满足观众的猎奇心理，因此很快遭到了观众的厌倦，而电影制作公司这时也纷纷把精力放在了新出现的变形宽银幕的研究上，对立体电影的兴趣逐渐减淡。1955年，随着《造物复仇》（RevengeoftheCreature）的上映，3D电影的个黄金时代宣告终结。
　　1.3单条胶片格式复苏期（1960—1984）
　　20世纪60年代早期，立体电影大部分都处于沉寂状态，拍摄的少量作品大多口碑不佳。直到1966年，阿奇·奥博勒发明了“空间视觉3D”（SpaceVision3D）技术，3D电影才迎来了它的又一次高潮，开启了3D电影单条胶片放映的时代（图1.4）。
　　图1.4单条胶片的立体画幅对
　　“空间视觉3D”技术的核心是三维透镜（Trioptiscopelens），它能够使摄影机在拍照的一瞬间，将左侧图案和右侧图案上下叠加在一张35mm胶片上，再通过一种具有偏光过滤器的棱镜设备投射在屏幕上，这就是所谓的“上下”技术（overandunder）。和以前的双机放映方式不同，它避免了使用两台放映机需要的调试，并且能够实现完美的同步。
　　阿奇·奥博勒用该系统拍摄了电影《怪体》（TheBubble），该片遭到了舆论的猛烈抨击，也获得了极佳的上座率，其票房的成功使得3D电影制作再一次进入各大电影公司的视线。
　　1970年，导演兼发明者艾伦·斯利芬特（AllanSilliphant）和光学设计者克里斯·肯顿（ChrisCondon）共同发明了35mm单胶片立体系统Stereovision。该系统把左右眼的影像以并排的方式挤压在一个画面里，然后通过一个装有偏振滤镜的变形镜头将画面扩大。用其拍摄的情色喜剧片《女乘务员》（TheStewardesses）产生了巨大的影响。
　　这个时期的立体电影以恐怖电影和情色电影为主，主要采用单机偏振方式。单机放映解决了双机放映的同步问题，但是，由于偏振片和眼镜滤掉大量的光，造成了严重的光损失，使得画面普遍灰暗。同时，使用透镜将画面放大，使得清晰度下降，也造成了一定的画面质量损失，随着人们对画质要求的逐渐提高，单机放映画质不佳的问题也越来越突出。
　　然而，技术的进步并未带来内容上的发展，这个时期立体电影的创作理念仍与50年代相同，往往以恐怖血腥和夸张的立体效果作弄观众，3D电影往往有技术无情节，使其只是作为一种电影附属品而存在。以1983年的《禁地大战》（Spacehunter：AdventuresintheForbiddenZone）为标志，3D电影结束了第二次高潮。
　　1.4第二次黄金期（1985—2003）
　　20世纪80年代，3D电影的题材得到了极大的扩展，给它带来了又一次复兴之势。整个80年代早中期诞生了大量的3D电影，如《13号星期五》（Fridaythe13th）、《鬼哭神嚎》（AmityvilleHorror）、《大白鲨3D》（Jaws3D，图1.5）等。
　　图1.5用Stereovision拍摄《大白鲨3D》
　　然而，一方面由于很多3D电影艺术水准不高、自降身价，另一方面3D技术的局限性依然很大，还达不到高品质电影的要求。很快，在新鲜感散去后，3D电影再次被打入冷宫。
　　相对于传统3D技术的停步不前，艾麦克斯公司（IMAX）的3D产品开始登上历史舞台并大放异彩。IMAX系统由格雷姆·弗格森（GraemeFerguson）和罗曼·克罗伊德（RomanKroiter）共同发明，通过70mm的双机放映把亮度和稳定结合起来，克服了过去双机立体放映的视差、同步等问题。IMAX系统采用70mm横向走片的形式，巨型的画幅提供了更广的视野，也极大地提升了画质。此外，它采用独特的“波状环行”（rollingloop）进片技术，保证了运作时的可靠性及稳定性；放映机使用15千瓦的大功率灯箱，保证了放片时的亮度。这些措施都使得IMAX系统能提供近乎完美的画质，消除了之前各种系统带来的眼部疲劳和疼痛，提升了立体效果和视觉感染力。
　　从1990年起，IMAX公司持续扩展着它的3D影院网络，到2004年，54%（248个影院中的133个）的IMAX影院具有了3D功能。此外，IMAX3D在科技馆、博物馆、主题游乐园中获得了广泛应用，诞生了一大批制作精良、画质高超、理念和技术先进的立体纪录片和科教片。这些影片将3D电影提升到一个新的层次，扭转了这个时期3D电影的颓势，承接下一个3D电影全盛期的到来。
　　1.5数字立体复兴期（2003年至今）
　　21世纪初，自导演乔治·卢卡斯的《星球大战前传2：克隆人的进攻》（StarWars：EpisodeII-AttackoftheClones）开始，电影的发展逐步进入一个数字化的全新时代电影从拍摄、制作到放映都发生了翻天覆地的变化。特别是随着数字放映技术的逐渐成熟，商业化的数字影院以越来越快的速度在全世界普及开来，数字立体放映技术也随之逐渐成熟，为商业影院的立体节目放映铺平了道路。
　　图1.6IMAX影院效果图1.7IMAX3D摄影机
　　2003年，由詹姆斯·卡梅隆导演的《深渊幽灵》（GhostsoftheAbyss）开启了数字技术与立体技术结合的崭新时代。该片采用索尼高清摄像机组成的现实摄影系统（RealityCameraSystem）拍摄，并在后期制作中采用IMAX公司的DMR工艺制作了IMAX3D版本的电影拷贝，在北美的商业院线上映。它标志着立体电影以数字技术的形态开始了第三次大规模的复兴。
　　另一部里程碑式的电影应该是埃里克·布雷维格（EricBrevig）导演的《地心历险记》（JourneytotheCenteroftheEarth），该片利用RealD和杜比3D技术创造了地
　　心世界中千奇百怪的生物形象，也开启了全世界大规模的数字3D电影放映时代，一时之间，多种数字立体放映技术纷纷涌现。
　　目前，市场上主流的数字立体放映技术包括欧洲的XPanD、加拿大的IMAX3D、美国的RealD、Dolby3D、韩国的MasterImage、日本的SONY4K3D方案等。
　　图1.8数字IMAX3D放映机
　　除了SONY4K3D技术基于自己研发的反射式液晶（LCOS）技术之外，其他方案的数字电影放映技术均是以美国得州仪器公司的“数字光处理”（DLP）技术为核心，而立体显示技术各有不同。根据放映机端立体显示硬件和观众眼镜是否具有与左右画面同步开关运转的功能，可分为主动式和被动式技术；根据使用的放映机数量可分为单机和双机技术。
　　1.5.1纯被动技术
　　该技术往往需要两台放映机分别放映左右路画面，需要在放映机镜头前加装光学偏振滤镜，用以对光线进行起偏。为保证光线偏振方向不变，画面需投影到金属银幕上，观众眼镜的左右镜片的偏转方向与起偏滤镜完全相同，这样就能保证左右眼看到相应的影像而互不影响。
　　该技术的典型代表就是加拿大的IMAX3D。不论是IMAX的70mm15片孔胶片放映机还是当前基于TIDLP技术的数字IMAX3D放映机，都使用的是线性偏振技术。根据IMAX公司的研究结果，线性偏振相对于圆周偏振而言通光量更大，且更容易防止3D放映中的漏光现象。
　　1.5.2纯主动技术
　　该技术可以看作是早期Teleview系统的电子化延伸。它只需一台放映机，从TI放映机机头接出一路与节目源同步的脉冲信号，传送至影院红外发射头，红外发射头向观众坐席区域发射红外脉冲信号。放映时，在同一台放映机上交替播放左右眼画面，同时通过红外信号或者连线控制液晶眼镜同步开合。由于放映的画面无需偏振处理，因此银幕可以是常规漫射银幕。
　　当前使用该技术方案，市场占有率的是总部位于欧洲的X6D公司，其产品品牌名为XpanD。2008年3月，该公司并购了总部位于美国俄勒冈州的著名公司NuVison，其产品技术在虚拟现实显示领域享有盛誉。此后，所有NuVison的立体影院产品都以XpanD的品牌名称推向市场。
　　2011年4月，XpanD推出XpanDInfinity技术，旨在为大银幕3D放映提升质量（图
　　1.9）。
　　图1.9aXpanD数字立体放映
　　图1.9bXpanD眼镜
　　图1.9cXpanD红外同步信号发射器
　　XpanD的Infinity技术包含7个控制器和Infinity普通或高级眼镜。高级眼镜可达到38%的通光率和3000∶1的对比度，普通眼镜可达37%的通光率和2000∶1的对比度，可以提供亮度的3D影像，且没有漏光鬼影现象。
　　这两种眼镜都非常轻便，改善了形状，提升了长时间观看的舒适度。两种眼镜都使用充电电池，且附有RFID防盗标签，可实现对每付眼镜的监控，通过设备级联，眼镜数量可不受限制，为大规模放映提供可能。
　　XpanDInfinity可以支持所有的银幕尺寸和形状，如平幕、弧幕甚至球幕、环幕，并支持所有银幕反光材料。
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