三维立体电影制作 技术原理
4D电影
4D电影是立体电影和特技影院结合的产物。除了立体的视觉画面外，放映现场还能模拟闪电、烟雾、雪花、气味等自然现象，观众的座椅还能产生下坠、震动、喷风、喷水、扫腿等动作。这些现场特技效果和立体画面与剧情紧密结合，在视觉和身体体验上给观众带来全新的娱乐效果，犹如身临其境，紧张刺激。
4D影院最早出现在美国，如著名的蜘蛛侠、飞跃加州、T2等项目，都广泛采用了4D电影的形式。近年来，随着三维软件广泛运用于立体电影的制作，4D电影在国内也得到了飞速的发展，画面效果和现场特技的制作水平都有了长足的进步，先后在深圳、北京、上海、大连、成都等地出现了几十家4D影院。这些影院大都出现在各种主题公园（乐园）、科普场所中，深受观众和游客的喜爱。
运用三维软件制作立体电影有其独特的优势，如三维场景本身就具有立体特性，与立体成像相关的各种参数非常容易在软件环境中调节等。所以，计算机三维技术应用于影视行业后，很快就出现了三维立体电影，如大家俗称的3D电影、4D电影。美国迪士尼乐园中的蜘蛛侠（SpiderMan），更是解决了“三维立体跟踪渲染”技术，使画面中的立体场景能够根据游客的运动轨迹自动地转换透视关系，能够适时地保持虚景（三维画面）和实景（现场布景）一致和连续的透视关系，大大提高了画面的真实感。
那么，怎样运用三维软件来制作立体电影？制作过程中要注意哪些问题？本文将通过对三维立体电影的制作原理的详细分析，探讨一些常见问题的解决方法。人眼的立体成像原理在现实生活中，人们通过眼睛观察的周围环境之所以是立体的，是因为人的两只眼睛所处的空间位置不同，可以从两个不同的视角同时获得两幅不同的场景图像，人的大脑对这两幅图像进行处理后，不仅能分辨出所观察物体的颜色、质感等光学信息，还能根据两幅图像的差异判断出物体与双眼的距离等空间信息。这样一幅立体的画面就呈现在脑海中。
利用三维软件形成立体图像
利用三维软件制作立体电影，需分别考虑两个环节，即三维环节和放映环节。
在三维软件中（图2 a），为了模拟双眼的立体成像原理，必须用两个摄影机同时渲染场景，这两个摄影机的相对位置，应尽量与人的两眼的相对位置一致，它们的间距称为镜距（camWide）。通常，我们将其中一个摄影机命名为LCam，它位于相当于人左眼的位置上，物体A经它渲染后，所形成的像素位于其渲染平面的Al处；另一个摄影机命名为RCam，它位于相当于人右眼的位置上，物体A经它渲染后，所形成的像素位于其渲染平面的Ar处。
从图中可以明显看到，由于两摄影机的位置不同，它们分别渲染的场景会有少许差别。有些读者认为这两幅画面仅仅是“错位”了，因而认为将任何一幅画面经错位处理后就能形成立体画面。实际上并非如此简单，经Lcam和Rcam所渲染的图像，虽然看起来差异不大，但它们却包含着不同的透视信息，这才是形成立体视觉的关键元素。
图1b 三维软件中的立体渲染镜头，及物体A的渲染过程
图2b 放映环境中观众的双眼和屏幕，及A`的成像过程
在放映环境中（图2b），当把两摄影机所渲染的画面同步投放到同一屏幕上时，必须采取适当的画面分离技术，使观众的左眼只能看到Lcam渲染的画面，而右眼只能看到Rcam渲染的画面。常用的画面分离方式有“偏振光式”和“液晶光阀式”，两种方式都需要配戴眼镜来协助分离画面。如用裸眼会看到画面呈双影，没有立体效果。
在播放环境中，用两放映机分别将两渲染面投放到同一屏幕上，像素Al和Ar出现在图2b中屏幕的不同位置，通过画面分离技术，Al只能被观众的左眼看见，Ar只能被右眼看见，两眼视线交叉于A`。观众感知的A已不在屏幕上（即已“出屏”），形成了一个有距离信息的立体像A`。这样，三维场景中的物体A，就立体地还原在观众眼前。这就是三维立体电影的制作原理。
如何准确地控制“出屏”的距离
在实际应用中，经常会出现一些困惑：在三维场景中，即使物体A已经离渲染镜头很近了（如已经小于30cm了），但实际放映时，仍觉得想A` “出屏”不够，没有“触手可得”的效果。相反的情况也时有发生，即观众觉得像A`太近，导致胀眼和无法聚焦。
所以，如何在制作环节中控制最终的“出屏”效果就显得非常必要。在三维立体电影的制作中，我们经常追求“触手可及”的效果，这个距离约为30cm—50cm。我们对比三维环节和放映环节，当屏幕对观众眼睛的张角β与在三维软件中镜头的水平张角α相等，且渲染镜头的镜距camWide与观众两眼的距离eyeWide相等时，即β=α，且eyeWide=camWide时，则D`=D。也就是说，此时可以通过控制三维软件中物体A与渲染镜头的距离D，在播放时精确地定位A`到观众的距离。实现了在三维环境中的“可见”，即实现了播放环境中的“可得”。
图3 在三维环境和放映环境中，当camWide = eyeWide，且β=α时，则D = D`，所见即所得。
可见，放映环境与三维环境的一致，给精确定位A`提供了最好的操作性。在这样的环境下，三维制作人员在制作阶段就能很清楚地预估最终的“出屏”效果。
然而在现实工作中，放映环境和三维环境一致的要求并不能总被满足。如各影院的屏幕有大有小，观众离屏幕的距离有远有近，观众相对于屏幕可居中可偏离等等。各种影院环境对观众的影响，最终产生两个变化：屏幕对观众的张角β和屏幕对观众的错切变化。错切是由于观众偏离屏幕中轴产生的图像变化，其影响并不大，不容易被感知。因此，下面仅讨论β的变化对立体效果的影响。
当观众离屏幕过远，或屏幕不够大时，会导致β<α。这时，从图4中可以看到，因为屏幕变小，使Al`和Ar`间的距离等比例缩小，成像交叉点A`缩回，使得D`>D，削弱了“出屏”效果，观众觉得物体飞不到眼前，没有“触手可及”的冲动。
图4 在三维环境和放映环境中，当β<α时，则D`> D，削弱了“出屏”效果。
为避免上述情况的发生，可让观众适当靠近屏幕，或增大屏幕尺寸。通常大屏幕的立体效果较小屏幕好，其原因就是大屏幕会产生较大的β角。
此外，还可以增加渲染镜头的镜距（camWide）。从图5可以看到，在三维环境中增大camWide，使camWide>eyeWide，Al`和Ar`间的距离会变大，成像交叉点A`前移，使得D`<D，增强了“出屏”效果。在β<α的情况下，增大camWide所产生的A`前移，会适当弥补β过小所产生的回缩。
图5 当camWide增大时，则D`<D，增强了“出屏”效果
当β>α时，会出现相反的情况，即D`<D。观众可能会觉得聚焦困难、胀眼。解决的办法是减小camWide或减小屏幕。
改善“出屏”效果不足的几点建议
由于三维制作环节与实际播放的时间跨度较大，当在播放环节发现立体效果不好时，实际已很难再回到三维环节重新调整和修改了。因此，有必要找到一种能在三维制作阶段就可以准确预估到播放效果的方法。从上面的分析我们可以看到，最好的方法就是实现三维环境与播放环境在尺寸、比例上的一致性。简单讲，就是尽可能保证β=α及eyeWide=camWide，这样就可在制作时做到“所见即所得”。
在实际案例中，β=α是很难保证的。在三维环境中，由于画面构图的需要，α通常被设置在40°-75°之间。而在影院中，β超过50°的机会并不多，所以β<α出现的几率较大。此时，为弥补物体“出屏”不足的问题，在制作时，增大LCam和RCam的间距（camWide），通常是比较有效的方法。事实上，在绝大多数情况下，增大camWide都能改善场景的立体效果，而不会改变β和α的大小关系，因此应是首选的方法。
此外，如物体的体积足够小，可将物体尽量靠近渲染镜头以减小D，最近距离可突破20cm。这样，即使播放环境的β<α，也可以保证D`在30cm-50cm之间，有很好的“触手可及”的效果。然而物体一般都具有一定的体积，靠近的程度也会有限，还得依靠增大camWide来弥补立体效果的不足。
综上所述，保持三维环境和放映环境的一致是最佳的选择。考虑到有些放映环境可能会削弱立体效果，可适当增大镜距（camWide），使camWide>eyeWide。如让camWide在7cm-12cm之间。其次，考虑将物体移近摄影机（减小D），使成像点D`恢复到30cm-50cm的最佳区间。
在立体电影的大规模团队制作过程中，渲染镜头最好由专人制作。增加几个反映放映环境的属性（如屏幕大小、观众离屏幕的距离、观众的瞳距等），用表达式的方式给出现场数据与渲染镜头相应属性间的函数关系。这样不仅能做到统一控制，还能做到调整简便，保证每组画面的立体效果。
除上述因素外，画面的许多艺术因素对立体效果也非常重要，例如物体运动的速度和方向，镜头前各物体的摆放层次，物体出屏的位置和方向等，这些问题都需要我们在制作中逐步地积累经验。