影音盛宴 3D版《泰坦尼克号》技术解析

　　一方面全新购置3D器材的价格高昂，会对电影制作带来高额的成本压力，另一方面，经典电影的形象早已深入人心，贸然更换表演班底无论是对新演员的表演水平，还是对观众的接受程度都是一项全新的挑战，为了避免容颜老去的演员们风采不再，后起小生风韵不足的尴尬，2D转3D就成为了导演们即便对这项技术存有诸多不满的情况下，仍然不得不做的选择。

3D版《泰坦尼克号》海报

　　3D是怎么“炼成”的？

　　《泰坦尼克号3D》让观众在明知下一步剧情发展的情况下，仍然会因为发生在“眼前”的真实爱情悲歌，热泪盈眶。为了获得足以让观众再一次感动的现场感，卡梅隆的团队要处理的只有一个非常简单，却足以让人头痛的因素，而这也是所有3D电影的核心因素：深度(Deep，也就是我们在3D渲染里常说的Z轴)。为了进一步搞清这一技术，我们先来了解下肉眼是如何辨别深度这个概念的。

　　人类的平均瞳距大约为6.4厘米，因此当我们看物体时，双眼的视线之间有一个夹角；当物体距离我们无限远(理论地平线)时，视线间的夹角达到最大，也就是180度。而要在画面上重现这种效果，就是要让画面中的主体、其他物体和背景三者分别按照相应的方向“分裂”开相应的距离，然后以不同波长的光线展现，再重叠在一起(融合影像)。这时人们通过佩戴3D眼镜(也就是左右不同的滤镜)，让左眼与右眼接收分别为它们提供的影像，就能在平面的屏幕上获得距离感的错觉了。

3D电影原理（图片来自网络）

　　从图一中我们可以清楚看到3D电影是怎么一回事：不同的投影机会在不同的方向错开一定距离，把画面中有距离区别的部分投射到荧幕上。而观众所佩戴的3D眼镜也会选择不同的光线进入左右眼，这样你就能看到物体“前于画面”或“后于画面”的视觉假象了。

　　同样，我们若保持模型中视线与屏幕交点(也就是影像本身)不变，而将眼球的位置前后移动一下的话，就不难发现当你离屏幕越近的时候，影像的深度差距就越小，反之越大。这也是为什么你在看3D电影时坐得越靠后，反而越会被“飞出”屏幕的拳头等吓到的原因。

　　理论上，只要在任何显示器上展示根据上述原理处理过的图像，人们就都能在3D眼镜之后看到“立体”的画面。但你可能发现，在家中通过智能电视的3D模式观看影片时，无论你怎样调整，还是会经常看到裸眼时看到重影呢？这是因为，如果画面的背景设置成无限远的话，那么画面背景的两个影像之间的距离相当于瞳距6.4厘米。而一般人在观看3D融合影像时，双眼所能接受的最大偏差率只有2.5%。换言之，除非你家的电视能宽过100英寸(注意，这里指的只是宽度，并非对角线尺寸)，否则你是不可能看到完美的3D影像的。

　　2D-3D

　　简单来说，2D-3D转换技术需要将2D影像的各部分嵌入3D的计算机图形(CG)空间中。要制作出比较协调的自然3D影像，需要数百名工作人员手 工进行大规模调整工作。即使是直接3D拍摄的电影，也不可避免要用到2D-3D转换技术，比如 《阿凡达》。

　　卡梅隆说：“在3D转换技术中，最难实现的一点是怎样将其以对的方式来进行转换。”导演需要对每一个场景要营造出怎样的立体视觉效果做出决断，需要确定观众与不同场景物体的“亲密接触”程度，这些对观众的3D观影体验有着至关重要的影响。比如说，怪兽和子弹需要从屏幕里呼啸而出，让观众全身后缩“哇呀”大叫。而属于背景的场景，则需要“嵌”进屏幕里去，这就需要依靠3D图形学的渲染技术来制造出透视感和距离感。几乎对于影片中的每一帧每一幅图片都要增加这种“前凸后翘”的效果，但是不同场景下所采用的技术又大相径庭，甚至只是拍摄的角度变化了一点，就会带来转换技术上的全盘变动。而其中主要关注的问题有下面三点：

　　1. 利用视差形成景深

　　制作3D效果时，关键一步是要做出景深。其基本技术原理是人眼观察物体时所形成的视差(parallax)。简单来说，视差就是从有一定距离的两个点上观察同一个目标所产生的方向差异。从目标看两个点之间的夹角，叫做这两个点的视差，两点之间的距离称作基线。只要知道视差角度和基线长度，就可以计算出目标和观测者之间的距离。人类正是通过这种方式，感知到观察物体的深度信息。同时，自然界中也有些动物会利用运动视差，依靠自身移动来获得不同的观点。比如，鸽子的两眼视场没有重叠，因此没有立体视觉，但是它们上下摆动头部以获得深度。该方式如图二所示，随着观测点从一测移至另一侧，远方物体的移动比近处物体缓慢。

视差（图片来自网络）

　　这两种视差处理方式都可以在3D电影拍摄或者转换的技术中加以借鉴。

　　然而，仅仅明确这一点还不够，实际上的3D电影拍摄可不仅仅是摆出来两台立体摄像机就足够了。

　　首先，导演必须对场景布局做到足够的“胸有成竹”，明确在电影放映的时候，哪些物体“呼之欲出”，哪些场景要“退之千里”，以此来确定摄像机的光轴方式、距离差和角度差。可以想象，拍摄团队中必定有这样的剧务，拍摄期间手持一沓草稿纸，画出比上图复杂更多的计算图，以时刻校准两台摄像机的拍摄位置。

　　将2D电影转为3D电影，由于原拍摄过程中可能存在剪辑和角度切换，所以首先需要对于每一帧的画面都恢复原拍摄视角，继而确定3D虚拟立体摄像机的位置，一部90分钟左右的电影长达十万多帧图像，计算量和工作量都十分繁复。

图三（图片来自网络）

　　其次，转换过程中，要考虑到针对于正负视差(如图三)的不同处理技术。

　　正视差是指，两眼视线相交于屏幕后方，即所形成的3D效果时是“嵌”到屏幕里的。此时可以简单地认为，两视线基本平行，因为人类两眼的平均瞳距为6.4厘米，则在3D屏幕上，左右两幅图像应该会有约为6.4厘米的位移差。不过，研究表明，多数人脑并不擅长将两幅差异超过2.5%的图像融合为一体， 所以对于屏幕宽度小于2.5米的屏幕而言，如果不对两幅图像的位移差加以限制，则很可能无法实现立体成像的效果。所以，根据屏幕宽度的不同，要对正视差的图像进行不同方式处理。

　　负视差是指，两眼观察时所形成的视线会在屏幕前相交。也就是，感受到的这个物体应该是跑出屏幕靠近观众的。人脑对这种图像的处理限制，要甚于正视差。如果负视差的出现次数过多，深度频率切换过快，一定会引起观影者的不适应。同时，真正好的3D转换效果，必定要考虑到影厅不同位置拥有相同观影体验， 无论前排还是后排，都会有同样的负视差效果。

　　其实，如果直接拍摄一部3D电影，场景可以被事先安排，拍摄角度的变化，视差的变换就不会有频繁的切换，同一画面中的场景遵守相同的深度规则，符合人眼观察物体和人脑处理观察所得的方式。然而，将一部电影转换为3D就完全不一样了，很可能在同一场景中为了实现不同物品的深度效果，会带来冲突的信息。 如果这种冲突处理不当，就会引起观影者的极大不适应，使影片效果大打折扣。

　2. 为电影画面增加深度信息

　　在3D电影制作之前，导演需要拥有一个“深度预算”，即为负视差和正视差的范围。控制在深度视差范围内将确保眼疲劳控制到最低限度，这关乎在某时观看2-3小时的电影而非几分钟的节目人眼的舒适度。该范围要求日益严格。例如，英国天空电视台最近对大部分素材规定了2%正视差和1%负视差(以帧宽度的百分比来计量它)的深度预算，短期冲击效应分别不超过4%和2.5%。

　　一旦导演确定下来理想的深度预算，就可以来设计场景中的深度信息了。

　　首先，需要将每幅图像转化为一个深度图，如图四所示，黑白色表示景深范围，白色最近黑色最远。最本原也是最粗略的判断方法是，明亮的更近，深色的更远。这是一些可以将2D图片自动转换为假3D场景惯用的手段。

　　幸运的是，实拍出的电影，凭借于常识，大概可以推断出场景中物体之间的位置关系。所以，对整体场景复原建模之后，再确定每幅画面的拍摄角度，就可以对深度信息了然于胸了。然而，一幅一幅手工增加深度信息，仍是一个很大的工作量。这就是为什么《泰坦尼克号》3D版本需要450个人员夜以继日地工作才行。

　　其实，目前3D制作软件都具有非常出色的目标追踪功能，一旦场景和模型确定之后，绑定摄像机视角，就基本不会出现物体深度信息混乱的情况。然而卡梅隆却不愿意享受这样的便利，他十分苛刻地要求工作人员逐帧检查每幅图像转换效果，有人抱怨称这个过程是“十分让人心烦意乱的，就像是用指甲剪修剪草坪”。

　　一旦每幅图像的深度值都被确定了，那么就可以对每幅图像制作出立体成像。有些视频软件也具有简单的2D到3D转换效果，比如说QQ影音。然而该类软件只是从颜色上加以处理，然后对每幅画面做一个位移差，完全是忽视了场景中物体的立体结构，无法考虑不同视角带来的角度变化。

　　复杂的转换需要重建物体的网格模型，增加立体信息，包括曲面的曲率信息和深度信息等等。由此得到画面上的复合深度映射，也就是说每个像素点上代表的都是不同物体的深度值的叠加。以确保物体进出视线时，是循序渐进的。确保物体旋转的过程中，具有平滑的过度。这些，都需要符合人类的日常视觉体验。所以，卡梅隆导演要求工作人员在完成双视图之后，必须反复检查每一帧的立体成像效果，精益求精。

　　3. 3D的真实效果

　　在正常的视觉过程中，我们主观判断一个物体的特征时所搜索到深度信息的方式，将加剧2D转3D的难度。比如说，我们在看3D电影的时候，所感知的并不一定是导演所营造的3D效果，人脑具有玄妙复杂的信息处理能力。

　　在高质量的3D电影转换过程中，必定会考虑大脑的处理信息方式，作为辅助技巧增强影片质量。然而难度在于，人脑对于深度细节的处理又有着非常微妙的变化方式。比如说，如果两个物体仅仅是遮挡关系，那么立刻就可以判断出，被遮挡的物体应该是远离观察者的。

　　《泰坦尼克号》3D版的转换经验

　　关于2D转3D，卡梅隆绝对称得上专业人士。“制作团队的水平至关重要。”卡梅隆认为，早先的3D转制制片商技术有限，而且他们收了钱以后并未全心全意工作。现在，卡梅隆自家麾下有一支富有经验的团队——《阿凡达》原班人马，这支团队不但掌握了当中的诀窍，而且工作极为认真严谨，他们甚至为每个场景建造了3D模型，增加运动摄像机，前前后后为大约30万帧图像创造深度图。

　　卡梅隆称，之前诸多3D转换电影的效果不尽如人意，主要原因还是因为其投入的时间和精力不足，太过于追求抢占市场先机，无法全身心投入，确保影片转换质量。同时，他也强调说，在此之前拍摄《阿凡达》的经验将有助于《泰坦尼克号》3D版本的转换，这是其他的电影人所没有的切身体会。

　　不过，《阿凡达》中使用的2D-3D转换技术又与真人电影有所不同，因为原本就存储了物体的三维模型，所以其转换过程只需要在计算机渲染的时候，多增加一个视点信息就足够了。

　　在《泰坦尼克号》3D版本的转换中，卡梅隆与著名制片人威廉·谢拉克(William Sherak)的团队强强联手。带领着300名艺术家的团队逐帧去绘制出每幅画面的轮廓线，建立起每个物体的三维网格模型，继而增加视点信息，得到其深度映射图。这项工作不但需要很充分的经验，还需要特别设计的软件来完成，为了《泰坦尼克号》，全球3D影像巨头In-Three公司专门制作出了辅助该步骤完成的软件。

　　卡梅隆导演在之前接受IBC采访时称：“至少目前，不要妄想3D转换有什么自动的过程。这纯粹是一个高度主观并且重复性、机械性的人工劳动。必须这么一帧一帧地抓住各幅画面中的深度信息。”

　　所以，这部电影的转换用了超过两年的时间，一年用来做前期的准备工作，一年用来转换。卡梅隆称，他心甘情愿花费这样的人力物力财力来转变这个电影，并不仅仅是希望搭乘3D电影的风潮，更重要的是希望能够将《泰坦尼克号》带回到更大的屏幕上去，为观众们带来更加震撼的视觉体验。