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谈谈数字环幕4D和穹幕电影

时间:2015-02-02 来源:http://www.4dchina.cn浏览:
  电影与电视的数字化进程日新月异,数字化已成为现代电影与电视技术的必然发展方向,为此有关特种电影数字化技术的研究也在紧锣密鼓地进行之中,江西省科学技术馆现在拥有环幕4D和穹幕两种特种电影,近年来该馆加快了特种电影数字化改造和数字化影片制作的

  电影与电视的数字化进程日新月异,数字化已成为现代电影与电视技术的必然发展方向,为此有关特种电影数字化技术的研究也在紧锣密鼓地进行之中,江西省科学技术馆现在拥有环幕4D和穹幕两种特种电影,近年来该馆加快了特种电影数字化改造和数字化影片制作的探讨步伐。

  环幕4D电影介绍

  整个影院是由仿真设备、动感座椅和立体影像结合而成。根据影片的情节,将特有的效果传递给观众,使其在观看逼真的立体影像的同时,能感受到座椅的升降、座椅的振动以及拍腿、喷水、闪电模拟、水雾喷洒模拟、降雪模拟等特效效果。

  穹幕电影介绍

  穹幕电影的观众厅为圆顶式结构,前倾式金属穹形银幕呈半球形,观众被包围其中,视银幕如同苍穹。放映的视域范围可达180°,超人眼视角的画面和逼真的环绕立体声使这种电影具有很强的震撼效果,可脱离立体眼镜和头盔,产生身临其境的立体视觉,让观众置身于气势磅礴的电影景观之中。

穹幕影院

  数字电影的优势

  完整意义上的数字电影是从电影制作工艺、制作方式到发行及传播方式上的全面数字化。与传统电影相比,数字电影最大的区别是不再以胶片为载体和以拷贝为发行方式,而代之以数字文件形式发行或通过网络、卫星直接传送到影院。数字影院是电影诞生一百多年来,最重大的技术革命。其优势表现为:

  1、数字放映:数字影院采用数字放映技术,没有胶片的划伤、污损等问题,即使反复放映也丝毫不影响音画质量,也没有胶片放映时的抖动和频闪。胶片电影在长时间的灯光照射后会褪色,而数字电影永远是亮丽如新。

  2、数字发行:数字影院省掉了洗印拷贝环节,大大节省发行时间和费用,同时也有利于环境保护。

  3、易于保存:从理论上讲,胶片电影可放600场,而实际上放200- 300场就会有划伤、脏污等,放映效果就不好了。数字电影节目盘基本上没有磨损,而且储存方便。

  4、数字电影可以实现传统电影机所无法实现的拼接技术,使多幕影片在播放时无明显接缝。

  一、环幕4D电影数字化改造实例

  基于以上数字影院的种种优势,利用一套投影系统,它与银幕系统、音响系统、特效系统与控制系统结合,各个子系统协同作用,构成一个整体,整个系统按照预设命令自动运行,确保立体影像的放映平顺流畅、画面清晰稳定;音响清晰悦耳;特效座椅和各类特效发生器与影片内容配合默契,科学合理并艺术化地对观众的视觉、听觉、触觉、感觉等各个感官进行适度刺激,再现影片主题所涉及的环境细节,制造出观众在特定环境内的体验等,营造出使人“身临其境”的综合效果。

  我们对实际正常播映中涉及的无缝拼接技术和实时曲面变形处理技术也作了进一步探讨:首先通过专业摄像头对不同投影机投射到银幕上后的反光进行测量,要求其符合人眼观看影片时自然接受的银幕反射光的特点,而后通过测量得到的数据对影片的亮度、色彩进行总体校正,将多幕影片的颜色及亮度统一化;对接缝部分的影像进行亮度和色彩的双重过渡处理,使得毗邻的两部分影像重叠部分平滑过渡,实现影像的无缝拼接。该技术对银幕数据的采集及处理完全自动处理,减少了人员参与可能带来的不确定性,并且本系统可以适用于任何标准格式的avi影像,具有良好的通用性。

  实时曲面变形处理技术,可采用微软的DirectX 8.1对影片进行实时变形处理,使得投影机可以适应不同形状的银幕形状,如平面幕、柱状幕(环幕)、穹幕等。只需要一次调整到位,即可以在银幕上正常放映不同的影片。如果由于更换灯泡、投影机操作等带来投影位置改变,可以简单地通过调整软件参数设置的方法进行再次调整,无需改变影片本身即可以达到适合新的投影位置的需要。

  二、穹幕电影数字化制作探讨

  传统的球幕电影采用70mm胶片和鱼眼镜头进行拍摄和放映,而采用数字放映方式的大型数字球幕电影(Fulldome digital movie,以下简称Fulldome,又称Large- scale immersive digital movie)将是今后的发展趋势。

  目前,基于计算机图形学的Fulldome制作技术主要用于技术指标要求相对较低的天像题材影片。如果要进一步面向包括文物、生物、人物角色在内的更广泛题材影片,就必须面对真实感、分辨率、影片制作周期和变形处理等指标的特殊要求,实现对传统的鱼眼拍摄制作方式的超越。

  三维数字制作的真实感,取决于三维数字化的精度、纹理的精度、色彩的准确度和光照处理。不管数字化的对象在现实中是否存在原型,在影视级的目标下,都必须满足客观性的要求:存在原型的,数字化的结果要求准确、忠实于原型,如文物;找不到原型的,也应符合科学性,如古生物,应依据化石和生物专家、考古专家的研究成果。

  影片放映清晰度的决定因素包括:影片的输出分辨率和设备、场地等因素。其中,三维数字制作影片的输出分辨率取决三维物体的几何精度、三维物体的纹理分辨率、三维物体与镜头距离等因素;设备、场地因素包括屏幕尺寸(在Fulldome电影里通常使用球幕直径)、观众到屏幕的距离、单个投影机的设备分辨率和投影机的个数(通道数)等。

  影片制作周期主要包括两大部分:三维数字化的周期(又分为几何建模、纹理图像处理、纹理映射、动作建模、场景空间搭建、摄像机镜头摄制、灯光处理等),影片绘制的周期(又分为三维绘制和后期特效制作)。

  在传统的鱼眼拍摄制作方法下,影片画面不存在变形问题,因为拍摄和放映都使用鱼眼镜头;而进行数字制作,必然面临从矩形画面映射到球幕的过程,并需要解决该过程所导致的变形。

  大型Fulldome技术包括影片制作、投影以及剧场建设等多方面,我们主要探讨的是相对于传统节目摄制的数字化影片制作技术,尤其是三维影像绘制技术,主要内容包括:

  1、探讨影视级的三维数字化技术

  前面谈到,在影视级的目标下,不管数字化的对象在现实中是否存在原型,都必须满足客观性的要求。

  现有的三维数字化方法有三大类:

  第一类是依靠三维美工进行手工建模,这种方法显然无法满足客观性,而且工作量非常大,对美工的要求也很高。

  第二类是使用3D Scanner进行三维扫描。该方法能够准确地获取目标的三维形状,但由于现有的3D Scanner无法有效地获取纹理、光照等其他信息,还需要手工进行贴图,因而也会引入部分主观因素;另一方面,使用该方法,部分物体的获取会受到限制;同时,该方法还会造成大量冗余数据,不利于后期处理效率的提高。

  第三类是基于计算机视觉的三维数字化。目前该方法有一个很大的瓶颈:需要在拍摄时规定相机严格使用确定的基线和镜头,多数情况下,该条件无法满足,限制了基于计算机视觉三维重建技术的发展(比如对于不可移动的物体,大部分时候,实拍过程中相机会因场地而受限)。如果采取相应的技术解决采集的限制,使相机的拍摄不再受位置、角度、焦距、拍摄路线等的限制,并均可通过计算反求出,就可以实现严格忠实于原作(三维形状、纹理、颜色、光照),满足文物级要求。还需要进一步研究的是基于计算机视觉的交互图形处理技术,达到(1)改进交互方式,简化人工干预;(2)提高自动化程度,减少人工干预。

  2、关于基于影视级虚拟现实的实时绘制技术

  在计算机图形学中,绘制的真实程度与绘制的速度是一对矛盾。基于实时真实感图形绘制的基础应包括:

  (1)从PC底层开始,研发一套绘制加速框架,实现基于PC的海量图形图像实时绘制。用框架取代操作系统的存储管理,建立一套在多级Cache间进行动态存储和调度的机制;并通过对时间相关性和空间相关性的利用,及对用户(操作)行为模型的统计和分析,进行图形图像数据的预调度和预绘制。目前可以实时处理数千倍于系统处理能力的海量图形图像数据。

  (2)设计一个光照计算模型,、实现实时地对光传输方程的近似求解。这样,既可以达到Phong模型和Gouraud模型的实时,又可在绝大多数情况下模拟出Global Illumination模型才能实现的真实感光照效果,甚至在玉器的光照实时实现方面,比现有Global Illumination的效果更好。

  3、提高Fulldome成片分辨率,以适应文物、生物等题材的要求

  对于文物和生物题材的Fulldome电影,观众经常需要欣赏到精细的画面或者质感,也就是说,需要达到对细节“精确辨别”的程度,对于数字画面,具体量化的指标,是相邻两象素与视点连线夹角1.5弧分( Arcminutes),换算成Fulldome分辨率约为8000×8000。

  全三维影片输出分辨率的决定因素,主要有三维物体的几何精度、三维物体的纹理分辨率、三维、物体与镜头距离等,对于数字制作的电影画面的清晰度不能只看输出分辨率数值的大小,如果不满足上述因素,而强制按输出分辨率的数值进行输出,则将产生锯齿。即使通过图像插值来抗锯齿,也会造成画面的模糊。尤其是屏幕巨大的特种电影,画面模糊非但不能让观众产生临场感,而且还会造成头晕。

  对于全三维电影,三维物体与镜头的距离是一个重要问题。为了剧本和效果的需要,影片经常要把镜头与目标安排得非常近(比如特写),这对数据采集、三维数字化和绘制(尤其是实时绘制)均是巨大的挑战,是包括Fulldome在内的数字特种电影公认的难题。

  适用于球幕影片数字放映方式的Fulldome抗变形技术的磁转胶非常昂贵,而且目前国内不具备此能力,因此针对数字放映方式来研究Fulldome成片是非常必要的。Fulldome图像有两种类型,正交鱼眼(Orthographic Fish-Eye)图像和等距鱼眼(Equidistant. Fish - Eye)图像。前者会造成天顶处的拉伸和赤道处的压缩,而后者则因为能够实现像素在球面上的平均分布,因而是更理想的类型。

  在成像方法上,如果采用直接鱼眼绘制( Direct Fish-Eye Rendering)方法,生成的是正交鱼眼图像;如采用半立方体绘制( Hemi—cubic Rendering)方法,能够得到较均匀的像素分布,但需要针对不同的数字放映方式(如放映通道数目、球幕的倾斜度、球面覆盖角等),采用不同的画面裁切和边缘融合方法,否则会在球面映射的过程中产生变形,或者无法融合不同通道的边界。

  4、值得我们探讨的工作还包括:

  (1)对于全三维制作的科教记录片和动画片,如何在绘制结果的真实程度达到影视级的前提下,提高三维绘制的实时效率,最终为数字电影创意制作人员开发出一个辅助进行交互创作的环境。

  (2)如何通过研究数据采集、三维数字化以及实时三维绘制的架构和方法,提高影片的输出分辨率,使其达到8000×8000像素’以上。这个指标对应的像素夹角为1.5弧分,一旦满足该夹角,即可实现观众在巨型Fulldome剧场(直径超过20m)中完全能精确辨识目标,从而使得文物、古生物题材的巨型Fulldome数字制作成为现实。

  (3)如何用计算机图形学中的小孔成像模型来有效模拟等距鱼眼( Equidistant Fish - Eye)成像模型,从而得到像素分布均匀的等距鱼眼图像,并探寻一个与数字放映环境无关的球面映射变形解决方法。如该方法能成功,将避免为不同标准的Fulldome放映环境花费的专门绘制时间,大大提高Fulldome制作对不断涌现的Fulldome剧场的适应性。

  结束语

  特种电影的数字化演进趋势不可逆转,而且愈来愈快。它是实现特种电影跨越式发展的重要途径,代表了当代特种电影的发展趋势,具有广阔的发展前景,是特种电影加快发展的重要标志。我们在探索特种电影数字化的过程中要立足于引进吸收、创新发展的基本思路,着眼于国际特种电影数字化发展的前沿,着眼于我国特种电影发展的实际需要,着眼于科技创新,着眼于特种电影产业发展的总体目标。

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