專利名稱：數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字電影電視技術，具體是一種采用三維動畫技術的數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法。
傳統(tǒng)的立體電影采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(shù)厘米的距離，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于人的左右兩眼的左右通道圖象，并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。采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，觀眾借助偏振眼睛區(qū)別左右兩路通道的圖象，借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(huán)繞整個放映大廳，并借助與銀幕相同數(shù)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(huán)幕電影的放映環(huán)境。環(huán)幕電影要求采用同樣數(shù)量的攝影機組成環(huán)形進行拍攝，獲得的多路圖象。在環(huán)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(huán)境中。
目前環(huán)幕電影的每兩相鄰銀幕之間要被一寬約30厘米的豎直邊框隔開，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)、由于拍攝時，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(xù)地連接在一起的。增加邊框，可以掩蓋這種不連續(xù)性。
(3)、放映機和膠片的微小光學參數(shù)的差異也會造成畫面不連續(xù)。
三維動畫是數(shù)字影視的一個方面。影片中被表現(xiàn)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。借助于渲染(rendering)過程，這些計算機表示的模型就被轉換為數(shù)字圖象。渲染是借助于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(shù)，如機位，觀察點，觀察方向，焦距，片門等。
由于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(xiàn)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(yōu)點高度精確，可以實現(xiàn)任意多臺攝影機模型的觀察點的完全重合。
傳統(tǒng)攝影機總是在平面上成象的。采用三維動畫方法制作影片時，三維動畫軟件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件都只能在平面上進行渲染。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的上述不足，提供一種環(huán)幕技術與立體技術結合的數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法，以滿足影視業(yè)飛速發(fā)展的需求，提供新型的影視產品。
本發(fā)明提出的數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法，其基于含多臺計算機和三維動畫軟件組成的三維動畫制作系統(tǒng)，其特征在于包括如下步驟a、裝入將被渲染的三維場景模型；b、設置渲染參數(shù)，其中包括銀幕的弧的角度、子銀幕數(shù)量N、每個子銀幕包含的窄條數(shù)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(jù)輸入瞳距建立基線，使基線中點與所述圓柱面中心重合，創(chuàng)建一對攝影機模型，并使它們的觀察點位于基線的兩端，將攝影機組模型對準圓柱面上一個窄條區(qū)域，使兩攝影機視軸相交于窄條的中心點；d、對于待制作影片的每一幀，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，采用紋理映射(Texture mapping)技術，將上述每一幀子銀幕圖象逐幀地映射到圓柱面，并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(fā)明與現(xiàn)有技術比較其優(yōu)點如下本發(fā)明提出了新的環(huán)幕立體視差模型，采用三維動畫技術制作數(shù)字環(huán)幕立體電影，通過一系列技術措施實現(xiàn)了立體電影與環(huán)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。該技術既適合于采用膠片電影放映機的放映方式，也適合于采用多計算機驅動播放軟件播放數(shù)字圖象的投影儀放映方式。
影片畫面連續(xù)、逼真，動感效果好，能產生巨大震撼力，效果神奇新穎。影片中物體沖出銀幕，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(tǒng)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，并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。沖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(fā)明的環(huán)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(tǒng)環(huán)幕電影是使觀眾產生“沉浸感覺”，身臨其境感覺的一種表現(xiàn)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(fā)明方法制作的影片立體效果大大增加，這種隔離感將被削弱很多。
本方法制作的環(huán)幕立體電影非常適合于各種游樂場所，主題公園，科技館，或博覽會放映。
以下結合附圖對本發(fā)明的制作方法進一步說明。


圖1為普通的視察模型示意圖；圖2為本發(fā)明的環(huán)幕立體視察模型示意圖；圖3為其一個子影幕的環(huán)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件的流程圖；圖6為其變形矯正和無縫拼接軟件軟件的流程圖。
本文以“視差模型”一詞來表示以人工方式建立視差的數(shù)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，基線的長度應相當于人的兩眼瞳孔的距離，該距離稱為“瞳距”?；€呈水平方向，并且與觀察方向垂直。
兩臺攝影機的軸線接近平行，兩條軸線的交點總是位于攝影機前方。交點到基線的距離稱為“物距”，它大體相當于觀眾到銀幕的距離。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”，這個面的位置相當于銀幕的位置。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，觀眾就會感覺到它沖出了銀幕，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里面。
普通視差模型既可以通過真實攝影機實拍實現(xiàn)，也可以通過三維動畫的方法實現(xiàn)。
在普通視差模型中，一幀圖象(相當于環(huán)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后改變基線方向。在環(huán)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，由于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(xiàn)正確的連接。
本發(fā)明采用了如圖2所示新的環(huán)幕立體視差模型。在同一幀圖象(相當于一個子銀幕畫面)中，基線與觀察方向不是固定的，而是繞基線中點旋轉的。
對應于一個子銀幕的圓柱面可以被分割為很多等寬的窄條，這相當于把整個圓柱面用一個M×N正棱柱面來表示，這里N是子銀幕數(shù)，M為每個子銀幕所包含的窄條數(shù)。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，然后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趨于無窮大時，就達到了視差沿畫面水平方向的連續(xù)變化。
這種環(huán)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(xù)改變。環(huán)幕立體視差模型的實質是使基線與觀察方向連續(xù)轉動，這實際上是模擬了人在環(huán)視四周時，頭部連續(xù)轉動的情形。
環(huán)幕立體視差模型不能用現(xiàn)有攝影機實現(xiàn)，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(xiàn)。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件實現(xiàn)這一模型，影院可建成180，240，300，360度等多種銀幕規(guī)格。在典型實施例中，一個360度的圓柱面環(huán)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，按照膠片分辨率，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(huán)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，位于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于用多棱的正棱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(huán)幕立體視差模型是由同一軟件承擔的。該軟件輸入三維場景模型，這些三維場景模型可由其他三維動畫軟件產生。輸出以子銀幕圖象為單位的圖象文件。圖象分辨率約為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(shù)，包括銀幕的弧的角度可取180，240，300，或360度；子銀幕數(shù)量N，在環(huán)柱面360度情況下，設置N＝6較好；每個子銀幕包含的窄條數(shù)M，整個銀幕的窄條總數(shù)為M×N；銀幕的半徑與高度；以及基線長度或瞳距?！裨谌S模型所定義的空間中確定攝影機組相對于場景的位置與方向。
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，并將它分割成M*N個窄條，尺寸和半徑/高度比與真實銀幕相當。
根據(jù)輸入瞳距建立基線。創(chuàng)建一對攝影機模型，并使它們的觀察點位于基線的兩端，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(qū)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?！裾瓧l渲染對于待制作影片的每一幀，重復下列操作通過2個攝影機模型，并通過窄條表示的取景范圍，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。●窄條拼接對于待制作影片的每一幀，重復下列操作對N個子銀幕，重復下列操作將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件流程圖。
變形矯正主要通過三維圖形中的紋理映射(Texture mapping)技術實現(xiàn)。
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(jù)真實影院中放映機相對于銀幕的位置與方向確定三維模型中的攝影機相對于圓柱面的位置與方向。
通過紋理映射技術，將環(huán)幕立體視差模型與柱面渲染軟件所產生的圖象逐幀地映射到圓柱面，并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件實現(xiàn)的。
該軟件對待制作影片的每一幀，執(zhí)行上述操作，并輸出相同格式與分辨率的子銀幕圖象。
環(huán)幕立體電影對影院中放映機相對于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(xiàn)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(qū)域內，每一個象素的R。G，B分量將被乘以一個因子F，F(xiàn)介于0與1之間。于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(xiàn)越小，象素恰恰位于圖象側邊沿使F為零。象素的位置越接近重疊區(qū)域的內邊界時，F(xiàn)越大，象素如果恰恰位于這個內邊界上時，F(xiàn)為1。由于使圖象亮度減少，F(xiàn)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(qū)域的每一點的亮度均由兩個圖象的對應象素貢獻，由于已做衰減，重疊區(qū)域的圖象應看起來不比普通區(qū)域更亮。
衰減因子可表為函數(shù)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，象素位于圖象側邊沿，x＝1，象素位于重疊區(qū)域內邊界，0＜x＜1。
該函數(shù)的曲線(圖象)稱為衰減曲線。
實驗表明，函數(shù)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(xù)變化。
無縫拼接是通過以下兩項措施實現(xiàn)的一是制片期間由軟件承擔的衰減理；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件中進行。在變形矯正施行第二次渲染的過程中，三維模型中對應于各子銀幕的攝影機的取景范圍也重疊，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后，該軟件對該幀的每一個子銀幕的兩側按指定寬度和衰減函數(shù)逐象素進行衰減處理。
本發(fā)明方法的環(huán)幕立體電影允許使用計算機、網(wǎng)絡、投影儀來進行放映。最好使用本公司開發(fā)的多屏同步播放軟件承擔這一功能。
前面敘述的關鍵性技術均運用于影片制作。放映設備要滿足環(huán)幕立體放映的要求放映機的位置與方向要求；銀幕制作要求；放映設備的同步要求；采用計算機與投影儀放映時采用我們公司的多屏同步播放軟件。
除此之外，放映設備采用標準設備，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。
在基于計算機和投影儀的系統(tǒng)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(shù)量分別為2N，這里N是子銀幕數(shù)，除此之外，還需用1臺計算機做為服務器。在每臺放映用計算機上，運行我公司開發(fā)的多屏同步播放軟件，它的作用是把AVI文件讀入內存，解碼后，按照服務器提供的控制信號，逐幀將圖象送達與之相連的投影儀，速率為25幀/秒。服務器上運行配套的多屏同步播放控制軟件，對各個放映用計算機進行同步控制。所有計算機通過局域網(wǎng)互連。
在基于膠片的系統(tǒng)中，采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(xiàn)同步控制。
本發(fā)明建議的放映機位置和方向是使放映鏡頭的高度位于銀幕上沿高度；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(huán)形排列，間隔角度為360/N，其中N為子銀幕數(shù)。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，幕布采用普通立體影院所用的金屬涂料銀幕，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，用于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(guī)格。以適于不同需要。一個產品化的環(huán)幕立體影院系統(tǒng)需要考慮多聲道立體音響系統(tǒng)，觀眾席的合理設計，現(xiàn)場特技系統(tǒng)等。
權利要求
1.一種數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法，其基于含多臺計算機和三維動畫軟件組成的三維動畫制作系統(tǒng)，特征在于包括如下步驟a、裝入將被渲染的三維場景模型；b、設置渲染參數(shù)，其中包括銀幕的弧的角度、子銀幕數(shù)量N、每個子銀幕包含的窄條數(shù)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(jù)輸入瞳距建立基線，使基線中點與所述圓柱面中心重合，創(chuàng)建一對攝影機模型，并使它們的觀察點位于基線的兩端，將攝影機組模型對準圓柱面上一個窄條區(qū)域，使兩攝影機視軸相交于窄條的中心點；d、對于待制作影片的每一幀，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，采用紋理映射(Texture mapping)技術，將上述每一幀子銀幕圖象逐幀地映射到圓柱面，并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(jù)權利要求1所述數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法，其特征在于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(jù)權利要求1所述數(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法，其特征在于當銀幕呈圓拄面時，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(shù)字環(huán)幕立體電影制作方法,其基于三維動畫制作系統(tǒng),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,對于待制作影片的每一幀,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;然后進行變形矯正和無縫拼接處理制成圖像文件。其采用環(huán)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(xù)、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(yōu)先權日2001年2月28日
發(fā)明者李明, 崔濤, 劉道強, 鐘文彬 申請人:深圳華強智能技術有限公司