一．前言
3D電影并不是新事物，早在20世紀初期已經有了初步的技術作品，然而2009年《阿凡達》的出現使人們對該技術又有了嶄新的認識。2012年1月1日，3Ｄ電視頻道的試運行標志著它已經逐漸走向千千萬萬普通電視觀眾的家里。從3D攝像機到3D電視機各種3D產品應運而生，3D成為當前廣電行業里最流行的詞匯。而3D電視的節目本身無論是從拍攝、記錄、傳輸還是到畫面的還原以及聲音的制作都需要有更多的內容需要考慮，本文通過對其制作原理、還原技術、傳輸技術以及聲音技術的簡要介紹，為大家勾勒出整個3D電視的制作框架。
二．制作原理
人們之所以可以看到現實物體的立體效果是由雙眼視差以及雙眼會聚這兩個參數所決定的。雙眼視差是指由于人眼之間的距離會對所觀察的同一個物體產生微小的差別，這種在雙眼視網膜成像所出現的微小水平像位差，通常人們兩只眼睛之間的距離在60mm左右。雙眼會聚是指人們在看遠處物體時兩眼視線近似于平行，而看近處物體時雙眼視線會向正中聚合來對準物體，這種眼睛肌肉所產生的運動會給大腦提供物體遠近的線索。3D電視的拍攝和制作就是利用上述原理來完成的，即利用兩臺攝像機模仿人們的雙眼來拍攝同一物體，在此過程中獲取兩臺攝像機之間的鏡頭軸間距（IA）以及鏡頭夾角信息記錄成為兩路獨立的視頻信號。在圖像重放的過程中利用一定的技術手段把攝像機左眼信號單獨送給觀眾左眼再以相同的方式把右眼信號送給觀眾的右眼，通過大腦對畫面的視差以及會聚參數的感知產生立體效果。
三．制作設備
目前的3D攝像機可以分為兩類，一類是采用兩臺獨立的2D攝像機經過同步設計之后，安裝在支架上成為一部3D攝像機，其排列方式分為水平支架式和垂直支架式兩種，水平支架式攝像機其擺放方式為平行放置，其最大的缺點是由于兩個鏡頭都比較大，很難使得鏡頭之間的距離達到人眼的平均距離60mm甚至更小，為此又有了垂直支架式攝像機，如圖1所示，這類機器的好處在于可以選用較大的成像器，為其畫質提供了較大的硬件保證，同時兩臺攝像機之間的距離可以從零到無窮任意調節，從而為視差的調節帶來了更大的便利，但是由于這種機器的體積較為龐大且造價高，鏡頭伺服系統同步調節復雜，比較適合電影、綜藝晚會、體育賽事等有充分調節時間的節目使用。第二類為攝錄一體機，根據其大小又分為肩扛式和手持式兩種，如圖2、圖3所示，其主要特點是攜帶方便可以在較短的時間內完成設備的調試所以比較靈活機動并且價格相對便宜，其缺點在于鏡頭軸間距不易調節，只能通過調節會聚來完成其3D畫面的調整，這樣勢必會對其立體效果產生一定的影響，同時其成像器的面積減少使得其畫質受到一定的影響。
圖1 垂直支架式3D攝像機
圖2 肩扛式3D攝像機
圖３ 手持式3D攝像機
圖4為國內首輛3Ｄ轉播車，它采用德國MAN車頭，1.2m單側拉結構，展開后尺寸為12米長2.5米寬4米高，采用2D/3D可切換系統，包括4臺3D垂直支架攝像機，2臺3D一體攝像機，2路2Ｄ轉３D攝像機信號。圖5為轉播車布局圖，從左至右分別為技術區、導演區、會聚調整區、音頻區，其中技術區主要負責錄像以及光圈等圖像調節工作，導演區有3Ｄ切換臺以及３D監視器，工作人員需要通過佩戴偏振眼睛對立體畫面的質量進行監看和切換，會聚(convergence)調整區是在普通的2Ｄ轉播車上不存在的工位如圖6所示，它主要負責對３D畫面的會聚（convergence）進行調整，保證3Ｄ畫面的自然性，音頻區主要對３D畫面的聲音進行制作。
圖4 3D轉播車外景
圖5 3D轉播車布局圖
圖6 會聚(convergence)調整區
四．拍攝技巧
在3D畫面的拍攝過程中攝像師的構圖也要遵循2D畫面中的一些空間感知標準，例如對焦點位置的關注、透視現象、遮擋、高光與陰影、色彩飽和度、相對運動速度等，同時還需要對兩臺攝像機的鏡頭軸間距以及夾角進行適度的調節，以確保每一部攝像機的立體效果。故在3D制作當中專門增設了一個會聚調整工位，他們需要對畫面的立體感進行更加細致的調節使其主觀感受更加舒適。在鏡頭的選用方面由于不需要通過景深來表現畫面的立體感，通常選擇景深較淺的產品，而在其構圖上由于會聚調整區域需要對畫面的大小進行一定的剪切所以在實際拍攝的過程中構圖會較二維畫面“松一些”。同時在演員、舞臺、燈光等各個方面較二維畫面拍攝提出了更高的要求，其中包括演員的動作需要更能凸顯立體感，同時如果光線的層次不夠可能會直接影響其3D拍攝的立體效果，以及如果道具的材質較為反光會使左右眼偏差過大從而影響畫面立體感等在普通的高清拍攝過程當中不會涉及的問題。
在實際的拍攝過程鏡頭軸間距（IA）主要會影響畫面的立體深度，間距越寬畫面的深度越深，即畫面中的近中遠三個位置景物之間的距離越大，但是過度的鏡頭軸間距會使畫面橫向變形，改變畫面物體本來的形狀，故在調節鏡頭軸間距的時候需要保持一定的平衡。鏡頭夾角主要會影響到所拍攝物體與屏幕之間的相對位置，當夾角為零的時候所有畫面是在屏幕外面的，當夾角會聚到拍攝物體上時則該物體會還原在屏幕之上，物體前面的事物則呈現在屏幕的前方，物體后面的事物呈現在屏幕后方，同理當會聚點在所有拍攝物體之前時整個畫面全部分布在屏幕里面。[page]
五．2D轉3D技術
由于目前的3D節目相對匱乏，故而2D轉3D技術成為當前解決片源數量較少以及減少3D制作成本的重要方案之一。該技術主要是把一幅二維畫面中的近點、中點、遠點進行歸類，通過把中點物體保持不變近點物體突出遠點物體后置的方法模擬出3D效果。由于當前3D機器的使用成本很高，所以為了節省制作成本通常會在一些比較少用到的機位鏡頭以及近景拍攝的機位使用2D高清攝像機以及3Ｄ轉換器來代替真正的３D拍攝畫面。雖然這種技術有著很大的價格優勢以及便利性，但是由于它對圖像質量的損失大，在色彩飽和度、縱深感等方面都不能和真正的3D制作技術進行比較，所以只適合作為3D制作初期的替代技術使用，隨著3D制作技術的逐步成熟以及制作成本的逐漸降低，最終會被真正的3D電視畫面所取代。
六．顯示技術
3D顯示技術主要分為三類，如圖7所示，包括體顯示技術、全息技術以及立體圖相對技術。體顯示技術以及全息技術由于其實現難度大，目前大部分不能被商業化普及，而立體圖相對技術是我們目前應用最多的技術，其原理在于先產生場景中的兩個視圖，然后通過某種機制將不同的視圖分別送給左右眼，即左眼只接收到左眼的信號，右眼只接收到右眼的信號，最終通過大腦對這兩幅進行合成，形成虛擬的立體畫面，該技術的本質在于通過左右眼視圖差別為大腦提供立體信息，最終由大腦虛擬完成。
圖7 3D圖像顯示技術框圖
對于立體圖相對技術來說，根據其獲得左右眼信號的方式不同可以分為眼睛式以及裸眼式兩種。眼睛式3D是通過不同的濾波技術使得左右眼可以在同一幅畫面中分別獲得不同的畫面信息，通過人的大腦最終合成影像獲得立體畫面效果，包括色差式、快門式和偏光式三種。由于色差式使用不同顏色的濾光片進行畫面濾光，雖然制造成本低但是圖像的邊緣容易偏色，所成的3D效果不夠理想。而快門式3D由于采用快門眼鏡可以根據影像頻率的刷新時間來實現，但是由于調試比較復雜同時使用成本過高，給其推廣帶來了很大的困難。所以偏光式３D技術成為目前最為大家接受的眼鏡式成像方式，它是通過把圖像分為垂直向偏振光和水平向偏振光兩組畫面，利用3Ｄ眼鏡左右分別采用不同的偏振方向最后分離出兩組不同的畫面，再通過大腦合成立體影像，其價格相對低廉且畫面效果較為理想，但是其安裝調試繁瑣且光線衰減較大也成為該技術的美中不足。所以裸眼3D有其自身的結構性優勢，它是通過非配帶眼鏡的方式來在同一副畫面中，獲得獨立的左右眼畫面信號的一種技術，可以分為屏障陣列、透鏡陣列、指向光源三種方式。屏障陣列是通過利用開關液晶屏、偏振膜以及高分子液晶層來制造出一系列的垂直條紋，當左眼看到圖像顯示在液晶屏上時，不透明的條紋會遮擋住右眼的信號到左眼，從而達到分離左右眼視頻信號的目的，它最大的好處在于可以與LCD液晶工藝兼容且成本較低。透鏡陣列是在液晶顯示屏前面加一層柱狀透鏡來實現的，它使得LCD屏的像平面位于透鏡的焦平面上，其透鏡下的圖像像素被分成幾個子像素并以不同的方向投影，從而使左右眼可以分別看到獨立的畫面。其最大優勢在于亮度不受影響成像效果較好，但是其生產成本較高成為該技術推廣的重大障礙。指向光源技術實現起來最為復雜，其分辨率和透光率都很高但是目前該技術還尚未成熟。通過對上面3D顯示技術的分析可以看出，立體圖相對技術是目前最容易實現的技術之一，特別是其中的眼睛式3D在電視機市場應用廣泛，但是由于其設計當中的種種缺陷以及佩戴眼睛的種種不便給該技術的進一步發展帶來較多的障礙，隨著技術的不斷發展最終可能會被重放效果更好的全息技術甚至是體顯示技術所取代。
七．信號傳輸
3D信號的傳輸方式目前主要包括以下三種方式，1、傳輸獨立的左右眼信號，即傳輸雙路高清帶寬同步視頻信號，一個代表左眼另一個代表右眼，其優點在于畫面清晰，缺點在于帶寬過高。2、傳輸時間交錯立體信號，采用這種方式進行畫面重放需要對高清電視的基礎設施進行升級，為了減少系統升級對播放成本的提高，又提出了時間隔行掃描技術，觀眾可以通過快門眼睛進行觀看，其缺點在于不能夠兼容2D電視的播放。3、傳輸空間交錯的立體信號，其主要是在現有的一路高清通道內對于立體視頻信號進行傳輸的模式，采用了空間隔行掃描技術，觀眾通過偏光眼鏡進行觀看，其優點在于使用簡單方便，且節省帶寬，缺點在于圖像清晰度損失較大，不能達到高清標準。但是由于其對系統的要求不高，目前采用的3D電視傳輸方式通常是空間交錯傳輸形式，其中最為常用的是左右方式，屏幕的左邊顯示左眼要看到的視頻，其右邊顯示右眼要看到的視頻。這樣的傳輸方式使得其水平分辨率減少一半，并需要通過偏光眼鏡來過濾左右眼的視頻信號，從而呈現立體效果。上下方式是指在傳輸的過程中屏幕的上半邊顯示一只眼睛的信號而下半邊顯示另一只眼睛的信號，其中缺點也是垂直分辨率減半，同樣需要偏光鏡進行過濾立體成像。隔行方式，它是將左右兩路圖像信息在屏幕上隔行交叉排列，奇數行顯示一只眼睛的信號，偶數行顯示另一只眼睛的信號，這種方式的缺點同樣在于垂直分辨率減半。在棋盤傳輸方式當中其分辨率在垂直以及水平方向都有一定的損失，且總的效果仍然將空間分辨率一分為二，再使用偏振的辦法獲得左右眼信號實現立體效果。從上面可以看出，如果在傳輸領域實現真正的3D高清電視，我們需要對整個廣播電視的播出系統進行全面的升級改造，而這種改造對傳輸成本的大幅度提高成為目前3D電視推廣當中最大的阻礙，這種成本降低可以通過技術的進步以及３Ｄ制作產業的逐漸成熟而慢慢得以鏟除，而目前在該技術的初級階段上下結構的傳輸方式不失為一種較好的傳輸手段。
八．聲音制作
3D電視是畫面從平面走向空間所邁出的重要一步，而對于電視聲音來說空間感早就成為其制作工藝當中不可缺少的組成部分，立體聲和環繞聲都是人們對聲音空間感探索的結果。與3D電視的成像原理相類似，聲像也是通過人們兩只耳朵對外界聲音差別的感知來實現的，具體的來說主要是通過雙耳所感受到聲音信號的聲壓差以及時間差所決定的。由于耳朵位于頭部的兩側，所以聲波到達雙耳的時間會產生一定的差別即所謂的雙耳時間差，同時聲波到達兩耳的強度也會產生一定的區別即所謂的聲壓差。通過研究發現人耳對于不同頻率的聲音所依賴的聲像判斷依據不同，743Hz以下的聲音其時間差對聲像的影響較為明顯，而對于637Hz以上的聲音其聲壓差對聲像的影響更為明顯。基于以上的心理聲學的原理，發明了XY、AB等種種利用聲壓差以及時間差的立體聲話筒拾音技術來幫助人們把現實中的聲像記錄下來。對于環繞聲拾音技術來說，除了需要記錄其聲像位置之外更多的需要對其聲場環境進行記錄和塑造，使得觀眾有更加真實的感受。隨著3D技術的發展人們對聲音空間感的探索已經不能滿足于5.1環繞聲在水平方向的聲音還原系統了，隨之而來的是以Auro 3D技術為代表的針對于3D電影電視技術的9.1、10.1甚至11.1聲音重放系統，它不但可以提供良好的水平環繞聲效果，同時拓展了聽眾對聲音垂直高度上的聲像以及層次的變化，減少了前后聲場的突然跳變，同時擴大了最佳聆聽位置。3D電視的蓬勃發展帶動了音頻領域對立體空間聲場的更深層次的探索，例如混響器是單聲道以及立體聲時代塑造聲音空間感最重要的設備，而隨著揚聲器數量的增多，這種效果可以從一定程度上利用揚聲器來完成，從而還原出更加自然的聲場環境。
九．小結
3D電視從無到有從電影走向電視，這種種跡象表明3D技術離普通大眾越來越近。世界各地的3D電視頻道陸續開播使得3D電視已經走向產業化的道路，Discovery、索尼和IMAX公司三方合資創辦的3D電視網3net已于2011年2月開播，ESPN也宣布開設3Ｄ體育頻道，國家廣電總局決定于2012年1月1日開播3D電視試驗頻道，這種種跡象表明3Ｄ電視已經成為未來電視的發展趨勢。但是昂貴的制作成本以及稀少的3D片源成為目前發展的瓶頸，值得欣慰的是3D電視機從推出到現在平均價格下跌達到57.3%，與2Ｄ電視的價格差距越來越小，為３D電視節目的普及推廣提供了終端上的保障。同時由于3D重放技術復雜性，使得中國的版權保護事業達到了一個新的高度，從最大程度上遏制了不法分子通過翻拍手段進行盜版的犯罪活動，提高了創作者的積極性為今后有更好的電視作品提供了更加安全的技術平臺。
雖然目前的３D電視開始向立體方向發展，但是其發展思路仍然沒有擺脫2D電視制作技術的束縛。與聲音制作技術相類比，雖然人們通過兩只耳朵來接受聲音信號，但是立體聲重放技術并不能完全滿足人們對空間感的認知，所以在此之后產生了環繞聲重放系統；同理雖然人們用兩只眼睛來感受事物但是未必利用雙攝像機的立體電視可以滿足人們對空間立體感的需求，所以或許在未來3D電視制作當中攝像機可以通過陣列的方式把畫面進行處理構造出更具有立體感的3D電視畫面制作技術，同時隨著我們對視覺心理學以及視覺生理學更加深入的了解或許在不久的將來會出現更加精密的拍攝設備來滿足人們對電視畫面的需求。B&P