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电影院放映3D电影是利用什么原理?详解3D放映技术

2020-07-23    
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现在我们在电影院看的电影分为2D和3D电影,这里的D指dimension,就是维度的意思,2D则表示二维,如果用一个坐标轴表示一个维度的话,那么两个相互交叉的坐标轴就会组成一个二维平面。同样的,在二维平面上再增加一个坐标轴的话,那么就会形成三维立体空间。3D电影就是让我们所看见的物体延伸出屏幕一样,在我们的眼前呈现出立体的效果。那么,明明只是一个平面的幕布,它是如何在我们的眼前展示出三维效果,让我们如同身临其境呢?接下来我将进行这个过程的讲解,为你展示这技术背后的科学原理。

电影院放映3D电影是利用什么原理?详解3D放映技术

 

人眼三维成像原理

三维物体是指在空间内占有一定体积的物体,我们生活的这个世界也是处于这样一个三维立体的空间内(暂时不纠结人类对于空间更深层次的认知)。对于一个物体,我们可以从视觉以及触觉两个方面感受物体的大小,形状。在电影院,我们感受到的3D效果依靠的便是我们的视觉。而视觉感受到物体的空间感便与我们的两只眼睛有关。

我们先分析我们用一只眼睛看这个世界会怎么样

我们的眼睛就是一个凸透镜,外界物体发出的光经过我们的晶状体后发生折射会在我们的视网膜上成像。这个过程就像下面这个图。

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树反射的光线有一部分会进入我们的眼睛,于是通过我们眼睛上的晶状体会在我们的视网膜上呈现出一个倒立缩小的实像,这些光线被视网膜上的视锥细胞感受到之后,会转换成电信号传入我们的大脑进行处理,于是我们看见了眼前的这棵树。

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但一只眼睛看物体会存在一个问题,就是我们很难分辨物体与我们的距离,我们可以通过下面这个例子来做一个演示。

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上图中上面那棵树离我们更近,但是树比较小,而下面这棵树更大,距离更远。于是问题来了,上下两种情况中,树在我们眼睛中成的像却是一样大,因此,上下两种情况,我们眼睛中所感受到图像的视锥细胞所占的面积是一样大的,两者并没有区别,于是,我们会认为我们所看见的事物是一模一样的,空间位置也是一样,这种错觉会使我们无法分辨物体的实际距离与大小,因为我们不知道我们看见的物体小是因为它真的小还是因为距离远导致的。

但我们平时尝试用一只眼睛看东西时,似乎也能够看出物体的大小,这其实只是我们从生活经验以及与环境中的物体对比产生的一种感觉。

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因为我们知道前面的物体会挡住后面的物体,因此,通过物体之间的层次感我们就能大概知道物体与我们之间的距离。还有一个就是通过物体之间大小的对比从而大概分析出它们之间的空间关系。这种方式有参考作用,但并不准确,像上面提到的这些错觉就是其中一个问题。

例如,一个普通的相机拍出的照片就相当于我们一只眼睛所看见的画面,这个画面是一个2维图像,这种图像我们只能通过感觉来判断各种物体的大小以及位置,同样会产生上面讲的这种错觉,于是我们可以利用这种错觉拍出下面这种照片,达到以假乱真的现象。

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接下来我们再分析两只眼睛看物体有何不同

由于我们的两只眼睛在空间中存在一定的距离,当我们用两只眼睛看同一个点时,空间中任何一点相对于两只眼睛的位置都可以用准确的数据来描述。我们可以从下面这张图进行分析。

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空间中的每一个点与我们的两只眼睛都会构成一个三角形。我们的两只眼睛距离是确定的,空间中的这个点发出的光线分别射入我们的两只眼睛,这两束光线分别会与两只眼睛之间的连线产生一个夹角,于是这两个夹角确定了,因此,这个点与我们的两只眼睛便形成了一个确定的三角形结构。通过边角之间的关系,我们可以得到一个准确的距离L1和L2,那么这些距离的不同反应的就是空间位置的不同,于是,我们可以通过双眼看到一个具有立体感物体。

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有些人又有疑惑了,认为我既没学过正弦定理,又不懂得计算,哪里来得这个过程。实际上这个过程是我们的大脑自动进行的,我们从小到大,接触的各种事物,就已经在不断的学习,这是一个潜移默化的过程,以至于让你并不知情。当然这个计算过程并不是通过上面这个公式来进行准确的计算(这个公式只是为了证明两只眼睛可以确定物体位置的可行性),而是通过经验粗略得到的。这个过程就像开车多年的老司机换挡一样,是一个顺其自然、甚至达到了条件反射的过程,不需要大脑的深入思考,而我们的大脑在计算物体远近这方面的速度经过“几十年”的历练,同样也达到了无需思考的境界。

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另一方面就是我们两只眼睛相对于物体的角度是不一样的,因此,两只眼睛所看见的画面也会有所差别,这两个不同的图像会在我们的大脑中进行合并计算,形成一个立体图像,这种角度引起的视觉差异更同样增强了物体的立体感。

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因此,我们的两只眼睛为了让我们看见出真实的立体空间感,同时做出了上面这两大贡献。

这就是物体在人眼中三维成像的原理。

那么要想让我们在影院中也达到这样的效果就需要按照上面的原理进行图像处理,从而让我们看到一个具有空间感的物体。

拍摄3D动画原理

物体在我们两只眼睛中所成的像是不同的,因此,为了分别得到我们两只眼睛所看见的不同图像,拍摄时就不能使用普通的摄影机,而需要使用拥有两个镜头的摄影机,两个镜头分别模拟我们的两只眼睛,在这两个角度同时拍摄,得到的两组不同的影片分别储存。

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在放映的时候,再把两个动画同时放映在屏幕之中,于是,放映3D电影的荧幕上就会呈现出下面这种具有重影的画面。

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显然,两个影片叠加在一块,我们每只眼睛看见的都是两组画面,越看越模糊,那就更不用提看出3D效果了。想要看到3D效果,就必须让我们不同的眼睛看见的荧幕中不同的画面。那么接下来的工作就是让我们的左眼只看见左摄像头拍摄的画面,右眼只看见右眼所看见的画面。于是3D眼镜开始发挥作用了。

3D眼镜作用原理

在了解3D眼镜之前,我们先了解什么是偏振光。

偏振光

光波是一种电磁波,电磁波属于横波,横波的振动方向与传播的方向垂直。自然光由于发光体内部电子运动方向是杂乱无章的,因此发射出的电磁波的振动在各个方向上具有均匀性,即一束光包含着各个方向的偏振光。

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偏振光有一个特点,就是能够通过与自己振动方向相同的偏振片,而与之垂直的偏振方向便无法通过。利用这个性质,我们就可以用偏振片来获取特定方向的光波。偏振片一般是利用聚乙烯醇塑胶膜制成,它具有梳状长链形结构分子,这些分子平行排列在同一方向上,此时聚乙烯醇塑胶膜胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过,因而产生线偏振光。

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另一种方式是可以利用一些晶体物质的特殊性质,由于晶体具有各向异性,某些晶体在某个特定的方向上允许一些特定振动方向的偏振光通过,其它偏振方向的光则会发生反射,下图就是其中一种晶体的光波过滤过程。

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了解了什么是偏振光以及它的性质,那么对于下面这些过程就更好理解了。

放映的时候,会有两台放映机在荧幕上投射出两个镜头拍摄的两组画面,并且,这两台放映机的镜头前会分别涂上不同方向的偏振材料,这些材料可以让特定方向的偏振光通过,这些偏振光经过反射,会以同样的振动形式射入我们的眼睛。

3D眼镜就是两片偏振片

那么戴上3D眼镜之后会发生什么?我们可以用下面这个具体的过程进行分析。

左放映机的镜头前加入水平方向的偏振片,于是左放映机所投影出的画面光线振动方向为水平方向,而右放映机所投影出画面光线振动方向为竖直方向。那么与之对应,眼镜的左镜片对应的是水平方向的偏振片,因此只有水平方向上的偏振光能够通过,这就相当于一个过滤的作用,于是,我们的左眼只能看见左投影仪投射出的画面,而右眼只能看见右投影仪投射出的画面。

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电影院放映3D电影是利用什么原理?详解3D放映技术

 

通过3D眼镜分别过滤出了左眼与右眼想要看到的画面,并且这两个画面在我们的大脑中进行组合,于是我们便看见了一个立体的画面。而电影的图像是连续变化的,因此我们便看见了动态的3D电影。这就是现在3D电影的制作以及展示原理。

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其它3D展示技术

红蓝3D投影

以前的3D电影,由于刚开始发展,技术较差,使用的并不是偏振原理,而是使用红蓝3D电影技术,将摄影的左右两幅画面通过红光以及蓝光分别处理,眼镜也是使用红蓝两种颜色的镜片,这样左眼的镜片会过滤掉画面的蓝色内容,只看到红色部分,右眼过滤掉红色,左右眼看到不同画面而产生立体感。红蓝电影是通过不同颜色的眼镜过滤不同的颜色而看到不同的影像。

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由于经过这种红蓝处理,会导致画面存在严重的色差,并且透光不足导致光线昏暗,看久了容易导致头晕眼花,现在这种方式基本已经淘汰。下面就是红蓝3D显示的某个图像,画质相对来说较差,但原理简单,设备要求低,普通显示屏就可以展现出效果。

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全息投影

全息投影又是一种全新的3D展示方式,这种技术更加复杂,并不需要我们通过辅助工具查看,直接用裸眼就可以看到3D动画,但由于成本及技术极高,常用于舞台效果,实际使用的地方并不多。但这是在立体空间中直接呈现立体动画的,因此效果是最真实、最逼真的。

电影院放映3D电影是利用什么原理?详解3D放映技术

 

总结

以上就是关于我们现在在电影院观看到3D电影的全部过程以及其中的原理,简要整理一下就是下面4个要点:

1.双摄像头拍摄,摄制两组画面,模拟人左右两只眼睛所看见的画面并分别存储。

2.让左右两组画面在投影仪投影过程中通过不同的偏振片,让两组画面拥有不同的偏振光。

3.左右两组画面投影在幕布上之后反射,分别通过3D眼镜左右两片偏振片,于是左眼只能看到左摄像机拍摄的画面,右眼只能看见右摄像机拍摄的画面。

4.人脑会对左右两只眼睛看见的不同画面进行组合,形成立体图像,于是我们就这样看见了立体电影。

电影院放映3D电影是利用什么原理?详解3D放映技术

 

很多过程在上面的讲解中可能看起来很简单,只是几句话就概括了,但实际操作的过程却复杂的多。3D电影成井喷式发展是在2009年《阿凡达》的上映,这部电影充分的利用了计算机以及IMAX放映系统,让3D电影成为发展的热潮。从这些原理的背后我们也可以看出,许多为人类提供便利的技术其实是各个领域人员深入研究、努力配合的结果。

 

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