数字环幕立体电影制作方法

专利名称：数字环幕立体电影制作方法
技术领域：
本发明涉及数字电影电视技术，具体是一种采用三维动画技术的数字环幕立体电影制作方法。
传统的立体电影采用双摄影机或双镜头摄影机拍摄，对应观察点沿与观察方向垂直的水平线错开数厘米的距离，以产生视差。两观察点的距离(瞳距)应与人的两眼间距相当。
放映时通过两台电影放映机分别放映对应于人的左右两眼的左右通道图象，并使之投射到同一银幕上。在放映机镜头前加偏振片，使两路图象具有不同的偏振方向。采用具有一定镜面反射能力的银幕，使银幕的反射光保持入射光的偏振性，观众借助偏振眼睛区别左右两路通道的图象，借助两路图象的视差产生立体感。
将若干块相同的银幕围成一个圆柱面，环绕整个放映大厅，并借助与银幕相同数量的电影放映机分别把图象投射到这些银幕上，就组成了环幕电影的放映环境。环幕电影要求采用同样数量的摄影机组成环形进行拍摄，获得的多路图象。在环幕影院放映时，相临银幕之间的图象被连接起来，所有的银幕上的图象被连接成一个整体，观众会感觉到置身与一个由影片营造的环境中。
目前环幕电影的每两相邻银幕之间要被一宽约30厘米的竖直边框隔开，所以画面实际上没有达到完全浑然一体。造成这一情况的原因以下(1)、竖直边框上要开放映窗口，以使放映轴线与画面垂直，否则，银幕上的图象将产生梯形变形。
(2)、由于拍摄时，实际上不可能使所有摄影的观察点重合，所以相邻银幕上的图象实际上是不可能完全连续地连接在一起的。增加边框，可以掩盖这种不连续性。
(3)、放映机和胶片的微小光学参数的差异也会造成画面不连续。
三维动画是数字影视的一个方面。影片中被表现的客体或艺术形象的三维几何属性，光学属性，和空间运动均可以由计算机表示。借助于渲染(rendering)过程，这些计算机表示的模型就被转换为数字图象。渲染是借助于计算机中存储的摄影机模型进行的。该摄影机模型中存储了与真实摄影机大体一致的参数，如机位，观察点，观察方向，焦距，片门等。
由于三维摄影机模型几乎完全可以模拟真实摄影机的功能，所以同样可以通过两个摄影机模型实现视差，产生左右两个通道的图象。这种三维立体技术有一个突出的优点高度精确，可以实现任意多台摄影机模型的观察点的完全重合。
传统摄影机总是在平面上成象的。采用三维动画方法制作影片时，三维动画软件利用渲染来模拟摄影成象过程，但是所有的商品化三维动画软件都只能在平面上进行渲染。
本发明的目的在于克服现有的上述不足，提供一种环幕技术与立体技术结合的数字环幕立体电影制作方法，以满足影视业飞速发展的需求，提供新型的影视产品。
本发明提出的数字环幕立体电影制作方法，其基于含多台计算机和三维动画软件组成的三维动画制作系统，其特征在于包括如下步骤a、装入将被渲染的三维场景模型；b、设置渲染参数，其中包括银幕的弧的角度、子银幕数量N、每个子银幕包含的窄条数M、银幕的半径与高度、基线长度或瞳距；c、在三维模型所定义的空间建立一个由M×N个窄条组成的圆柱面，根据输入瞳距建立基线，使基线中点与所述圆柱面中心重合，创建一对摄影机模型，并使它们的观察点位于基线的两端，将摄影机组模型对准圆柱面上一个窄条区域，使两摄影机视轴相交于窄条的中心点；d、对于待制作影片的每一帧，绕圆柱中心水平地旋转摄影机组和基线，通过两摄影机模型分别对其每一窄条对应的三维场景进行渲染(rendering)，输出两幅窄条图象；将所述每一帧的2×M个窄条图象按顺序拼接成一帧子银幕图象；e、建立与真实银幕成比例的圆柱面和N个放映机组的三维模型，采用纹理映射(Texture mapping)技术，将上述每一帧子银幕图象逐帧地映射到圆柱面，并通过各个摄影机模型对圆拄面进行二次渲染，输出相应的子银幕图象；f、将相邻子银幕图象边沿需重叠的画面进行衰减处理，输出最终的以子银幕图象组成的图像文件。
本发明与现有技术比较其优点如下本发明提出了新的环幕立体视差模型，采用三维动画技术制作数字环幕立体电影，通过一系列技术措施实现了立体电影与环幕电影的结合，可以使完整的立体图象在180度到360度圆柱面银幕上进行放映。该技术既适合于采用胶片电影放映机的放映方式，也适合于采用多计算机驱动播放软件播放数字图象的投影仪放映方式。
影片画面连续、逼真，动感效果好，能产生巨大震撼力，效果神奇新颖。影片中物体冲出银幕，到达每个观众眼前的效果是立体电影最具魅力的效果。而传统立体电影在这方面存在很大的局限性，如这样的物体总是只能做沿纵深方向的运动，并且这样的物体尺寸总是很小。其根本原因是银幕对观众眼睛所张的视锥的张角太小。冲出银幕的物体只能在这个锥体中运动，越接近观众的眼睛，锥的截面就越小。本发明的环幕是扩大水平视角，使之超过180度甚至达到360度的最有效办法。当帧角超过180度时，理论上任意大尺寸的物体都能运动到观众眼前。
传统环幕电影是使观众产生“沉浸感觉”，身临其境感觉的一种表现形式，但是，银幕把观众与影片内容隔开的心理作用仍然很强。而本发明方法制作的影片立体效果大大增加，这种隔离感将被削弱很多。
本方法制作的环幕立体电影非常适合于各种游乐场所，主题公园，科技馆，或博览会放映。
以下结合附图对本发明的制作方法进一步说明。


图1为普通的视察模型示意图；图2为本发明的环幕立体视察模型示意图；图3为其一个子影幕的环幕立体视察模型示意图；图4为其相邻两幅子影幕图像边沿重叠和衰减示意图；图5为其立体视差和柱面渲染软件的流程图；图6为其变形矫正和无缝拼接软件软件的流程图。
本文以“视差模型”一词来表示以人工方式建立视差的数学方法。通过对普通立体电影技术的分析，可以归纳出如图1所示的普通视差模型。
连接两台摄影机的观察点的直线称为“基线”，为了形成视差，基线的长度应相当于人的两眼瞳孔的距离，该距离称为“瞳距”。基线呈水平方向，并且与观察方向垂直。
两台摄影机的轴线接近平行，两条轴线的交点总是位于摄影机前方。交点到基线的距离称为“物距”，它大体相当于观众到银幕的距离。所谓观察方向，是指基线中点到上述交点的方向。
过交点且与观察方向垂直的平面称为“成象面”，这个面的位置相当于银幕的位置。如果被拍摄物体处在成象面的位置，观众就会感觉到它处在银幕的位置。同样，当被拍摄物体处在摄影机与成象面之间，观众就会感觉到它冲出了银幕，反之，被拍摄物体处在成象面远侧，观众就会感觉到它在银幕里面。
普通视差模型既可以通过真实摄影机实拍实现，也可以通过三维动画的方法实现。
在普通视差模型中，一帧图象(相当于环幕中的一个子银幕画面)使用一条固定的基线。在实拍过程中，实际上也不可能做到在一张底片感光一部分后改变基线方向。在环幕情况下，不同子银幕必然使用不同的基线方向，以使基线保持与观察方向的一致，否则，银幕张角不可能达到或超过180度。相邻子银幕上的画面的接缝两侧，由于使用不同的基线方向，其视差是不可能相同的，因此无法实现正确的连接。
本发明采用了如图2所示新的环幕立体视差模型。在同一帧图象(相当于一个子银幕画面)中，基线与观察方向不是固定的，而是绕基线中点旋转的。
对应于一个子银幕的圆柱面可以被分割为很多等宽的窄条，这相当于把整个圆柱面用一个M×N正棱柱面来表示，这里N是子银幕数，M为每个子银幕所包含的窄条数。拍摄时，基线中点被固定在圆柱面的中心，绕这个中心旋转基线与观察方向，依次通过每一窄条对场景进行拍摄，获得一系列窄条图象，然后再将这些图象组合成一个完整的子银幕图象。
对每一个窄条，都要保证观察方向与该窄条所在的平面垂直，而基线与该平面和水平面分别平行。
相邻两个窄条的对应基线只有很小的夹角，由此产生的视差不一致就很小。相邻两个子银幕之间的视差不一致恰恰与相邻两个窄条的视差不一致相当。
显然M越大，窄条越窄，视差的不一致就越小。当M趋于无穷大时，就达到了视差沿画面水平方向的连续变化。
这种环幕立体视差模型产生的一帧图象上不同水平位置上的视差是不同的，但沿水平方向连续改变。环幕立体视差模型的实质是使基线与观察方向连续转动，这实际上是模拟了人在环视四周时，头部连续转动的情形。
环幕立体视差模型不能用现有摄影机实现，因为我们无法在曝光一帧图片的短暂时间内多次改变机位。但可以通过三维动画技术实现。这时，渲染过程代替了拍摄过程，三维场景代替了真实场景。
我们通过专门设计的软件实现这一模型，影院可建成180，240，300，360度等多种银幕规格。在典型实施例中，一个360度的圆柱面环幕可分成6个子银幕，每个子银幕的弧度被定为60度，每个子银幕包含10～30个窄条。
在理想情况下，窄条的宽度可以设置为仅仅一个象素宽，按照胶片分辨率，这意味着每个子银幕图象由2000以上的窄条组成。但这样做不够经济，事实上，每个子银幕分割为10——30个窄条时，效果已相等理想。
图3为一个子影幕的环幕立体视差模型示意图。其中每一个子银幕分为S1～S8共8个窄条，所有不同旋转角度的多条基线中点均与所述圆柱中心重合，位于基线两端的两摄影机依次拍摄窄条对应的相应三维场景，输出每一帧的子银幕图象。
如上所述的窄条分割方法相当于用多棱的正棱柱面逼近一个圆柱面，该方法同时解决了柱面渲染问题。本方法的渲染在一个圆柱面上进行，而不是在平面上进行。
柱面渲染与环幕立体视差模型是由同一软件承担的。该软件输入三维场景模型，这些三维场景模型可由其他三维动画软件产生。输出以子银幕图象为单位的图象文件。图象分辨率约为800×500——4000×2500。图象格式为TGA，或Tiff。
其过程如流程图5所示。
●装入将被渲染的三维场景模型。
●设置渲染参数，包括银幕的弧的角度可取180，240，300，或360度；子银幕数量N，在环柱面360度情况下，设置N＝6较好；每个子银幕包含的窄条数M，整个银幕的窄条总数为M×N；银幕的半径与高度；以及基线长度或瞳距。●在三维模型所定义的空间中确定摄影机组相对于场景的位置与方向。
为了在上述空间中确定观察者的位置和观察方向，需要建立一个圆柱面，并将它分割成M*N个窄条，尺寸和半径/高度比与真实银幕相当。
根据输入瞳距建立基线。创建一对摄影机模型，并使它们的观察点位于基线的两端，而基线中点与圆柱面中心重合。将摄影机组模型对准圆柱面上一个窄条区域，使基线与窄条所在平面平行，观察方向与该平面垂直，两摄影机视轴相交与窄条的中心点。●窄条渲染对于待制作影片的每一帧，重复下列操作通过2个摄影机模型，并通过窄条表示的取景范围，分别对三维场景进行渲染，输出2幅窄条图象，其中之一为左眼通道图象，另一为右眼通道图象；绕圆柱中心水平地旋转摄影机组(包括基线)银幕的弧的角度/(M*N)度，渲染下一窄条，直到完成所有2×M×N窄条的渲染。●窄条拼接对于待制作影片的每一帧，重复下列操作对N个子银幕，重复下列操作将M个窄条图象按顺序拼接成一个子银幕图象图6为子银幕图象的变形矫正和无缝拼接软件流程图。
变形矫正主要通过三维图形中的纹理映射(Texture mapping)技术实现。
建立与真实银幕成比例的圆柱面，建立N个放映机组的三维模型，根据真实影院中放映机相对于银幕的位置与方向确定三维模型中的摄影机相对于圆柱面的位置与方向。
通过纹理映射技术，将环幕立体视差模型与柱面渲染软件所产生的图象逐帧地映射到圆柱面，并通过各个摄影机模型对圆拄面进行二次渲染。
变形矫正也是通过一个专门设计软件实现的。
该软件对待制作影片的每一帧，执行上述操作，并输出相同格式与分辨率的子银幕图象。
环幕立体电影对影院中放映机相对于银幕的位置与方向有一定要求，但是满足这些要求的摄影机放置方式仍有多种。画面变形与摄影机实际的放置方式有关。同一影片可以通过不同的变形矫正，来适应不同的放置方式。
实现无缝拼接的方法是在放映时使相邻子银幕的画面重叠大约1/10个画面宽度。如图4所示，在2个图象相重叠的区域内，每一个象素的R。G，B分量将被乘以一个因子F，F介于0与1之间。于是每个这样处理过的象素会变暗。象素的位置越接近图象的侧边沿，F越小，象素恰恰位于图象侧边沿使F为零。象素的位置越接近重叠区域的内边界时，F越大，象素如果恰恰位于这个内边界上时，F为1。由于使图象亮度减少，F被称为衰减因子。
当两个图象在放映时在银幕上重叠时，重叠区域的每一点的亮度均由两个图象的对应象素贡献，由于已做衰减，重叠区域的图象应看起来不比普通区域更亮。
衰减因子可表为函数F＝f(x)其中F是衰减因子，x是到图象侧边沿的水平距离，x＝0，象素位于图象侧边沿，x＝1，象素位于重叠区域内边界，0＜x＜1。
该函数的曲线(图象)称为衰减曲线。
实验表明，函数f(x)不是线性的，我们只能得到它的经验公式。
不同放映机或胶片的物理性质总不会完全相同。重叠和衰减的方法可以使一个子银幕的画面逐渐地过渡到另一相邻子银幕的画面，避免了由物理性质微小不同造成的画面在子银幕接缝处的不连续变化。
无缝拼接是通过以下两项措施实现的一是制片期间由软件承担的衰减理；二是放映期间的子银幕的约定1/10宽度的重叠。
衰减处理与变形矫可在同一个软件中进行。在变形矫正施行第二次渲染的过程中，三维模型中对应于各子银幕的摄影机的取景范围也重叠，其重叠程度与真实放映机的画面重叠程度一致。
在完成某一帧的第二次渲染后，该软件对该帧的每一个子银幕的两侧按指定宽度和衰减函数逐象素进行衰减处理。
本发明方法的环幕立体电影允许使用计算机、网络、投影仪来进行放映。最好使用本公司开发的多屏同步播放软件承担这一功能。
前面叙述的关键性技术均运用于影片制作。放映设备要满足环幕立体放映的要求放映机的位置与方向要求；银幕制作要求；放映设备的同步要求；采用计算机与投影仪放映时采用我们公司的多屏同步播放软件。
除此之外，放映设备采用标准设备，如35毫米电影放映机，满足配置要求的普通个人计算机和投影仪等。
在基于计算机和投影仪的系统中，影片以AVI文件格式存储在计算机中，放映用个人计算机与投影仪的数量分别为2N，这里N是子银幕数，除此之外，还需用1台计算机做为服务器。在每台放映用计算机上，运行我公司开发的多屏同步播放软件，它的作用是把AVI文件读入内存，解码后，按照服务器提供的控制信号，逐帧将图象送达与之相连的投影仪，速率为25帧/秒。服务器上运行配套的多屏同步播放控制软件，对各个放映用计算机进行同步控制。所有计算机通过局域网互连。
在基于胶片的系统中，采用标准电影胶片和电影放映机进行放映，共需要2N台放映机，放映机之间应实现同步控制。
本发明建议的放映机位置和方向是使放映镜头的高度位于银幕上沿高度；光轴过银幕圆柱面轴，投向对面银幕；各个放映机沿银幕上沿呈环形排列，间隔角度为360/N，其中N为子银幕数。同一组左右两通道的放映机间隔约2度。
放映机的放置可以适度偏离上述要求，但是，这将导致重做变形矫正。
放映镜头前加装偏振镜片，观众要戴偏振眼睛。
银幕由金属银幕架和幕布组成，幕布采用普通立体影院所用的金属涂料银幕，以便保持反射光的偏振性。
我们建议使子银幕弧的角度为60度，用于无缝拼接重叠的弧的角度为4度。由此可使银幕具有180，240，300，360四种规格。以适于不同需要。一个产品化的环幕立体影院系统需要考虑多声道立体音响系统，观众席的合理设计，现场特技系统等。
权利要求
1.一种数字环幕立体电影制作方法，其基于含多台计算机和三维动画软件组成的三维动画制作系统，特征在于包括如下步骤a、装入将被渲染的三维场景模型；b、设置渲染参数，其中包括银幕的弧的角度、子银幕数量N、每个子银幕包含的窄条数M、银幕的半径与高度、基线长度或瞳距；c、在三维模型所定义的空间建立一个由M×N个窄条组成的圆柱面，根据输入瞳距建立基线，使基线中点与所述圆柱面中心重合，创建一对摄影机模型，并使它们的观察点位于基线的两端，将摄影机组模型对准圆柱面上一个窄条区域，使两摄影机视轴相交于窄条的中心点；d、对于待制作影片的每一帧，绕圆柱中心水平地旋转摄影机组和基线，通过两摄影机模型分别对其每一窄条对应的三维场景进行渲染(rendering)，输出两幅窄条图象；将所述每一帧的2×M个窄条图象按顺序拼接成一帧子银幕图象；e、建立与真实银幕成比例的圆柱面和N个放映机组的三维模型，采用纹理映射(Texture mapping)技术，将上述每一帧子银幕图象逐帧地映射到圆柱面，并通过各个摄影机模型对圆拄面进行二次渲染，输出相应的子银幕图象；f、将相邻子银幕图象边沿需重叠的画面进行衰减处理，输出最终的以子银幕图象组成的图像文件。
2.根据权利要求1所述数字环幕立体电影制作方法，其特征在于所述的银幕的弧的角度为180度，或240度，或300度，或360度。
3.根据权利要求1所述数字环幕立体电影制作方法，其特征在于当银幕呈圆拄面时，取6个子银幕，每个子银幕包含10～30个窄条。
全文摘要
一种数字环幕立体电影制作方法,其基于三维动画制作系统,在三维模型所定义的空间建立一个由M×N个窄条组成的圆柱面,对于待制作影片的每一帧,通过两摄影机模型,分别对每一窄条对应的三维场景进行渲染,输出两幅窄条图象;将所述每一帧的2×M个窄条图象按顺序拼接成一帧子银幕图象;然后进行变形矫正和无缝拼接处理制成图像文件。其采用环幕立体视差模型和三维动画技术,可以使完整立体图象在180～360度柱面银幕上进行放映,画面连续、逼真,动感效果神奇新颖,能产生巨大震撼力。
文档编号G06T15/70GK1372227SQ01107598
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者李明, 崔涛, 刘道强, 钟文彬 申请人:深圳华强智能技术有限公司