虚拟现实技术与3D立体电影

文丨肖梦雪

（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

虚拟现实技术由计算机图形学的奠基者，美国科学家Ivan Sutherland博士1965年首次提出。在近半个世纪的发展中，虚拟现实技术已日趋成熟。虚拟现实技术综合了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等，并广泛应用于科技开发、军事、工业仿真、商业开发、医疗、娱乐艺术等众多领域之中。

虚拟现实（Virtual Reality）是采用以计算机技术为核心的现代高科技技术，生成逼真的多感官一体化的一定范围的虚拟环境。用户可以采用特定装备与虚拟环境中的物体进行交互，达到身临其境的效果。虚拟现实技术以沉浸性、交互性、构想性为基本特征，沉浸性是指用户通过虚拟现实装备在虚拟环境中感受的真实程度，让用户完全沉浸在虚拟环境中达到以假乱真；交互性是指用户对虚拟世界中的物体的可操作度，及从虚拟世界得到反馈的实时性和自然程度[1]；构想性是指用户在虚拟环境中扩展想象空间和开阔认知范围。

电影摄影师Morton Heilig，在上世纪60年代初发明了Sensorama（摩托车仿真器），它具有声音、图像、气味、振动等多种感知功能，使参与者坐在仿真器的座位上有经历骑摩托车游历美国曼哈顿街道的感觉。该发明被多数人认为是电影现代虚拟现实（VR）技术的开始[2]。而现代的3D、4D电影也是基于Morton Heilig的发明思想。为观众带来视觉、嗅觉、触觉等多感官的仿真感受。这其中，在视觉方面为观众创造三维世界真实感的技术（虚拟现实中的立体显示技术）是最为成熟的。观众通过佩戴立体眼镜，就能在大屏幕上看到三维的影像了。

1 虚拟现实电影的关键技术

在1990年计算机图形图像业内的奥斯卡盛会年会上，明确提出虚拟现实VR研究的主要内容包括实时高分辨率立体显示技术、CG三维图形生成技术和多传感器交互技术[3]，CG三维图形生成技术成为3D电影制作的核心。根据这个基础，观察虚拟现实技术近几年的发展，可以总结出虚拟现实设计在电影中（除CG外）以下关键技术。

1.1 立体显示技术

立体显示技术是视觉显示技术中较复杂和关键的技术，同时，它也是虚拟现实的重要支撑技术。由于人体两眼间位置距离而有视差，两眼产生有细微差距的画面，这两个画面在大脑中融合，产生有空间立体感的物体。

使用三维眼镜是目前最普遍的实现立体影像还原的方法，三维眼镜可以使人的双眼分别看到不同的图像，模拟出双眼看到真实物体时的效果。其中通过红绿滤色片实现彩色眼镜法，通过两种不同方向的偏振光实现偏振光眼镜法。

在显示图像方面主要有两种方法，一是同时显示法，即在屏幕上同时显示对应左右眼的图像，这种方式需要佩戴眼镜。另一种是利用“视觉暂留”原理的串行式立体显示法，即以一定频率交替显示两幅图画，这种方法不需要佩戴眼镜，可以实现裸眼3D的效果。

1.2 三维虚拟声音的实现技术

虚拟场景中符合人们在真实境界中的听觉方式，使用户准确地判断出声源位置的声音系统称为三维虚拟声音，可以在VR中减弱大脑对于视觉的依赖性。虚拟现实系统中的三维声音，使听者能感觉到声音来自围绕听者双耳的一个球形中的任何地方。声音在虚拟现实系统中的作用，主要有以下几点：1）虚拟环境中的声音为用户提供了另一种人机交互方法，用户可以使用语言和虚拟环境进行交流。2）对象属性的部分信息可以通过声音进行传递。3）声音的空间信息要比视觉更加广泛，因此通过声音可以增强虚拟环境的空间信息。

三维虚拟声音定位技术是三维虚拟声音系统最核心的技术，它的主要特征有：全向三维定位，在三维虚拟空间中有把实际声音信号定位到特定虚拟专用源的能力；三维实时跟踪，在三维虚拟空间中有实时跟踪虚拟声源位置变化或景象变化的能力；沉浸感，有助于增强临场效果，加入三维虚拟声音后，能使用户产生身临其境的感觉；交互性，三维声音的交互特性是指随用户的运动而产生的实时响应和临场反应的能力。

1.3 环境建模技术

营造虚拟环境是虚拟现实系统的核心内容，建模是营造虚拟环境的第一步。然后在其基础上再进行实时绘制、立体显示、形成一个虚拟的世界。虚拟环境建模的目的在于获取实际三维环境的三维数据，并根据其应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。

环境建模分为：几何建模、物理建模、行为建模和听觉建模等。几何建模又分为人工和自动两种，人工几何建模是建模人员在相关平台上利用建模软件搭建模型，自动几何建模则采用三维扫描仪自动采集实际物体的数据，由计算机自动搭建模型；物理建模是在建模的过程中考虑物体的物理属性，它采用了分形技术和粒子系统等技术来模拟这些属性从而使得模型更具真实感；行为建模则考虑了物体的运动及行为；听觉建模考虑声音的相关因素，如声源的位置，声源的频谱，环境造成的回声等。

1.4 真实感实时绘制技术

要实现虚拟现实系统中的虚拟世界，仅有立体显示技术是远远不够的，虚拟现实中还有对营造环境真实感和实时性的要求，虚拟现实系统希望虚拟世界可以实时生成，这就用到了真实感实时绘制技术。

真实感是在计算机中重现真实世界场景的过程。这可以通过模拟现实中物体的各种物理属性来实现。即通过贴图等方式来模拟物体的材质、纹理、光学特性、粗糙程度及物体之间的遮挡关系、景深位置等。

实时绘制是对虚拟现实场景的更高要求。用户与虚拟环境进行交互时，看到的场景应当随着用户视点的变化而实时更新。为了避免迟滞现象的产生，对系统图像更新的速度有很高的要求。另外，图像更新时，相应的场景的光照变化、纹理变化、反混淆处理等也需要复杂的计算过程，这就对实时绘制提出了很高的要求。

1.5 实时碰撞检测技术

碰撞检测是虚拟现实技术中一个重要的技术。在虚拟环境中，除了有静止的环境外，也会有许多运动的物体。物体的运动会产生物体间的碰撞。碰撞问题一般分为碰撞检测与碰撞响应：碰撞检测是通过计算物体间的相应距离来判断碰撞是否发生并反馈其发生碰撞的位置；碰撞响应是在碰撞发生后，根据碰撞点和其他参数促使发生碰撞的对象做出正确的动作，以符合真实世界中的动态效果。

由于虚拟环境中物体的几何模型往往由成千上万个面片组成，它的几何复杂度大大提高了碰撞检测的计算复杂度。同时，由于实时性的要求，碰撞检测又需要在很短的时间（如30-50ms）内完成，因而碰撞检测成了虚拟现实系统与其他实时仿真系统的瓶颈。

1.6 自然交互技术

作为新一代的人机交互系统，虚拟现实技术与传统交互技术的区别主要在于自然交互、多通道、高“带宽”、非精确交互技术等方面。

虚拟现实中强调自然交互性，即人处在虚拟世界中，与虚拟世界进行交互，甚至意识不到计算机的存在，即在计算机系统提供的虚拟空间中，人可以使用眼镜、耳朵、皮肤、手势和语言等各种感觉方式直接与之发生交互，这就是虚拟环境下的自然交互技术。目前，与虚拟现实技术中的其他技术相比，这种自然交互技术相对不太成熟。

2 立体电影中虚拟现实技术的应用

2.1 虚拟现实与3D电影

虚拟现实技术的发展与电影创作者息息相关，不仅最新的虚拟现实技术推进了电影技术的革新，电影制作者也在创作中对未来虚拟现实技术做出了大胆的构想，为未来虚拟现实技术的发展，带来了思考与启示。

立体电影是一种利用人类视觉的“偏光原理”在银幕上营造出三维立体视觉效果的电影形式[4]。1953年立体电影的首次出现，好莱坞为观众提供了戴着特殊眼镜观看如《布瓦那魔鬼》及《蜡屋》这类的惊险片。虽然传统的2D电影仍然是电影的主流，但立体电影技术从未停止发展。20世纪福克斯出品的3D电影《阿凡达》，2010年（美国为2009年）上映之后，引起巨大反响，引发了一场3D电影风暴。有人将立体电影技术称之为继有声电影、彩色电影之后的第三次电影技术革命。

2.2 CG三维图形生成技术

如今的电影特效中，许多人物、机械、场景都是通过如3DSMAX、MAYA、Zbrush等三维建模软件在电脑中制作。并通过灯光、材质等方式使模型达到与现实生活中高度一致的效果。然后通过合成软件与实拍的场景合成。

另外，也可以通过对现实场景的数据采集，利用计算机建立模型。非接触式三维激光扫描技术的数据采集可以提高建模效率，通过对扫描实体表面的离散化处理直接获取其三维坐标信息，它不受实体曲面复杂度的影响，通过建模来描绘自然界中事物表面的微观结构，并利用获取的数据重构出扫描实体所对应的曲面完成建模，制作难度简化，使用渲染速度的烘焙技术等诸多新技术，同时提高显示质量，实时生成三维图形[5]。

2.3 电影的高分辨率显示技术

IMAX（Image Maximum）意为图像最大化，是当今高分辨率显示技术的终极代表。它采用69.6毫米*48.5毫米的胶片，感光强度是传统胶片的10倍。为观众提供了更为清晰、明亮的影像画面，大大丰富了影像信息。IMAX技术与3D立体现实技术的结合，可以为观众带来最大程度的震撼感受。

2.4 Fusion 3D 摄影系统

传统的3D电影摄影系统一般利用两台摄影机，模拟人双眼的视角，然后通过后期合成，采用不同通道，输出后便可以通过偏振光眼镜看到立体的影像。Fusion 3D摄影系统是詹姆斯·卡梅隆团队拍摄《阿凡达》改进的3D数字摄影系统，代表了3D数字摄影系统的最高水平。Fusion 3D摄影系统可以以倒装的方式实现手持摄影，包括了11通道的运动控制：双机之间的独立汇聚控制，核心的双镜头同步跟焦、变焦及光圈控制，还有为维持支架平衡而设计的发光镜控制和基线控制等[6]。

2.5 运动捕捉与虚拟摄影

《阿凡达》团队为了能使导演在摄影时就能看到影片后期合成的效果，发明了通过预先利用三维建模软件建立三维场景和人物，将运动捕捉到的信息实时显示的系统。这个系统的实现有两个主要的工具。其一是手持的“虚拟摄影机”（Virtual Camera），它实际上是一个监视器，这个监视器的位置能在各个维度上被跟踪定位。另一个工具是“模拟摄影机”（SimulCam）它是一个贴着反光点的真实摄影机，位置被捕捉系统捕捉后，可以在CG（三维图像制作技术）世界中生成一个同样轨迹的虚拟摄影机，将实拍和CG两路画面以较高质量实时合成。电影制作者在计算机中的虚拟环境实现角色互动, 而人物在场景中的定位、面部表情和其它动作捕捉等各种摄影机技术，保障了协同工作的互动性与实时性, 从而实现实时人机互动[7]。

3 3D电影的现状与展望

随着3D电影热的到来，3D技术必将飞速发展，使观众们获得最大程度的视听享受。

3.1 发展前景

由于《阿凡达》的火爆，3D电影似乎是大势所趋。作为迅速发展的中国电影市场，自然也少不了跟上这股东风。2010年起中国立体银幕数量不断攀升，《魔侠传之唐吉可德》作为号称“亚洲首部全片3D电影”问世，遭遇了口碑与票房的双低，中国技术的软肋再次凸显。在好莱坞大张旗鼓进行3D革命的同时，中国3D电影业仍然任重道远。2010年以来，虽然在技术如此不成熟的情况下，仍有甄子丹、周润发主演的《大闹天宫》，张纪中拍摄的《美猴王》等3D国产大片推出。这些影片的投资与制作团队当然是《唐吉可德》无法相比的，但最终效果如何，也许只能等这些电影上映后再做分晓了。

在2010年的上海电影节上，3D电影成为热点，著名导演何平冷静的指出，中国目前的拍摄技术和市场还有一定的脱节，在技术问题上中国电影仍为“力不从心”的状况[8]。

3.2 裸眼3D技术

近年来，美国DTI公司、日本三洋电机公司、夏普公司、东芝公司等生产出一种可以不用戴立体眼镜，而直接采用裸眼就可以观看的立体眼镜显示器。Burberry 推出其3D全息走秀，LG、苹果等公司也相继展示了裸眼3D技术。虽然在影像的色彩、清晰度等方面无法与胶片电影比较。但相信随着裸眼3D技术的发展，裸眼3D电影必将在不久的未来出现。

3.3 交互式（互动）电影

2004年欧洲文化之都的“未来电影展”为公众带来了一个崭新的电影形式。“未来电影”让观众介入其中进行互动，自由地观看电影。影展参观者既是观众，又是演员，他们可以沉浸在影展展出的电影之中，这是电影的一种全息处理，不仅对眼镜，而且对身体的其他部位[9]。现在，互动式电影的研究仍在进行中。北京邮电大学数字媒体技术专业的师生们正在进行这方面的实验。

3.4 立体电影技术在电视方面的应用

2011年，广电总局在广播影视科技“十二五”规划中已明确指出要抓紧制定立体电视技术标准，同时开展相关技术试验与播出示范，提高立体电视制播能力，计划未来五年在全国开播多个3D立体电视频道。3D立体电视频道成为发展趋势，目前在3D立体节目匮乏的状况下，主要通过2D转3D的技术将原来的传统节目制作成3D影片。2D转3D可以通过带有3D通道的后期合成软件，将2D图像分离为深度图层，进行3D转换。但这种转换得到的影片与3D制作的影片仍有相当大的差别。

Pace HD与NBA合作，立体直播NBA全明星赛，实况通过光纤传送到一个600座位的立体影院和一个较小的体育网吧。Pace HD做的另一项现场立体报导实验是拍摄了NBA锦标赛中一场比赛，并把客场实况传回给主场球迷[10]。

4 结语

虚拟现实技术日益成熟，研究成果应用于众多领域。虚拟现实技术是一门新兴的学科，包括许多前沿科技，需要时刻关注相关技术最新的发展动向与研究成果。虚拟现实技术的发展推动了电影技术的革新，而电影人的创作从另一方面也为虚拟现实技术创新提供了源泉。3D立体电影今年来成为热门，也可以从侧面反映虚拟现实技术的革新对人民生活带来的影响。对于发展中的中国来说，无论是虚拟现实技术还是立体电影技术，离世界先进水平还有相当大的距离，与西方发达国家仍有技术上的差距，在不久的将来，虚拟现实技术在我国3D电影中的应用必有较大的发展。

[1]梁华勇. 虚拟现实技术及其在高校中的应用. 广州培正学院学报，2005（4）：61-63.

[2]陈谊. 虚拟现实技术及其应用.北京轻工业学院学报，1998（1）：36-40.

[3]陈谊. 虚拟现实技术及其应用.北京轻工业学院学报，1998（1）：36-40.

[4]徐红. 好莱坞跑步进入3-D电影时代. 电影新作，2008（3）：54-55.

[5]刘畅. 解析电影中的虚拟现实技术. 电影文学，2011（9）：27-28.

[6]朱梁. 电影《阿凡达》的数字立体和虚拟摄影技术. 现代电影技术，2010（2）：22-26.

[7]朱梁. 数字技术对好莱坞电影视觉效果的影响（二）. 影视技术，2004（12）：34-37.

[8]李九如. 3D电影时代是否已到来？——2010年中国3D电影遭遇滑铁卢.电影，2011（1）：31.

[9]阿妮克·比央西尼. 未来电影震惊银幕. 留学生，2004（3）：59-60.

[10]金悦译，章鉴校. 数字3D电影的进展. 现代电影技术，2009（2）：17-19.