不一样的潘多拉星球解读《阿凡达》的版本之谜

没人想到,《阿凡达》不仅是一部优秀的电影,而且在它的银幕下也隐藏着许多“秘密”。这些“秘密”让我们看电影也要像在电脑城装机一样,在行动之前做足功课,了解关于电影的种种专业知识。如什么是双机3D?什么是Real-D?什么是IMA X3D?被动式3D与主动式3D有什么区别?否则我们就会像被JS忽悠那样,在影院里“中计”,无法获得完美的观影体验。接下来,就让我们为你一一揭开《阿凡达》隐藏的所有“秘密”,让大家在《阿凡达》下线之前,不会留下任何遗憾。

卡梅隆十二年磨一剑的大片《阿凡达》最近以极其凶猛的势头席卷了全国的影院,《阿凡达》在中国内地放映的首日即创造3500万票房,达到有史以来的最高峰。而该片带来的视觉奇观和震撼性想象力,更令观众叹为观止。专业影评人士甚至认为该片能和《金刚》(1930版)、《星球大战》相齐名,是一部推动第三次工业革命的划时代影片,今后的电影将分为:《阿凡达》之前和《阿凡达》之后。

《阿凡达》上映的同时也带来了另一个与众不同的现象,虽然只是一部电影,但该片上映时却有三个不同的版本同时在影院播放。最先下线的2D版本没有任何立体效果,在普通影院均可播放。大部分人选择的数字3D版本则让观众看到一个与我们日常生活类似的三维立体空间,让大家感受到闪雷兽正在向你扑来,蝎式战机射出的导弹正从你身边飞过。影院可选择不同的3D放映系统来播放数字3D版本,如XpanD、Real-D、双机3D等放映系统,它们有各自的优缺点,让人选择起来并不容易。而最后一个倍受电影发烧友追捧的IMAX 3D版本除了同样能带来引人入胜的立体效果外,而且由于放映银幕巨大、音效突出,因此能带给观众最震撼的观影体验。不过要播放IMAX 3D版本必须使用其独有的幕布与播放设备,并在专门修建的IMAX 3D影院才能观看。

相信很多读者在阅读本文时至少已经观看过其中一个版本的《阿凡达》了,接下来就让我们了解一下这三个不同版本的《阿凡达》在制作上有什么特别之处?播放时各有什么特点?带给观众的体验效果各有什么不同?看看你是否值得再到影院去“复习”一下其它版本的《阿凡达》。

胶片数字俱佳《阿凡达》2D版简介

所谓2D版本就是目前最常见的普通平面电影形式,没有任何立体效果,不过因为《阿凡达》完全使用3D数字摄像机拍摄,所以其2D版本是通过技术转换而来。转换的原理很简单,3D电影的拍摄其实是同时拍摄了左眼和右眼(后文会具体介绍)的图像而成,因此转换的时候可以单纯使用左眼或右眼的内容,这样最后得到的视频就和只用一台普通摄像机拍摄的2D电影一样。

由于现在全国各家影院的数字化进程并不快,很多影院基本都处于数字胶片共存的局面,所以此次播放的《阿凡达》2D版本还有胶片和数字两种格式之分。说到数字和胶片的区别,简单地说就是传统胶片相机和DC的区别,即数字影像记录的是对原始图像的数字化模拟,更严格地讲是模拟影像细节而不是完整地记录细节;胶片却是利用化学物质以颗粒为单位完整地再现影像,而不是人为地模拟。胶片没有分辨率之说,但普遍认为在10米以上宽度屏幕上,数字放映机至少要有4K(4096×2160)的分辨率才能达到胶片的清晰度,而目前国内数字放映机基本上都只有2K(2048×1980)的分辨率。不过,现在2K机器的放映效果并不差,这主要是因为数字电影使用的编码方式和巨大的容量。目前数字电影使用的是Motion-JPEG2000的编码方式,比DVD的MPEG2、蓝光的VC-1和H.264都要先进,在高分辨率、高码率的条件下,其画质更优。同时一部电影动辄200GB～300GB的容量,保证了超高的码率(数字电影的声轨是存放在DVD上的,所以200GB～300GB是纯视频的体积)。笔者曾经比较过使用BARCO 2K数字放映机在电影屏幕上放映蓝光和数字电影的差距,发现在色彩还原和清晰度上,数字电影比起蓝光还是拥有明显的先天优势。其实现阶段大部分制作精良的电影,无论是国产片或是进口片,数字版的画质比起胶片版来并不会逊色太多。

首选双机放映《阿凡达》3D版本揭秘

3D电影拍摄原理

在了解《阿凡达》3D版本之前,首先让我们回顾一下3D电影的拍摄原理。

3D电影的D是英文Dimension(线度、维)的缩写,顾名思义3D电影可以让观众感受到一个与我们日常生活类似的三维立体空间,引领观众进入一个接近真实的虚拟世界。3D电影的拍摄原理来源于人眼的立体成像原理,人的两眼距离约5公分,两只眼睛除了瞄准正前方以外,看任何一样东西,两眼的角度都不会相同,即存在两个视角。这种细微的角度差别经由视网膜传至大脑里,就能区分出景物的前后远近,进而产生强烈的立体感。根据这一原理,如果对同一物体用两只眼睛视角的差距制造出两个影像,然后让两只眼睛分别只看到属于自己一边的影像,透过视网膜就可以使大脑产生拥有景深的立体感。因此3D电影在拍摄时,它会以人眼观察景物的方法,利用两台并列安置的电影摄影机,分别代表人的左、右眼,同步拍摄出两幅略带水平视差的电影画面。

大有学问的3D版放映方法

从3D电影的拍摄方法,我们可以看出放映的重点在于把3D电影拍摄的左、右眼影像分开,而分开的过程一般为以下两个步骤:1.将左右眼的图像分开投射在屏幕上。分开投射最好的方式是用两台放映机分别投射左右眼的图像(即大家常说的双机3D),这是效果最好的,相对于普通视频编码,M o t i o n -JPEG2000具有三大优势:1. 高压缩率,其压缩率比JPEG高约30%左右,采用Motion-JPEG2000编码的视频图像文件占用空间相对更小;2.支持无损压缩,这种压缩方式对于那些需要精确保存原始物体细节信息、需要呈现高保真图像画面的应用(诸如电影图像、医疗图像和建筑图像类的图像)是必须的;3.与现有的视频压缩标准相比,Motion-JPEG2000采用帧内编码,没有使用视频帧间的运动补偿估值和预测编码,从而大大提高了编码的抗误码性能。

亮度、对比度、饱和度、分辨率都没有损耗,目前双机3D、IMAX 3D都采用这种投射方式。索尼4K放映机的3D系统则是单机双镜分别投射两个2K画面,本质上跟双机3D是一样的,目前在北京、上海、苏州、重庆等大城市已陆续出现安装有双机3D的影院。从效果上来看,双机3D影院的亮度和整体效果会比使用单机的影院好很多。如果读者所在城市没有IMAX 3D又迫切希望体验最佳3D效果,就可以去那些安装了双机3D的影院观看3D电影,一样会获得很棒的感受。

而很多普通影院则采用单机3D放映,它基于单机3倍频时差式交替显示方法,也就是投影机连续切换投射左右眼的画面。这种方法的先天缺陷是会直接导致亮度的损失,同时容易出现重影。因为这类系统需要在镜头或眼镜处使用同步装置,而一旦使用同步装置则很可能因为同步不当,左右眼图像对应错误而出现重影。

2.对投射出的左、右眼图像进行分离,令眼镜左右眼分别接收属于左、右眼的图像,实现最终的3D成像。按分离的方法3D放映系统又分为主动式和被动式两种。所谓主动式就是利用眼镜加装同步电子装置,控制左右眼镜片LCD快门的同步开关来实现3D效果的技术,常用于单机3D放映系统。需要看到左眼内容时就把右眼的LCD显示黑屏,需看到右眼内容时就把左眼的LCD显示黑屏,所以这种方法的亮度损失是比较大的。这种方式也有另一个名字,叫做日蚀方式。

国内影院现在主要使用名为XPa nD的主动式系统,该系统安装很方便,影院只要连接一个控制眼镜何时切换的信号控制器到数字放映机即可。缺点就是亮度很低、眼镜成本高,一副眼镜需一两百美元。不过,因为安装简便、一次性投资成本低,令它成为现在国内最常见的系统。如果读者去影院看3D电影,发现眼镜做工较好、印有XPanD的LOGO,那就是采用的这套系统。

而被动式系统现在国内影院用的也比较多,这种系统利用了光线有“振动方向”的特性,将属于不同的眼睛的信息编码到不同振动方向的光线里。举例来说,将左眼应该看到的画面透过一道垂直的栅栏送出来,右眼的画面透过水平的栅栏送出来,这样就将左眼的讯号编码成垂直振动的光,同时将右眼的讯号编码成水平振动的光。在观看者的这边,则戴着一副眼镜,左眼同样是垂直的栅栏,右眼也同样是水平的栅栏,显然只有给左眼的讯号才能通过

垂直栅栏被左眼所看到,右眼的水平振动光线则会被挡住,如此就能给左右眼不同的影像。最后通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上,由大脑神经产生出三维立体的视觉效果,展现出一幅幅连贯的立体画面。

被动系统在国内主要有三种:1.杜比3D,通过在镜头处加装同步的滤光轮将光谱按不同波段分开再通过眼镜分别接收。杜比3D系统改装容易,国内应用也很广泛,该系统的弱点是对色彩的表现影响较大。

2.Real-D,通过DLP投影仪以144帧/秒的速度交替投射供左右眼观看的数字影像,同时利用设置于投影仪前方的圆形偏振光滤光器“Z Screen”改变右眼及左眼影像的圆偏振光方向。在戴上粘贴有偏光膜的专用眼镜后,右眼和左眼就可以看到视角各不相同的影像。同时其帧速率为通常24帧/秒胶片放映的6倍,使图像的闪烁得以控制。

此外,播放Real-D影片必须使用专门的“Silver Screen”金属幕,这种银幕为弥补偏光导致的反射降低,在表面蒸镀了铝,从而提高了反射率,使得Real-D在单机放映中拥有最高的发光效率。3.MasterImage,原理跟Real-D差不多,也是圆偏振,只是比RealD出现的更早些,镜头前加装的同步设备是较落后的转轮而非“Z Screnn”。被动系统的最大特点是眼镜便宜,而Real-D甚至有使用一次性眼镜的产品。网上有种理论,认为3D眼镜看上去做工越好说明3D的效果越好,其实这种说法是完全错误的。事实恰恰相反,比如胶片的IMAX 3D眼镜就和以前的红绿眼镜一样,Real-D的一次性眼镜看上去也是相当廉价,但它们的效果却是较为出色的。

然而,对于单机3D放映系统来说,无论是采用主动式放映技术还是被动式放映技术,现阶段它都有致命的缺点:亮度太低,播放3D电影的时候,发光效率只有原来的10%(Real-D由于必须采用镀铝的金属银幕、而非传统的白幕,发光效率三者中最高,大约有15%),换算成亮度大概是2D版本的1/4到1/5。因此,如果影院本来使用的灯泡就将寿终正寝,3D观影时观众就会觉得画面非常昏暗,达不到预期效果。虽然影院会通过使用高增益的金属幕来提高屏幕的亮度,但总体上来说,这些措施并不能取得显著的效果改善。如果你的城市既没有IMAX 3D也没有双机3D,那么笔者认为单机系统的Real-D将是首选,毕竟Real-D在亮度和串扰度这两项技术指标上要优于其它的单机3D放映系统。

更大更亮最受欢迎的《阿凡达》IMAX 3D版

首先需要强调的是,此次《阿凡达》并没有使用IMAX 3D摄影技术,如果使用IMAX 3D摄影,必须要用到重达113公斤的专用摄影机―也是由两台70mm的IMAX摄影机组合而成,拍摄起来十分麻烦。正是由于这个原因,现在的原生IMAX 3D影片可谓少之又少。大部分IMAX 3D影片其实都是从普通3D影片转制而来,此次热映的《阿凡达》也不例外。

从普通3D影片到IMAX 3D是完全的无损转换,换句话说IMAX 3D的版本就是为了能在大银幕上放映、而超高清处理过的普通3D版本,经转制到70mm胶片上后,影片的分辨率和色泽、饱和度得到提高。由于IMAX影院的先天优势,IMAX 3D比起普通3D影片的最大优点就是屏幕大、亮度高、声效好,所以IMAX 3D是观赏《阿凡达》的最佳选择。

什么是IMAX呢?IMAX即英文Image Maximum最大图像的缩写,所以IMAX的关键字就是一个字“大”。巨大的屏幕是IMAX给人的第一印象,标准的IMAX银幕为22米宽、16米高,而普通电影屏幕的宽度一般只有12米,高度只有5米左右。IMAX体验中的另外一个重要因素是它的音响,它采用的六声道超级音响系统能提供声响达125分贝的低音效果,而专门为IMAX影院设计的Sonics声源均衡喇叭系统经过精准的激光调校,观众无论坐在哪儿都能享受到高质量的音响效果。同时,为了使声音传播畅通无阻,银幕上还有成千上万个小孔。

为了在巨大的荧幕上保持完美的视觉体验,IMAX影片采用的是特殊的65mm底片及其专用摄影机摄制,然后冲印成70mm胶片。传统70mm胶片的影像尺寸为48.5mm×22.1mm,而IMAX胶片的影像尺寸为69.6mm×48.5mm,即“15/70”格式―胶片每格上有15个齿孔。因此,IMAX影片的每格画面的感光面积是普通35毫米胶片每格画面的10倍、传统70mm胶片的3倍。从而决定了在“巨幕”上投放出的影像比一般电影更清晰、更亮丽。这种胶片的拷贝非常笨重,放映时需要专门的起重设备或集合多人之力才能搬动。由于尺寸比一般的胶片大得多,所以IMAX胶片的进片速度也是一般胶片的三倍,每6毫秒就放映一格,每1秒钟放映的胶片长1.7米,每分钟则是102.6米,因此,时长两小时的IMAX影片,其胶片长度有12.312公里。

因为传统70毫米胶片在放大500多倍(即布满银幕)后图像不稳定,因此IMAX特别采用一种“波状环行”(Rolling Loop)的技术用于影片放映,增加了一个压缩空气装置来加速胶片传动,并把一个圆柱形镜头放在放映机前端,在放映过程中保持真空状态。这项技术可使电影胶片如波浪般沿水平方运行。在放映过程中,每一画格可由这个真空装置牢牢吸附在镜头的后部,使画面的稳定性大大超过常规标准,而图像更如水晶般清晰。IMAX放映机用螺钉固定,四颗螺钉和齿轮把放映机固定在完全水平的状态。IMAX放映系统还通过增加凸轮控制臂来抵消放映过程中的细微晃动,其快门长度也比传统设备长大约20%。放映机配备的短弧氙气灯亮度惊人,功率最大(15千瓦)的IMAX放映机发出的灯光,据说在月球上都能看得见。所以,IMAX放映系统造价高昂,且重达1.8吨以上。

虽然从技术角度来看,IMAX可以说是最出色的电影格式,但一直以来它并未得到普及。制作与播放IMAX的费用与运输困难使它的播放时间较普通电影更短(一般为40分钟,近年亦有90分钟的IMAX影片出现),题材大多为适合于科技馆等机构播放的纪录片。同时由于使用IMAX摄影机拍摄全长商业影片需要耗费的资金惊人,目前真正采用IMAX规格摄制和放映的商业片仅有少数几部,比如《蝙蝠侠:黑暗骑士》中有30多分钟片段,《变形金刚2》的4个场景。前者在香港的IMAX影院有过公映,后者在国内的大部分IMAX影院都进行了公映。在这两部电影发行的蓝光碟中也特别收入了IMAX内容,有兴趣的读者可以去比较一下IMAX和普通版视频的区别。

IMAX 3D则是IMAX立体影片的放映技术,而IMAX 3D系统早期也曾有使用类似XpanD的主动方式来实现3D,不过为了获得更好的观看效果,现在几乎全部IMAX 3D影院都选用基于被动技术的双机放映方式。然而《阿凡达》在IMAX 3D数字版本播放时曾出现了一个小小的问题,放映时,两台投影机投出的画面会有半帧的不同步,原理上这样会导致3D放映时前后景立体颠倒。为了纠正这一错误,影院对偏振器作了相应调整,但放映时只有非剧烈动态场面显示正常,一到快速动作场景,3D效果就“崩溃”了,电影变“平”了,直到动作戏结束后才回归正常。IMAX公司承认这个问题的存在,但表示现阶段也没有特别好的解决方法。而据IMA X公司所称,只有胶片版的IMAX 3D才能做到完全同步,所以笔者认为IMAX 3D胶片版无疑是观赏《阿凡达》的最佳选择。

事实上笔者也特地去比较了一下数字和胶片两个版本的IMAX 3D《阿凡达》,应该说没有特别明显的差异。细微的差异之一是胶片版的色彩还是更饱满一点,另一个差异是,如果坐在前面四排观看数字版,会有清晰度下降的感觉。至于IMAX 3D数字版高速动态画面的3D效果是不是有缺失,说实话笔者没有分辨出来。当然相对于普通单机3D而言,由于IMAX 3D全部都是双机放映,再加上IMAX放映机本身的高亮度,IMAX 3D超大的放映屏幕,观影体验要好很多。笔者在观摩IMAX 3D《阿凡达》时,就完全被其强烈的3D效果所震撼。作为一部完全使用3D摄影机拍摄的商业影片,《阿凡达》的3D效果可说是前无古人的,特别是片中潘多拉星球景观的层次感、动植物的真实感,完全能让人有身临其境之感。最后需要提醒大家的是,观看IMAX电影请尽量选择坐在靠后排中间的最佳位置。如果观看3D电影中觉得头晕眼花,请马上闭眼休息片刻。

制作《阿凡达》3D版的秘密武器

1. Fusion 3-D Camera System系统在拍摄《阿凡达》3D版时,卡梅隆和他的技术团队最大的创举是发明了整合两台摄影机镜头的3D影像拍摄设备,这种拍摄设备将摄影机的存储设备从机身上剥离了出来(镜头通过线缆与存储设备相连,并将拍摄信号传送给存储设备),使得拍摄设备的重量大为减轻,制作人员可以十分轻松地从各种角度进行拍摄,这就是现在大名鼎鼎的Fusion摄影系统(Fusion 3-D Camera System)。为了充分模拟人眼的立体视觉,这种摄影机的双镜头不仅保持着2.5英寸的间隔,还能根据目标距离的远近像人眼球一样调整角度,并将数据传回相应的EVS XT成像处理系统进行合成,制造出类似人眼的立体景深感受。整部电影大约使用了8部SO N Y的HDC-F950数字电影摄影机和8部CineAlta F23数字电影摄影机。其中两两组合,共开发了8套这种双机的3D摄制系统。

2.提高拍摄效率的虚拟摄影机然而仅仅有了3D摄像机还不够,要让演员在充满CG虚拟场景的环境下准确表演,还必须依靠卡梅隆和维塔数码合作开发的一套实时渲染工作站。对于演员们来说,在虚拟空间中进行表演是一个巨大的挑战,对于卡梅隆也是个问题,他并不想等上几个月后在电脑显示屏上选择自己想要的镜头和角度。虚拟制作总监格伦•德瑞为此开发出一种虚拟摄影机,让卡梅隆在拍摄时看到的不是空洞的舞台,而是将在电影中出现的3D世界。拍摄时,画面以亚毫米的精度直接生成3D视频数据,这些数据以数据流的形式进入一套Autodesk软件,该软件可以实时把演员的表演转换成低分辨率的CG形象和CG环境,将真人表演与计算机生成图像(CGI)融合成电影中应该出现的场景供导演观看。卡梅隆可以在表演结束后马上选择最佳的镜头和画面,这为导演进行有效指导调配提供了极大方便。与此相反的是,数年前,斯皮尔伯格和他的视觉特效公司工业光魔在拍摄《世界大战》时,斯皮尔伯格虽然事先能估计出电影屏幕上的外星机器人会往哪个方向走,但他始终没办法在自己的摄影机上真正看见这个画面。

3.NVIDIA PantaRay 光线追踪系统前一段时间火热上映的《2012》中仅使用了130多个需要模拟的特效镜头,但通过电脑完成这些镜头的渲染就用了四个月时间。而《阿凡达》有60%的画面、800多个虚拟角色都是无法实景拍摄的,渲染工作量数倍于《2012》。因此为了在更短的时间内完成复杂场景的渲染,同时花费更少的成本和使用更少的处理器,维塔数码选择与NVIDIA合作开发新的光线追踪引擎。为此,NVIDIA研究院资深设计师Jacopo Pantaleoni及其团队远赴新西兰,常驻当地数月之久,开发出了名为PantaRay的全新预计算引擎,来为维塔数码的渲染系统赋予高性能计算能力。PantaRay专为加速场景遮挡信息的预计算而设计,能够对基于图像的照明进行快速而动态的重新计算,让维塔能够在更短的时间内渲染更复杂的场景,同时花费更少的成本、使用更少的处理器。因此,制作人员便能够更快地迭代以及执行更多更改,最终取得高画质、照片般的逼真效果。

同时为了更快地完成渲染工作,NVIDIA将PantaRay引擎移植到采用CUDA架构的GPU上,这一移植实现了25倍速度提升,所使用的硬件是基于NVIDIA Tesla S1070GPU的服务器而非传统的CPU服务器。“使用PantaRay后,我们仅用了一天半时间就对一座长满树木的大山完成了预计算。”维塔工程师Fascione称:“如果使用之前的方法,这一镜头将需要一周时间才能完成。PantaRay的计算能力使事情变得大为不同。”

附国内主要IMAX影院一览:

IMAX数字:

1. 北京华星影城双安店(高18米,宽26米,总面积468平方米,座位数387)

2. .北京石景山万达影城(高12.6米,宽21.3米,总面积268平方米,座位数433)

3. 长春万达欧亚影城(高13.4米,宽21.8米,总面积292平方米,座位数556)

4. 长沙万达影城(高16.5米,宽22.5米,总面积371平方米,座位数425)

5. 天津中影国际影城(高13米,宽21.5米,总面积279.5平方米,座位数377)

6. 无锡大世界影城(高10.6米,宽19.1米,面积202平方米,座位数378)

7. 昆明百老汇影城(高12米,宽21米,总面积252平方米,座位数294)

8. 武汉环艺影城(高15米,宽22米,总面积330平方米,座位数648)IMAX胶片:

9. 上海和平影都(高15米,宽20米,总面积300平方米,座位数358)

10. 中国电影博物馆(高21米,宽27米,总面积567平方米;座位数403)11. 东莞万达影城(高22米,宽28米,总面积616平方米,座位数561)