大话3D应用

编者按：新的一年，“高手论技”继续伴随大家前行，身处一线的你，就那些技术上最常遇到的故障、最需要解决的难题、最成熟的应用……都可以在此畅所欲言，各抒己见。是继续围观还是现身说法，新浪微群http：//.cn/264976，期待您的共同参与。

随着电影《少年派的奇幻漂流》的热映，公众对视觉享受的追求也越来越高，但对于拍摄电影所采用的3D技术原理却知之甚少。正如导演李安所说，“3D发人深省，它是新的视觉语言，要怎么样处理，怎么样让那个东西跟观众沟通，摄影机看到的是事实，可是观影是用心在看。”在此，主持人和嘉宾将分两期对3D所涉及的众多技术进行回顾、阐释和讨论。希望，有一天，教育也能有一些3D的元素。

主持人：

邱元阳 河南省安阳县职业中专

嘉宾：

刘宗凡 广东省四会市四会中学

陈守家 山东省潍坊商业学校

邱元阳：3D电视的扩展应用

在一些具有不闪式3D功能的电视上，还可以在偏光3D的基础上扩展出另外一些颇有价值的应用，如一屏双显、双通道、同时看、多屏互动等。虽然叫法不同，但实际功能和原理基本相似。例如，双通道电视，就是利用偏振方向不同的左右眼视频画面可以为偏振光眼镜正确分离的原理，将两路完全不相干的视频信号（如两个不同的电视节目频道）分别置于左右眼视频画面中，一个是垂直方向的偏振光，另一个是水平方向的偏振光，而对应的眼镜则是两副，一副是水平偏振光的镜片，另一副是垂直偏振光的镜片。不同于观看3D节目的眼镜的是，每副眼镜的两个镜片是完全一样的，但两副眼镜是不同的。这样一来，戴上其中一副眼镜的人，只能看到左眼画面，即混合视频的其中一个频道，而戴上另一副眼镜的人，看到的是右眼画面，即混合视频中的另一个频道。这样就实现了在一台电视上可以让两人或多人同时观看两个电视节目的功能。

当然，视频画面是分开了，音频也需要分开，这样才不会互相干扰。在具有此功能的电视上，音频的分离是借助无线耳机进行，即两路音频的其中一路是通过电视机的音箱发出声音，另一路音频是由无线耳机发出声音。观看主画面的不需要戴上耳机，观看另一节目画面的人就需要戴上无线耳机，才能听到对应节目的声音。这种方法比较完美地实现了一家人同时在同一台电视上观看不同频道和节目的功能，从此不用再为各自喜爱的频道争抢遥控器。

利用偏振不同的视频画面的混合，还可以进行欺骗性的视频加密。将需要加密的视频画面偏振处理后混合到正常画面中，用特定的偏振光眼镜来解密观看。

陈守家：在普通电视上观看3D视频

在普通电视上观看3D视频与在电脑上观看一样，关键是具有互补色格式或左右格式的片源，以及相应的观影眼镜。

从观看效果上来说，推荐使用左右格式的视频。这里即以此为例，简述在普通液晶电视上观看3D视频的方法。

首先，电视必须具备外接存储设备的功能，如USB接口或SD卡接口，现在的液晶电视一般都有此功能，或者可以通过HDMI传输电脑上播放的视频。

其次，找到变形左右格式的3D视频文件，确认文件的视频格式为电视机所支持，如果不支持可以先用视频格式转换工具转换一下。

再次，将这些视频文件复制到U盘中，插入电视机的U盘接口，启用电视机的视频播放功能，找到相应的盘符文件，进行播放。

最后，戴上观屏镜，调节左右眼视角到合适程度，即可观看到3D效果。

由于光线反射的原因，光路变长，用观屏镜看到的图像会比原画面小一些，也就是比原来左右格式的一半小一些，而且画面是横向压缩的（如果不是变形的左右格式视频，看到的画面也不会变形，但屏幕利用率就低了许多）。一些高级的观屏镜，可以进行拉伸和放大调节，还原原来的画面，使看到的画面不再变形和缩小。

同样，在电脑上也可以使用观屏镜观看左右（或上下）格式的3D视频，而且可以使用专门的3D播放软件进行播放，对于左右半宽和上下半高的视频还能还原为原来的比例。如果观屏镜的质量较好，调节正确，配合双显输出，其3D效果是很令人满意的，亮度和清晰度都没有损失。

从原理上看，观屏镜的画面质量效果是最好的，但在实际操作中，可能会出现各种问题，最常见的就是左右画面没有完全重叠，看起来有些虚幻、眩晕甚至没有立体感。另外，每次观看都需要根据个人眼睛和观看位置重新调节，调节好之后，需要固定不动来观看。而如果转一下或抬一下头部，都会使左右画面的重叠发生变化，进而影响到观影效果，对于视野变小和画面中部有残影，也要有心理准备。

而互补色格式的视频，其效果可能各不相同，有的立体效果明显，有的则有些头晕。一方面取决于视频的制作质量，另一方面也取决于眼镜的滤色能力。

邱元阳：以假乱真的3D图片

人眼的焦距是可以调节的，当我们对焦于某一物体时，这一物体看起来就非常清晰，而与它不在同一层次的物体，如比它稍远和稍近些的物体，在我们眼睛的余光中，就成为重影状态，即明显的有两个虚影。利用这个特点，如果我们故意将焦点对于想观看的物体之外，这个物体在眼前就会形成两个影像，分别是左右眼看到的影像。最初的散焦式3D图片就是利用这一原理，让读者使用“对眼大法”，用类似“斗鸡眼”的方法来看图片，使左右眼的两个虚像在某一位置重合，产生画面的立体感。为了帮助观看者对准焦距，有的图片上会做一个用于对焦的记号，一般是相距某一距离的两个十字标记，观看时让这两个标记在视野中重合，就会出现立体效果了。

散焦式的3D立体图片，观看时需要一定的技巧，而且长时间观看对眼睛有一定的危害。当图片是静态的时候，可以有非常好的立体效果，如果画面动起来，眼睛对焦有可能发生改变，立体效果就会瞬间消失。因此它适合于静态图片，而不适合于动态的视频，这就是为什么没有散焦式的立体视频格式的原因。

红蓝式的立体图片也比较常见，需要配戴红蓝眼镜来观看，由于滤色的原因，色彩信息会有很大损失。而左右式的立体图片，则需要用观屏镜来观看。由于立体图片常常需要印刷到纸介质上，因而一般没有像振光形式的。另外有一种具有立体效果的3D光栅立体印刷，是在图片上覆盖带栅条的透明塑料膜，利用光线的折射在不同观看角度形成不同的图像，常用于室内的立体画和文具设计上。

知道了立体图片的原理，我们自己也可以拍摄和制作3D立体照片。

首先当然是准备相机了，如果有两架一样的相机当然最好，没有这样的条件，用一台相机也完全可行，就是麻烦一点儿。为了保持图像位置的准确，三角架是必须的。第一次拍摄，确定好距离和角度，作为左眼图片，记好取景框位置。然后向右平移一定距离，取景框仍保持原位，拍下第二张，作为右眼图片。注意平移的距离，可以掌握在被拍物体距离的三十分之一，也可以用两次视线的夹角来确定。如果想要出屏效果明显，可以稍微增加平衡距离或夹角，如将夹角保持在大约15度，左右眼照片就会有很大的视差。

拍摄好的左右眼照片，可以并放在一起成左右格式，也可以用专门的软件合成为红蓝图片，还可以在图像处理软件中直接做成GIF格式的图片。

刘宗凡：3D电影与3D动画

说到3D，其实有两种理解，一种是视觉效果上的3D，如3D电影；另一种是设计制作上的3D，如3D动画。有3D效果的立体电影不一定是用3D设计软件制作出来的，同样，3D动画软件制作出来的电影也不一定是立体电影。立体电影可以用3D软件在电脑上制作，也可以用双机位同步分视角拍摄完成。

即使不是立体效果的，3D动画软件制作出来的作品也要比平面动画作品效果好很多，同样，3D游戏的显示效果也远胜于2D游戏。目前已经有了真正意义上的立体效果的3D游戏，在特有设备的支持下，还可以用手势和动作与游戏中的角色进行三维互动，具有非常逼真的临场效果和角色体验。

作为电脑美术的一个分支，3D动画是在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上形成的一种相对的独立新型的艺术形式。早期主要应用于军事领域，直到上世纪70年代后期，随着PC机的出现，计算机图形学才逐步拓展到诸如平面设计、服装设计、建筑装潢等领域。上世纪80年代，随着电脑软硬件的进一步发展，计算机图形处理技术的应用得到了空前的发展，电脑美术作为一个独立学科真正开始走上了迅猛发展之路，从平面领域扩展到3D领域。

常用的三维动画制作软件有Maya、3ds Max等。

Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告、游戏角色动画、电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。

3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。3ds Max最初运用在电脑游戏中，用于制作动画，后更进一步参与影视片的特效制作，如《X战警II》、《最后的武士》等。3ds Max目前的工作方向主要是面向建筑动画、建筑漫游及室内设计。

Softimage公司是加拿大Avid公司旗下的子公司，其Softimage 3D是专业动画设计师的重要工具。用Softimage 3D创建和制作的作品占据了娱乐业和影视业的主要市场，《泰坦尼克号》、《失落的世界》、《第五元素》等电影中的很多镜头都是由Softimage 3D制作完成的，创造了惊人的视觉效果。

此外，还有一些3D设计软件可以用于3D动画的辅助制作，如3D雕刻软件ZBrush，3D造型软件DAZ Studio和Mudbox，3D人物造型动画软件Poser，3D绘图软件Cinema 4D，3D建模软件Rhino，而3D动画软件Blender，3D渲染软件Lightwave 3D等更是直接可以用于3D动画制作。虚拟现实的游历动画更是要依赖于3D设计软件。

目前，一些二维软件也渐渐向3D方向发展，如Flash中就增加了骨骼和3D的功能，更有三维Flash技术的出现。三维Flash利用了计算机图形学技术，将需要展示的产品在计算机中先进行逼真的三维模拟运行演示，然后再通过专业软件压缩转换成一个完全适合在网页上流畅运行的Flash文件。和视频比较，它可以和普通的Flas一样设置功能按钮，点击按钮就可以实现互动，可自由观看不同的演示。它也不是Web3d（3D网页），播放Web3d要有相应的插件，浏览者等待的时间很长。而三维Flash在网页上运行很流畅，浏览者无需下载插件（Flash插件基本上成为了PC机的软件标配，为所有的浏览器所接受），打开网页就可看到产品演示。

邱元阳：2D与3D的转换

2D与3D的区别是明显的，如果能够实现二者之间的转换，无疑会具有很现实的应用意义。

一般的3D电视都具有一键转换功能，可以将当前播放的3D视频只显示其中的左眼画面或右眼画面，成为普通的2D视频，在没有3D眼镜的情形下观看；也可以将2D的节目一键转为3D效果，增加立体感。当然，这种“伪3D”的效果肯定不能与真正的3D效果相比。它只是将同一画面进行小幅度的平移，形成另一个画面，因为两幅画面虽然稍有不同，但是不存在视角差，所以立体效果并不明显，只是增加了一些立体感而已。

在3D视频播放软件中，也有类似的功能。例如，最常见的3D播放软件Stereoscopic Player在显示方式中，用“普通视频，仅显示左画面”，就可以2D方式来观看3D视频；而对于普通视频，在画面布局中，选中“2D和景深”，然后把显示方式设为“水平排列，左画面居左”，就成为水平格式仿3D视频了，可以用观屏镜观看，当然也可以设为“分色立体”，用互补色眼镜来观看。两个画面的视差还可以用快捷键随时调整。

值得一提的是，Stereoscopic Player具有非常灵活的3D视频播放设置，不仅支持各种3D显卡、显示设备、3D眼镜，还可以随时切换不同的3D播放模式。例如，视频源文件是左右格式的，而我们只有红蓝眼镜，那么就可以设置显示方式为“水平排列，左画面居左”，再设置为“分色立体”，“优化立体－红、青”，视频就会以红青互补色形式播放，用红蓝眼镜正常观看。画面比例也能根据视频文件的特点进行调整，如左右半宽的3D视频，可以用半高方式调整为正常比例，再用分色立体的模式播放观看。

由3D转为2D，是没有什么技术难度的，因此一般的2D与3D之间的转换，都是针对2D转为3D的，也就是所谓的“平转立”。

视频的平转立，可以使用3D视频编辑软件如StereoMovie Maker来进行，其过程跟制作真正的3D视频一样，不过左视频和右视频都使用同一个2D普通视频而已。不同之处是，右视频需要向后移两帧，在混合视频时再用滑块左右拖动调整。输出格式可以选择左右格式，也可以选择互补色格式。在预览时可以用红蓝形式预览，戴上红蓝眼镜，边看边调整，直到满意为止。

不仅在视频方面有平转立的需要，在图片方面同样也有平转立的需要。静态图片要转为3D立体图片，可以调节的细节比较多，如视差、景深等，可以先在图像处理软件如Photoshop中进行，制作出左图和右图后，再到3D图片制作软件（如i3D Photo）中进行合成。

使用Photoshop进行平转立的方法很多，效果较好的有“自由变换+液化滤镜”，以及“灰度图+置换滤镜”。前者能够实现很丰富、夸张的立体效果，后者容易操作，效果比较逼真。不同于拍照制作立体图片，这种平面图片转换为立体图片的过程需要一定的耐心和图像处理水平，中间可以借助PSDto3D等软件进行。

如果觉得自己制作平转立比较费力，可以直接使用3D电影转换软件，如MediaConverter就可以对普通的2D视频、照片进行转换，得到有立体效果的3D视频，并且支持输出左右双流格式和红蓝格式。

陈守家：3D视频的传输技术

要在网络上实时观看3D视频，还涉及大数据量的传输问题。

如果使用当前经典的通信技术来传输3D视频，还需要解决一些3D视频特有的问题。目前，基于IP技术的传输方法是最为主流的传输方法，采用基于IP的流媒体技术来传输3D电视内容也是最直接的方案。但是，3D电视所需要的传输带宽非常大，而且数据之间还有非常紧密的联系。

在使用流媒体技术来传输3D视频时，通常要引入线性频谱来描述。频谱的最左端是计算机图形学中的视频合成技术，频谱的右端是各类实时图像的图形混合技术，即将深度信息同图像数据加以混合，生成3D场景的技术。像光场之类纯粹的3D视频技术，则位于频谱的最右端。通过这个频谱可以看出，其中涵盖的技术千差万别，所要求的通信环境也不一样。例如，图形信息并不需要大的传输带宽，但是其信息损失容忍度非常低。纯粹的图像数据对数据损失要求不是很高，但是却要求非常大的传输带宽。

由于3D视频的数据传输量非常大，因此需要高效的压缩算法。从传输的角度看，引入压缩算法会提高信息之间的相关性，并降低信息损失时的弹性。多视角压缩算法使用了视角间预测的方法，因此就会增加不同视角间的相关性。

目前用于2D视频的传输算法已经得到了深入研究，在3D视频传输时采用这些方法也较为适用。但是，用于3D视频的损失隐藏技术仍然需要进一步研究，另外一个需要研究的部分是3D视频的多视角显示相关性。因为观看者在收看时，会改变自己的观看角度，因此显示的视频也需要实时变化。否则，最终呈现的图像也会变得极不真实。同传统的2D图像传输技术不同，3D需要传输多个视角的画面，使得传输的数据量提高数倍。

刘宗凡：亦真亦幻的三维全息投影

2012年美国选举期间，CNN的竞选辩论节目是美国观众的焦点之一。CNN女主持Jessica Yellin的全息三维影像出现在直播间里，与著名主持人Wolf Blitzer面对面交谈。直播节目期间， Jessica本人却远在芝加哥。

对科幻迷来说，这个场景是不是似曾相识？不错，这就是1997年的科幻大片《星球大战》中的一幕：黑武士与西斯皇帝对话，西斯皇帝就是以三维全息影像的形式出现的。曾经的科幻电影中的一幕已经成为现实，这就是三维全息投影技术。从目前来看，这是可以预见的显示技术的最高标准。

在今年1月份的国际消费电子展（CES）上，也展出了一种三维全息投影技术，它是利用水蒸汽当屏幕来进行全息投影的。实际上，在美国、日本等多个国家，都已经有了完美的三维投影的实验室效果，多以空气、四面锥体的玻璃或其他透明材料作为光的反射介质。

三维全息投影也称虚拟成像技术，利用光的干涉和衍射原理，记录、再现真实物体的三维图像，人们无需配戴眼镜，就可以看到立体的虚拟影像。

实现三维全息投影第一步是拍摄过程，利用光的干涉原理记录物体光波信息。被拍摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束，另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息照片。

第二步是成像过程，利用光的衍射原理再现物体光波信息。全息照片就像一个复杂的光栅，在相关激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，三维全息投影技术真正呈现的是3D影像，可以360度自由观看影像的不同侧面。

看起来全息投影技术与裸眼3D技术很相似，它们之间确实有联系，但也有很大区别。全息技术属于裸眼3D的广义范畴，裸眼3D不一定是全息技术。

多数情况下，我们说裸眼3D是狭义的定义，主要是与戴眼镜的快门3D技术和偏振光3D技术的区别。狭义的裸眼3D，对视角、距离都有一定范围的限制，而且，不管从什么视角和距离来看，看到的东西是完全一致的。

而全息投影的对象支持多角度观看，不同视角看到的内容都不一样，就像看真实物体一样。比如，我们在前面看到的是人脸，绕到后面看到的就是后脑勺。

2012年的春晚，我们可能忘记了哪些大腕出场。但场景的美轮美奂、逼真生动，给了我们非常强烈的震撼。例如，在萨顶顶演唱《万物生》时，我们可以看到花瓣的散落，极具立体效果，萨顶顶仿佛穿行于阿凡达一样美丽的星球，极具真实感。全息影像制造的虚幻景象让我们身临其境。该技术在此次春晚中被大量使用，主要是成功地营造氛围，配合升降机械组成的台型变化，利用电视镜头，延伸了舞台的纵深感和空间感，实现了以假乱真亦真亦幻的多维立体效果，给了我们一场视觉的盛宴。

邱元阳：从虚拟走向真实的3D打印

3D影像技术给了我们真假难辨的视觉享受，而近年出现的3D打印技术，已经可以将虚幻的影像变成实实在在的物体，这将极大地颠覆我们的想象。

简单来说，3D打印是运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过一层又一层的多层打印方式，打印出立体模型。3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

全国首家3D打印照相体验馆日前落户西安高新区，顾客等上两个小时，就能拿到一个立体版的自己。顾客可以将自己的全身外形扫描至计算机，随后3D彩色打印机就能打印出3D版的人像模型。尽管不是1∶1的比例，但人像的真实程度毫不逊色于蜡像馆中的蜡像，而且3D打印人像模型的制作时间大大少于过去的手工制作时间。

3D打印给了我们极大的想象空间。例如，我们使用食品原料，可以打印出各种食品；通过网络传送药品配方，在某些缺乏药品的地方方便地打印出来；可以打印机械零件，可以打印人体器官……3D打印无疑将成为下个十年最激动人心的发展之一。以后普通人也可以在家制造出各种物品，只有你想不到，没有做不到。

在2011年，3D打印曾经形势一片大好，打印食品、打印枪支，甚至打印出房屋，让人惊讶不已，似乎高科技的生活已经呈现在眼前了。然而，这其中很多都是噱头，大多还只处于实验阶段，根本没有推广应用的能力。3D打印技术本身也还有很多缺陷，如强度问题、精度问题、材料问题等都制约着大规模商用的可能。工业级的3D打印价格昂贵，生产企业对新产品的研发设计以及模型的更新速度很难跟上市场需求，也使得3D打印只是赢得一片叫好声，却缺乏市场。

但是，不管怎么说，3D打印在技术上已经实现，已经成为未来生产方式的一种可能。2012年，可用于器官移植的人造人体器官的3D打印已经实现，我们完全可以乐观地预想，3D技术带给我们的不仅是视觉的冲击，也是生活的便利。