CN101000460A - 一种环幕立体电影图像的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环幕立体电影图像的制作方法，为解决现有三维动画软件在制作环幕立体电影时最佳观看点不能偏离环幕中心的问题，本发明是在三维软件中，用有N个矩形面的内接棱柱面来近似地替代圆柱面，让代表最佳观看点的基点10偏离圆柱面的中心12和轴线13；分别以N个矩形面作为参照面，创建和设置N对渲染镜头，使每对渲染镜头的两视轴都与对应的参照面垂直，并使每对左右有效视锥以对应的参照面为公共截面；用这2×N个镜头同时渲染三维场景的每一帧；然后，依次拼接N个左渲染镜头所渲染的图像和N个右渲染镜头所渲染的图像，以形成具有视差效果的、分别对应于左右眼的圆柱面立体图像，最终可得到有连续动态效果的环幕立体电影画面。

Description

一种环幕立体电影图像的制作方法

技术领域

本发明涉及数字电影技术，具体是一种运用计算机三维动画制作软件，制作环幕立体电影图像的方法。

背景技术

三维(3D)动画作为近年来新兴的计算机艺术，已经在许多行业得到了广泛的应用。三维动画是由计算机用特殊的动画软件给出的一个虚拟的三维空间，通过建造物体模型，把模型放在这个三维空间的舞台上，从不同的角度用灯光照射，然后赋予每个部分动感和强烈的质感得到的效果。制作三维动画时，首先要创建物体和背景等三维模型，然后让这些模型在三维空间里动起来，再通过三维动画软件内虚拟的“摄影机”去“拍摄”模型的运动过程，最后才能生成栩栩如生的数字电影画面。

目前比较成熟的三维动画软件主要有MAYA、3DS MAX、SoftImage 3D等。但这些三维动画软件仅能提供渲染面为平面的渲染(Rendering)方式，也就是说，其产生的画面只有在平面银幕上显示时，并且平面银幕的方位与渲染镜头的渲染面平行时，才能正确还原出三维动画软件中所定义的场景关系，得到透视正确、无变形的画面。

另一方面，环幕立体电影是立体电影和环幕电影的结合，它用多个放映机组将画面在银幕上拼接成完整的环幕画面，让环形银幕将观众包围并占领观众的视野，通过高清晰的画面使观众可以沉浸在具有立体效果的电影情景中，再加上逼真的环绕立体声，为观众带来身临其境般强烈的视觉震撼效果。环幕立体电影的出现，增加和丰富了电影的艺术表现形式，在许多娱乐场所、主题公园及科普场馆得到了较为广泛的应用。

传统的电影拍摄方式不能拍摄具有立体效果的环幕电影。计算机三维技术的发展，为制作环幕立体电影提供了可能。申请号为CN 01107598.8的专利文件于2002年10月2日公开了一种数字环幕立体电影的制作方法，但该方法在以下4个方面存在缺陷和不足：

1、该专利在权利要求1的第c项中称“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”。该专利规定两视轴彼此相交而不是彼此平行，两视轴也不垂直于代表银幕位置的窄条。图1是该专利的，是该专利所设计的普通视差模型，图1中位于基线左右两端的渲染镜头，其两视轴互不平行，也不与对应的银幕垂直，而是彼此相交于前方银幕的中点。

在三维软件中，渲染镜头的渲染面总是垂直于视轴方向的(类似于真实的摄像机或摄影机，其感光底片总与它们的拍摄方向垂直)，由于左右两渲染镜头的视轴都不与银幕垂直，所以它们的渲染面即不平行于银幕面，也不互相平行。由于两渲染面和银幕面不平行，渲染出的图像映射到银幕上后，都会产生透视误差，从而不能准确地还原三维场景中所定义的景物透视关系，其效果相当于本应放映到与视轴垂直方向上的画面，却放映到了与视轴不垂直的银幕上，这种差异会给观众带来透视关系的误差。

此外，实际上，人的左右两眼在观看前方的景物时，视线方向是基本平行的，用视轴不平行的渲染镜头来模拟人的双眼，也不符合人眼的观看习惯。

2、该专利在权利要求1的第c项中称“使基线中心与所述圆柱面中心重合”。该专利规定基点即处在圆柱面的轴线上，同时也位于圆柱面高度方向的中点上。

该专利不适用于基点处在圆柱面中心以外的情况。基点的位置是对应于观众观看环幕电影时的最佳观看点，在最佳观看点处，三维场景所定义的景物空间关系能够得到最好的还原。而实际上，基点的位置不应只限于圆柱面的中心，理论上应可以是圆柱面内的任一点，以适应不同剧场中观众坐席位置的不同。若观众偏离环幕中心点越远，就越会明显地感觉到透视误差和错切变形。例如，当观众在环幕底部附近观看电影画面、而基点却设置在圆柱面中心时，则在三维场景制作过程中，本意是想让某个景物处在观众的正前方，而此时观众通过电影画面看到的景物却位于斜上方，并且存在纵向的错切变形。这种因偏离基点观看而形成的方位差异和错切变形，也属于透视误差。

在通常情况下，观众不会位于环幕的中心点附近，因为这个位置很可能会挡住电影放映机所投射的光路，观众通常是在中心点的下方以一定的仰视角度来观看环幕电影的画面。因此，发明一种最佳观看点和基点的位置能够任意指定的方法是有必要的，以确保基点偏离圆柱面中心时，也能得到透视关系正确、没有变形的环幕立体电影画面。

3、该专利在权利要求1的第d项中称“对于待制作影片的每一帧，饶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)”。对于要渲染的同一帧场景，该专利仅用一组渲染镜头分次渲染整个画面，在相邻窄条的渲染间隙进行旋转镜头的操作。

这种方法在实际操作中是非常烦琐的，需要在渲染完某一窄条后，重新设置镜头的视轴方向，使这组镜头对准相邻的窄条。以该专利文件中的一个实施方案为例，若有6个子银幕，每个子银幕有8个窄条，那么就要在每帧的渲染过程中进行旋转操作48(6×8)次，而一部完整的电影往往由数万帧甚至十几万帧画面组成(标准的电影画面每秒为24帧)，其旋转操作量是非常巨大的，即使运用计算机程序来实现这些旋转操作，也是非常困难和难以管理的，甚至不具有可操作性。

4、该专利在权利要求1的第b项中规定“子银幕数量N”；在e项中称“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”；在权利要求3中称“当银幕呈圆柱面时，取6个子银幕”。该专利规定子银幕数与放映机组数对应相等，都为N，并且又规定N永远等于6。

然而，子银幕数无需与放映机组数对应相等。在实际操作中，放映机组数主要由放映机所覆盖的画面范围来决定，当每组放映机在环幕上投射的画面范围较大时，只需较少的放映机组就能覆盖整个环幕画面，反之，就需要更多的放映机组。而子银幕数应等于窄条图像拼接后的画面分组数，这个分组数与计算机对数字图像的处理能力有关，如果计算机的图像处理能力强，能够处理更大分辨率的图像，则拼接后的画面可以少分组或不分组，反之就要多分组。因此，子银幕数与放映机组数是由彼此无关的条件所决定的，两者没有相等的必要。此外，在计算机数字图像处理能力不断提高的情况下，如仍将银幕分成6个子银幕来处理图像，显然没有充分利用计算机的资源，在操作和管理上也显得烦琐。

发明内容

针对现有技术和专利CN01107598.8的上述缺陷，本发明将重新设计普通视差模型，以适应基点偏离圆柱面中心的情况；并预先设置好所有的渲染镜头，以避免渲染过程中频繁的操作，提高渲染效率；同时不规定子银幕数，以便更灵活地适应计算机图像处理能力的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种环幕立体电影图像的制作方法，其中利用计算机三维动画制作软件，按以下步骤制作具有视差效果的圆柱面立体电影图像：

(S101)、在计算机三维软件所定义的空间中，创建一个与真实的环型电影银幕的半径和高度成比例、弧度相等的圆柱面，该圆柱面的弧度范围为0～360度；

(S102)、在步骤(S101)所得出的圆柱面内，创建一个由N个矩形面组成的内接棱柱面，所述棱柱面与所述圆柱面的高度相等，其中N等于或大于2；

(S103)、在所述棱柱面的内侧，指定一个基点；

(S104)、在所述棱柱面上选择一个矩形面作为参照面，从所述基点到所述参照面中心点的方向为所述参照面的观察方向，过所述基点，创建一条与所述观察方向和所述圆柱面的轴线都垂直的基线，基线的长度等于瞳距，基线的中点恰好与所述基点重合；

(S105)、在步骤(S104)所得到的基线的左右两端，分别创建左渲染镜头和右渲染镜头，使左右渲染镜头的视轴方向都与棱柱面上的所述参照面垂直；

(S106)、分别设置左右两渲染镜头的有效视锥，使所述参照面恰好是左有效视锥和右有效视锥的公共截面；

(S107)、依次选择棱柱面上其余N-1个矩形面中的每个面作为参照面，分别按照步骤(S104)到步骤(S106)所示的方法，以创建总共2×N个渲染镜头及设置好各渲染镜头的有效视锥；

(S108)、将步骤(S107)所得到的2×N个渲染镜头作为一个整体，置入待渲染的三维场景中，对于待渲染场景的每一帧，都用所述2×N个渲染镜头进行渲染，共得到2×N张渲染图像；

(S109)、对于所述2×N张渲染图像，将所有左渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众左眼的柱面图像，将所有右渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众右眼的柱面图像，这样就得到了具有视差效果的、分别对应于左右眼的圆柱面立体图像。

根据电影制作的基本原理，采用同样的方法对待渲染的计算机三维场景进行连续的处理，最终可得到具有连续动态效果的环幕立体电影画面。

步骤(S101)和步骤(S101)中的圆柱面和棱柱面，仅是为正确地设置渲染镜头及其有效视锥而创建的，实际渲染时并不起作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：

本发明中，让左右渲染镜头的视轴彼此平行，并且都垂直于代表银幕的参照面。这样不仅可以使左右镜头的渲染面和银幕彼此平行，消除不平行所产生的透视误差，而且更加符合人眼的观看习惯。

本发明能够让基点处于圆柱面内的任何位置，而不是仅局限在圆柱面的中心处，可以更加灵活地适应不同剧场的最佳观看点的变化。

对于待渲染的同一帧三维场景，本发明用预先设置好的多个镜头同时渲染，避免了仅用一对镜头渲染时频繁地旋转定位操作，可以明显地提高渲染的效率。

本发明充分利用了计算机图像处理能力的提高，让对应于左眼和右眼的图像分别拼接成完整的整体，没有了子银幕的划分，减少了相应的图像处理环节，可以提高了图像处理的效率。

附图说明

下面将结合图2到图6及实施例对本发明作进一步说明，图中：

图1是专利CN 01107598.8中设计的普通视差模型示意图；

图2是本发明所设计的普通视差模型示意图；

图3是图2的右向侧视图，并逆时针旋转了90度；

图4是180度的圆柱面和其内接的九边形正棱柱面，及某个参照面的观察方向和基线方向的示意图；

图5是基线两端的左右渲染镜头的定位及有效视锥的设置示意图；

图6是2×9个镜头的位置及各自有效视锥的设置示意图。

具体实施方式

首先对本文中所涉及的一些概念进行简单说明：

“渲染镜头”是指三维动画制作软件中的一种虚拟镜头；

“渲染”则是指用所述渲染镜头在计算机的三维场景中进行虚拟拍摄以生成相应的数字图像的过程。其效果类似于用真实摄影机进行拍摄以生成照片或影片的过程；

“视轴”是所述渲染镜头的指向，相当于真实摄影机光学镜头的光轴方向；

“渲染面”则是指用所述渲染镜头进行渲染时的成像面，类似于真实摄影机的底片。在三维软件中，渲染面和所述视轴总是互相垂直的，类似于真实摄影机的底片和镜头光轴的关系；

“有效视锥”是所述渲染镜头的有效渲染范围，其外形是一个四棱锥形，所渲染的图像呈矩形。在一般情况下，缺省设置的视锥相对于视轴方向左右和上下都对称，所渲染图像的透视点位于与图像垂直的对称轴上。本发明中，所需图像的透视点可能会偏离图像的垂直对称轴，在这种情况下，就不能采用缺省设置的视锥，必须重新设置所需的渲染范围，从而形成“有效视锥”以便与缺省设置的视锥相区别。本文中“左有效视锥”是指位于基线左端的渲染镜头的有效视锥，“右有效视锥”是指位于基线右端的渲染镜头的有效视锥。

在本文中，为了在虚拟的三维环境中建立起与真实的环幕放映环境相对应的关系，还需对以下概念进行说明：

“基点”是三维场景中对应于真实剧场中的最佳观看点。观众在最佳观看点观看环幕立体电影时，三维场景所定义的景物间的关系会得到最好的还原；

“参照面”是棱柱面上的某个矩形面，是在设置渲染镜头及其有效视锥时，对棱柱面上某个矩形面的一种称谓。一个参照面仅确定一个与之对应的观察方向，并唯一的确定一对左右渲染镜头的方位及其有效视锥的形状。

“观察方向”是三维场景中对应于观众观看银幕上某个局部的方向。观察方向总是与银幕上的某个局部相对应，环幕上不同的局部区域所对应的观察方向是各不相同的。本文中某个参照面的观察方向是指从基点到所述参照面中心点的方向。观察方向可以与参照面垂直，也可以不垂直；

“基线”是三维场景中对应于观众两眼的连线。本发明中，基线是经过基点，并以基点为中心点的线段，基线总是与所述观察方向垂直，这符合人眼的观看方式；

“左右渲染镜头”是位于基线两端的渲染镜头。其位置对应于观众的双眼；

“瞳距”是三维场景中对应于观众两眼间的距离。要产生具有视差效果的图像，必须要有相应的瞳距；

本发明通过对普通立体电影技术的分析，结合基点可以偏离圆柱面中心的要求，归纳出图2和图3所示的普通视差模型。本发明将用多个普通视差模型进行组合，以形成具有视差效果的圆柱面渲染模型。

在图2和图3中，棱柱面31是圆柱面30的内接棱柱面；基点10偏离了圆柱面的中心12和圆柱面的轴线13；观察方向20与参照面32不垂直，但与基线11垂直；左渲染镜头21的视轴25和右渲染镜头22的视轴26都垂直于参照面32；参照面32是左有效视锥23和右有效视锥24的公共截面。

本发明中，让所有的视轴始终垂直于对应的参照面，不仅能保证每对左右渲染镜头的两渲染面都与对应的参照面平行，避免因渲染面和银幕不平行而形成的透视误差，而且，让左右视轴平行的方式更加符合人眼的实际观看习惯。此外，为使基线能偏离圆柱面的轴线，本发明没有直接应用三维软件中缺省的视锥形状，而是让所有的参照面都成为对应的左右有效视锥的公共截面，这种方式不仅能适应基点偏离圆柱面的轴线后，对各有效视锥形状不同的设置要求，还能确保相邻的图像在拼接后，画面能连续地跨接，使观众感觉不到拼接的痕迹。

本发明的一个实施例如图4至图6所示。

步骤101：如图4所示，在三维动画制作软件中，创建一个与真实的环型电影银幕的半径和高度成比例、弧度为180度的圆柱面30。具体实施时，圆柱面的弧度范围可以是0～360度间的任意值。

步骤102：如图4所示，在步骤101所得出的圆柱面30内，创建一个由9(N＝9)个矩形面组成的内接正棱柱面33，所述棱柱面33与所述圆柱面30的高度相等。具体实施时，只要组成棱柱面的各矩形面足够窄，数量N足够多，其形状就能接近圆柱面，这时的棱柱面就相当于环幕的方位。本实施例选择的是由9个形状相同矩形面组成的正棱柱面。

步骤103：如图4所示，在所述正棱柱面33的内侧，指定一个基点10。具体实施时，基点的位置可根据真实的环幕剧场中最佳观看点的位置来确定。本实施例的基点10偏离了圆柱面的中心12和圆柱面的轴线13。

步骤104：如图4所示，在所述正棱柱面33上选择一个矩形面作为参照面32，从基点10到参照面32中心点的方向为参照面32的观察方向20，过基点10，创建一条与观察方向20和圆柱面的轴线13都垂直的基线11，基线11的长度根据人眼的瞳距确定，基线11的中点恰好与基点10重合。本发明中，当基点偏离圆柱面的轴线时，观察方向并不总与对应的参照面垂直，但基线始终与对应的观察方向垂直。

步骤105：如图5所示，在步骤104所得到的基线11的左右两端，分别创建左渲染镜头21和右渲染镜头22，使两渲染镜头的视轴25和26都与参照面32垂直；

步骤106：如图5所示，分别设置左渲染镜头21的左有效视锥23和右渲染镜头22的右有效视锥24，使参照面32恰好是两有效视锥23和24的公共截面。本发明中，当基点偏离圆柱面的轴线时，所有的有效视锥的形状是不尽相同的，需根据对应参照面的位置逐一地进行设置，而不是直接应用三维软件中缺省设置的视锥形状。

步骤107：依次选择正棱柱面33上其余8个矩形面中的每个面作为参照面，分别按照步骤104到步骤106所示的方法，以创建总共2×9个渲染镜头及设置好各渲染镜头的有效视锥，如图6所示。当基点10偏离圆柱面的轴线13时，尽管这2×9个镜头的有效视锥的形状不尽相同，但每对视锥都恰好包容所对应的参照面，且18个镜头的视轴都垂直于对应的参照面，这样不仅能保证左右两渲染镜头的渲染面和参照面两两平行，避免透视误差，还能保证相邻镜头渲染的图像能拼接成完整的画面。

步骤108：将步骤106所得到的2×9个渲染镜头作为一个整体，置入待渲染的三维场景中，对于待渲染场景的每一帧，都用所述的2×9个渲染镜头进行渲染，共得到2×9张渲染图像。本发明是在渲染前，预先创建2×N个渲染镜头，并预先设置好所有镜头的视轴方向和有效视锥，所以可以避免仅用一对镜头渲染时频繁地旋转定位的操作。

步骤109：对于所述2×9张渲染图像，将9张由左渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众左眼的柱面图像，同时，将9张由右渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众右眼的柱面图像，这样就得到了具有视差效果的、分别对应于左右眼的圆柱面立体图像。本发明将所有左渲染镜头所渲染的图像和所有右渲染镜头所渲染的图像都分别拼接成一个整体，而不是将银幕6等分。本实施例中，由于组成正棱柱面的9个矩形面的形状和尺寸相同，所以这2×9张渲染图像的纵向像素数相等，以便于在此方向上直接拼接。

采用同样的方法和步骤，对于待渲染的三维场景的每一帧都进行渲染和拼接，以得到具有连续动态效果的左眼柱面图像序列和右眼柱面图像序列，并可最终制作成具有立体效果的环幕电影画面。

步骤101和步骤102中的圆柱面30和棱柱面33，仅是为正确地设置渲染镜头和有效视锥而创建的，实际渲染时并不起作用。

Claims (1)

1、一种环幕立体电影的制作方法，其特征在于，利用计算机三维动画制作软件，按以下步骤制作具有视差效果的圆柱面立体图像：

(S101)、在计算机三维软件所定义的空间中，创建一个与真实的环型电影银幕的半径和高度成比例、弧度相等的圆柱面，该圆柱面的弧度范围为0～360度；

(S102)、在步骤(S101)所得出的圆柱面内，创建一个由N个矩形面组成的内接棱柱面，所述棱柱面与所述圆柱面的高度相等，其中N等于或大于2；

(S103)、在所述棱柱面的内侧，指定一个基点；

(S104)、在所述棱柱面上选择一个矩形面作为参照面，从所述基点到所述参照面中心点的方向为所述参照面的观察方向，过所述基点，创建一条与所述观察方向和所述圆柱面的轴线都垂直的基线，基线的长度等于瞳距，基线的中点恰好与所述基点重合；

(S105)、在步骤(S104)所得到的基线的左右两端，分别创建左渲染镜头和右渲染镜头，使左右渲染镜头的视轴方向都与棱柱面上的所述参照面垂直；

(S106)、分别设置左右两渲染镜头的有效视锥，使所述参照面恰好是左有效视锥和右有效视锥的公共截面；

(S107)、依次选择棱柱面上其余N-1个矩形面中的每个面作为参照面，分别按照步骤(S104)到步骤(S106)所示的方法，以创建总共2×N个渲染镜头及设置好各渲染镜头的有效视锥；

(S108)、将步骤(S107)所得到的2×N个渲染镜头作为一个整体，置入待渲染的三维场景中，对于待渲染场景的每一帧，都用所述2×N个渲染镜头进行渲染，共得到2×N张渲染图像；

(S109)、对于所述2×N张渲染图像，将所有左渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众左眼的柱面图像，将所有右渲染镜头所渲染的图像依次拼接，以得到对应于观众右眼的柱面图像，这样就得到了具有视差效果的、分别对应于左右眼的圆柱面立体图像。

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