引言
電影與電視的數(shù)字化進(jìn)程日新月異，數(shù)字化已成為現(xiàn)代電影與電視技術(shù)的必然發(fā)展方向，為此有關(guān)特種電影數(shù)字化技術(shù)的研究也在緊鑼密鼓地進(jìn)行之中，江西省科學(xué)技術(shù)館現(xiàn)在擁有環(huán)幕4D和穹幕兩種特種電影，近年來該館加快了特種電影數(shù)字化改造和數(shù)字化影片制作的探討步伐。
環(huán)幕4D電影介紹
整個影院是由仿真設(shè)備、動感座椅和立體影像結(jié)合而成。根據(jù)影片的情節(jié)，將特有的效果傳遞給觀眾，使其在觀看逼真的立體影像的同時，能感受到座椅的升降、座椅的振動以及拍腿、噴水、閃電模擬、水霧噴灑模擬、降雪模擬等特效效果。
穹幕電影介紹
穹幕電影的觀眾廳為圓頂式結(jié)構(gòu)，前傾式金屬穹形銀幕呈半球形，觀眾被包圍其中，視銀幕如同蒼穹。放映的視域范圍可達(dá)180°，超人眼視角的畫面和逼真的環(huán) 繞立體聲使這種電影具有很強(qiáng)的震撼效果，可脫離立體眼鏡和頭盔，產(chǎn)生身臨其境的立體視覺，讓觀眾置身于氣勢磅礴的電影景觀之中。
數(shù)字電影的優(yōu)勢
完整意義上的數(shù)字電影是從電影制作工藝、制作方式到發(fā)行及傳播方式上的全面數(shù)字化。與傳統(tǒng)電影相比，數(shù)字電影最大的區(qū)別是不再以膠片為載體和以拷貝為發(fā)行方式，而代之以數(shù)字文件形式發(fā)行或通過網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星直接傳送到影院。數(shù)字影院是電影誕生一百多年來，最重大的技術(shù)革命。其優(yōu)勢表現(xiàn)為：
1、數(shù)字放映：數(shù)字影院采用數(shù)字放映技術(shù)，沒有膠片的劃傷、污損等問題，即使反復(fù)放映也絲毫不影響音畫質(zhì)量，也沒有膠片放映時的抖動和頻閃。膠片電影在長時間的燈光照射后會褪色，而數(shù)字電影永遠(yuǎn)是亮麗如新。
2、數(shù)字發(fā)行：數(shù)字影院省掉了洗印拷貝環(huán)節(jié)，大大節(jié)省發(fā)行時間和費(fèi)用，同時也有利于環(huán)境保護(hù)。
3、易于保存：從理論上講，膠片電影可放600場，而實(shí)際上放200- 300場就會有劃傷、臟污等，放映效果就不好了。數(shù)字電影節(jié)目盤基本上沒有磨損，而且儲存方便。
4、數(shù)字電影可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電影機(jī)所無法實(shí)現(xiàn)的拼接技術(shù)，使多幕影片在播放時無明顯接縫。
一、環(huán)幕4D電影數(shù)字化改造實(shí)例
基于以上數(shù)字影院的種種優(yōu)勢，利用一套投影系統(tǒng)，它與銀幕系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、特效系統(tǒng)與控制系統(tǒng)結(jié)合，各個子系統(tǒng)協(xié)同作用，構(gòu)成一個整體，整個系統(tǒng)按照預(yù)設(shè) 命令自動運(yùn)行，確保立體影像的放映平順流暢、畫面清晰穩(wěn)定；音響清晰悅耳；特效座椅和各類特效發(fā)生器與影片內(nèi)容配合默契，科學(xué)合理并藝術(shù)化地對觀眾的視 覺、聽覺、觸覺、感覺等各個感官進(jìn)行適度刺激，再現(xiàn)影片主題所涉及的環(huán)境細(xì)節(jié)，制造出觀眾在特定環(huán)境內(nèi)的體驗(yàn)等，營造出使人“身臨其境”的綜合效果。
我們對實(shí)際正常播映中涉及的無縫拼接技術(shù)和實(shí)時曲面變形處理技術(shù)也作了進(jìn)一步探討：首先通過專業(yè)攝像頭對不同投影機(jī)投射到銀幕上后的反光進(jìn)行測量，要求其 符合人眼觀看影片時自然接受的銀幕反射光的特點(diǎn)，而后通過測量得到的數(shù)據(jù)對影片的亮度、色彩進(jìn)行總體校正，將多幕影片的顏色及亮度統(tǒng)一化；對接縫部分的影 像進(jìn)行亮度和色彩的雙重過渡處理，使得毗鄰的兩部分影像重疊部分平滑過渡，實(shí)現(xiàn)影像的無縫拼接。該技術(shù)對銀幕數(shù)據(jù)的采集及處理完全自動處理，減少了人員參 與可能帶來的不確定性，并且本系統(tǒng)可以適用于任何標(biāo)準(zhǔn)格式的avi影像，具有良好的通用性。
實(shí)時曲面變形處理技術(shù)，可采用微軟的DirectX 8.1對影片進(jìn)行實(shí)時變形處理，使得投影機(jī)可以適應(yīng)不同形狀的銀幕形狀，如平面幕、柱狀幕（環(huán)幕）、穹幕等。只需要一次調(diào)整到位，即可以在銀幕上正常放映 不同的影片。如果由于更換燈泡、投影機(jī)操作等帶來投影位置改變，可以簡單地通過調(diào)整軟件參數(shù)設(shè)置的方法進(jìn)行再次調(diào)整，無需改變影片本身即可以達(dá)到適合新的 投影位置的需要
二、穹幕電影數(shù)字化制作探討
傳統(tǒng)的球幕電影采用70mm膠片和魚眼鏡頭進(jìn)行拍攝和放映，而采用數(shù)字放映方式的大型數(shù)字球幕電影(Fulldome digital movie，以下簡稱Fulldome，又稱Large- scale immersive digital movie)將是今后的發(fā)展趨勢。
目前，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的Fulldome制作技術(shù)主要用于技術(shù)指標(biāo)要求相對較低的天像題材影片。如果要進(jìn)一步面向包括文物、生物、人物角色在內(nèi)的更廣泛 題材影片，就必須面對真實(shí)感、分辨率、影片制作周期和變形處理等指標(biāo)的特殊要求，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)的魚眼拍攝制作方式的超越。
三維數(shù)字制作的真實(shí)感，取決于三維數(shù)字化的精度、紋理的精度、色彩的準(zhǔn)確度和光照處理。不管數(shù)字化的對象在現(xiàn)實(shí)中是否存在原型，在影視級的目標(biāo)下，都必須 滿足客觀性的要求：存在原型的，數(shù)字化的結(jié)果要求準(zhǔn)確、忠實(shí)于原型，如文物；找不到原型的，也應(yīng)符合科學(xué)性，如古生物，應(yīng)依據(jù)化石和生物專家、考古專家的 研究成果。
影片放映清晰度的決定因素包括：影片的輸出分辨率和設(shè)備、場地等因素。其中，三維數(shù)字制作影片的輸出分辨率取決于三維物體的幾何精度、三維物體的紋理分辨 率、三維物體與鏡頭距離等因素；設(shè)備、場地因素包括屏幕尺寸（在Fulldome電影里通常使用球幕直徑）、觀眾到屏幕的距離、單個投影機(jī)的設(shè)備分辨率和 投影機(jī)的個數(shù)（通道數(shù)）等。
影片制作周期主要包括兩大部分：三維數(shù)字化的周期（又分為幾何建模、紋理圖像處理、紋理映射、動作建模、場景空間搭建、攝像機(jī)鏡頭攝制、燈光處理等），影片繪制的周期（又分為三維繪制和后期特效制作）。
在傳統(tǒng)的魚眼拍攝制作方法下，影片畫面不存在變形問題，因?yàn)榕臄z和放映都使用魚眼鏡頭；而進(jìn)行數(shù)字制作，必然面臨從矩形畫面映射到球幕的過程，并需要解決該過程所導(dǎo)致的變形。
大型Fulldome技術(shù)包括影片制作、投影以及劇場建設(shè)等多方面，我們主要探討的是相對于傳統(tǒng)節(jié)目攝制的數(shù)字化影片制作技術(shù)，尤其是三維影像繪制技術(shù)，主要內(nèi)容包括：
1、探討影視級的三維數(shù)字化技術(shù)
前面談到，在影視級的目標(biāo)下，不管數(shù)字化的對象在現(xiàn)實(shí)中是否存在原型，都必須滿足客觀性的要求。
現(xiàn)有的三維數(shù)字化方法有三大類：
第一類是依靠三維美工進(jìn)行手工建模，這種方法顯然無法滿足客觀性，而且工作量非常大，對美工的要求也很高。
第二類是使用3D Scanner進(jìn)行三維掃描。該方法能夠準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的三維形狀，但由于現(xiàn)有的3D Scanner無法有效地獲取紋理、光照等其他信息，還需要手工進(jìn)行貼圖，因而也會引入部分主觀因素；另一方面，使用該方法，部分物體的獲取會受到限制； 同時，該方法還會造成大量冗余數(shù)據(jù)，不利于后期處理效率的提高。
第三類是基于計(jì)算機(jī)視覺的三維數(shù)字化。目前該方法有一個很大的瓶頸：需要在拍攝時規(guī)定相機(jī)嚴(yán)格使用確定的基線和鏡頭，多數(shù)情況下，該條件無法滿足，限制了 基于計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)的發(fā)展（比如對于不可移動的物體，大部分時候，實(shí)拍過程中相機(jī)會因場地而受限）。如果采取相應(yīng)的技術(shù)解決采集的限制，使相機(jī)的 拍攝不再受位置、角度、焦距、拍攝路線等的限制，并均可通過計(jì)算反求出，就可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格忠實(shí)于原作（三維形狀、紋理、顏色、光照），滿足文物級要求。還需 要進(jìn)一步研究的是基于計(jì)算機(jī)視覺的交互圖形處理技術(shù)，達(dá)到(1)改進(jìn)交互方式，簡化人工干預(yù)；(2)提高自動化程度，減少人工干預(yù)。
2、關(guān)于基于影視級虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時繪制技術(shù)
在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，繪制的真實(shí)程度與繪制的速度是一對矛盾。基于實(shí)時真實(shí)感圖形繪制的基礎(chǔ)應(yīng)包括：
(1)從PC底層開始，研發(fā)一套繪制加速框架，實(shí)現(xiàn)基于PC的海量圖形圖像實(shí)時繪制。用框架取代操作系統(tǒng)的存儲管理，建立一套在多級Cache間進(jìn)行動態(tài) 存儲和調(diào)度的機(jī)制；并通過對時間相關(guān)性和空間相關(guān)性的利用，及對用戶（操作）行為模型的統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)行圖形圖像數(shù)據(jù)的預(yù)調(diào)度和預(yù)繪制。目前可以實(shí)時處理 數(shù)千倍于系統(tǒng)處理能力的海量圖形圖像數(shù)據(jù)。
(2)設(shè)計(jì)一個光照計(jì)算模型，、實(shí)現(xiàn)實(shí)時地對光傳輸方程的近似求解。這樣，既可以達(dá)到Phong模型和Gouraud模型的實(shí)時，又可在絕大多數(shù)情況下模 擬出Global Illumination模型才能實(shí)現(xiàn)的真實(shí)感光照效果，甚至在玉器的光照實(shí)時實(shí)現(xiàn)方面，比現(xiàn)有Global Illumination的效果更好。
3、提高Fulldome成片分辨率，以適應(yīng)文物、生物等題材的要求
對于文物和生物題材的Fulldome電影，觀眾經(jīng)常需要欣賞到精細(xì)的畫面或者質(zhì)感，也就是說，需要達(dá)到對細(xì)節(jié)“精確辨別”的程度，對于數(shù)字畫面，具體量 化的指標(biāo)，是相鄰兩象素與視點(diǎn)連線夾角1.5弧分( Arcminutes)，換算成Fulldome分辨率約為8000×8000。
全三維影片輸出分辨率的決定因素，主要有三維物體的幾何精度、三維物體的紋理分辨率、三維、物體與鏡頭距離等，對于數(shù)字制作的電影畫面的清晰度不能只看輸 出分辨率數(shù)值的大小，如果不滿足上述因素，而強(qiáng)制按輸出分辨率的數(shù)值進(jìn)行輸出，則將產(chǎn)生鋸齒。即使通過圖像插值來抗鋸齒，也會造成畫面的模糊。尤其是屏幕 巨大的特種電影，畫面模糊非但不能讓觀眾產(chǎn)生臨場感，而且還會造成頭暈。
對于全三維電影，三維物體與鏡頭的距離是一個重要問題。為了劇本和效果的需要，影片經(jīng)常要把鏡頭與目標(biāo)安排得非常近（比如特寫），這對數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字化和繪制（尤其是實(shí)時繪制）均是巨大的挑戰(zhàn)，是包括Fulldome在內(nèi)的數(shù)字特種電影公認(rèn)的難題。
適用于球幕影片數(shù)字放映方 式的Fulldome抗變形技術(shù)的磁轉(zhuǎn)膠非常昂貴，而且目前國內(nèi)不具備此能力，因此針對數(shù)字放映方式來研究Fulldome成片是非常必要的。 Fulldome圖像有兩種類型，正交魚眼(Orthographic Fish-Eye)圖像和等距魚眼(Equidistant. Fish – Eye)圖像。前者會造成天頂處的拉伸和赤道處的壓縮，而后者則因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)像素在球面上的平均分布，因而是更理想的類型。
在成像方法上，如果采用直接魚眼繪制( Direct Fish-Eye Rendering)方法，生成的是正交魚眼圖像；如采用半立方體繪制( Hemi—cubic Rendering)方法，能夠得到較均勻的像素分布，但需要針對不同的數(shù)字放映方式（如放映通道數(shù)目、球幕的傾斜度、球面覆蓋角等），采用不同的畫面裁 切和邊緣融合方法，否則會在球面映射的過程中產(chǎn)生變形，或者無法融合不同通道的邊界。
4、值得我們探討的工作還包括：
(1)對于全三維制作的科教記錄片和動畫片，如何在繪制結(jié)果的真實(shí)程度達(dá)到影視級的前提下，提高三維繪制的實(shí)時效率，最終為數(shù)字電影創(chuàng)意制作人員開發(fā)出一個輔助進(jìn)行交互創(chuàng)作的環(huán)境。
(2)如何通過研究數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)字化以及實(shí)時三維繪制的架構(gòu)和方法，提高影片的輸出分辨率，使其達(dá)到8000×8000像素’以上。這個指標(biāo)對應(yīng)的像 素夾角為1.5弧分，一旦滿足該夾角，即可實(shí)現(xiàn)觀眾在巨型Fulldome劇場(直徑超過20m)中完全能精確辨識目標(biāo)，從而使得文物、古生物題材的巨型 Fulldome數(shù)字制作成為現(xiàn)實(shí)。
(3)如何用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的小孔成像模型來有效模擬等距魚眼( Equidistant Fish – Eye)成像模型，從而得到像素分布均勻的等距魚眼圖像，并探尋一個與數(shù)字放映環(huán)境無關(guān)的球面映射變形解決方法。如該方法能成功，將避免為不同標(biāo)準(zhǔn)的 Fulldome放映環(huán)境花費(fèi)的專門繪制時間，大大提高Fulldome制作對不斷涌現(xiàn)的Fulldome劇場的適應(yīng)性。
結(jié)束語
特種電影的 數(shù)字化演進(jìn)趨勢不可逆轉(zhuǎn)，而且愈來愈快。它是實(shí)現(xiàn)特種電影跨越式發(fā)展的重要途徑，代表了當(dāng)代特種電影的發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景，是特種電影加快發(fā)展 的重要標(biāo)志。我們在探索特種電影數(shù)字化的過程中要立足于引進(jìn)吸收、創(chuàng)新發(fā)展的基本思路，著眼于國際特種電影數(shù)字化發(fā)展的前沿，著眼于我國特種電影發(fā)展的實(shí) 際需要，著眼于科技創(chuàng)新，著眼于特種電影產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體目標(biāo)。
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