互动科普

刚刚下线的《豚鼠特工队》余音未退，《阿凡达》又成了影迷们热议的话题，与传统电影相比，立体电影似乎拥有无尽魔力。那些触手可及的微生物，迎面袭来的巨鲸……那种在奇幻空间里身临其境的感受，令人在惊心动魄之余，仍感心襟荡漾，意犹未尽，仿佛刚从一场真实的梦境中醒来。而这究竟是怎样被营造出来的？本文将一一为你揭开其中的奥秘。

刚刚过去的2009年是立体电影“王者归来”的一年。伴随着《飞屋环游记》的热映，迪士尼（皮克斯）、梦工厂等大型电影制作和发行商纷纷宣布，之后拍摄的动画片将全部使用立体电影格式。曾执导《泰坦尼克》的著名导演詹姆斯·卡梅隆甚至断言：“立体电影时代即将到来。”不仅如此，他更在自己十年磨一剑的巨制《阿凡达》中以立体电影的模式制作，此片在新年伊始的初露锋芒，更为此次立体电影的再次崛起平添了一个绚烂的注脚。说它是再次崛起，是因为立体电影并不是一种新技术，而是有着相当历史的“老科学”。它的核心理论——偏光原理早在1839年就被发现了，而第一部真正意义上的立体电影影像也早在1922年就已初试啼声。并且在此之后，开始了其漫长而曲折的发展历程。此间，立体电影也曾数领风骚，却由于种种技术上的难题未能得到很好的解决，总在每一次的热潮持续一段时间之后，渐呈鸡肋之势，之后便归于沉寂。继上世纪30年代、50年代和70年代之后，此番可称得上是立体电影的“第四次浪潮”了。

那么，立体电影究竟有什么样的魅力能够让它的众多“粉丝”对这种尚待成熟的技术欲罢不能？又是什么样的契机，让它在数度沉浮之后又一次卷土重来？立体电影前路如何，会不会再次于昙花一现后，转瞬成为沉沙之戟呢？

立体感的要诀

众所周知，无论“立体影像”如何“立体”，始终都是投影在一层薄薄的电影幕布之上的。换言之，“三维”的立体影像，始终是以二维的平面图像呈现出来的，所谓“立体”其实只是观众的错觉而已。那么，这样的立体错觉是如何产生的呢？这就要从我们的双眼观察空间中物体的基本方式开始说起。这里有一个简单的实验：请你闭起一只眼睛，然后将一根棉线穿进针眼儿里。你会发现，单靠一只眼睛的观察无法将线头对准针眼儿。这是因为单眼的视觉不能辨别空间中物体的远近，我们的大脑需要通过感受双眼聚焦同一物体时的视觉和感觉差异，判断出这件物体离我们有多远，以及它与周围的其他物体的空间位置关系——也就是我们所能感知的“立体”空间。

人眼能感知立体主要是由于：人双眼的瞳孔相距约6.5厘米，在用双眼观看物体时，左右眼视网膜上所成的像略有不同。双眼的视信号到达大脑里的枕叶皮质，经过综合处理，双眼的视像即在意识中融合而成为一个像。由于物体发出的光投射入双眼瞳孔时，光束间存在着交角，远处点构成的交角小，近处点构成的交角大，双眼间的物像虽然得到“融合”，实际上还是存有差别，视中枢根据交角的大小和双眼传来的略有差别的像得到“立体感”。

也就是说，只要我们的双眼同时看到不同的平面影像——通常是指模拟一件真实的物体分别投射在左右眼中视角略有不同的图像——就能“骗”过我们的大脑，让我们产生“它是立体的”幻觉。根据这样的特性，英国电影先驱威廉姆·弗莱斯-格林（William Friese-Greene）发明了世界上第一套拍摄、放映和观看立体电影的装置。它的基本原理是以两台摄影机模仿人眼睛的视角同时拍摄，在放映时亦将同时拍摄的影像同步放映在同一面银幕上，并在观看时用偏光眼镜分离出左右眼不同的画面，从而营造出立体的错觉。在掌握了立体影像的要诀法门之后，立体电影的先驱者们经过了数十年的尝试与探索，逐渐创造出一套可以让影像冲出银幕来到观众面前的“立体大法”。

左右逢源：立体影像的拍摄和制作方式

要想制作出能够“冲出”银幕的立体影像并不是一件简单的事情。首先需要进行的工作就是立体影像的拍摄。拍摄立体影像的摄影机和普通的单台摄影机不同，简单来说，是由两部摄影机对称地装在一副支架上组成的系统。两台摄影机可以模拟人左右眼的视物方式，拍摄出左右两套不同的画面以供后期合成为立体影像之用。而支架的作用是调整两台摄影机的拍摄角度和间距，以达到最好的拍摄效果。

使用两台摄影机同时拍摄远不止多加一台摄影机那么简单，拍摄时对摄影机的位置和角度的控制也有严格要求。这是以拍摄目标与摄影机之间的距离（物距）为依据的。摄影机之间的距离（机位间距），一般来说是物距的1/30（用以模拟物距和双眼间距的比例）。

两部摄像机对称安装在一个支架上，保持一定的间距。

不仅如此，在拍摄时还要注意对拍摄场景纵深范围的控制。这是因为立体摄影机拍摄出来的物体在左右两组画面中的位置是不一样的。以下图为例，红色圆球B所处位置的物距适中，则两个机位拍出的图像中红色的圆球始终保持在画面中心；而绿色圆球C在远一点的地方，这时左机位拍出来的图像会略微偏左，并且在右边机位图像中的位置也相应偏右；这种现象称为图像的正向偏移（positive parallax），这是正常现象。但是当所拍摄的物体离摄影机过近时（例如图中的蓝色球体A），拍摄出来的图像就会产生另一种现象；它在左机位的图像中偏右，而在右机位的图像中却偏左了，这就是图像的反向偏移（negative parallax）现象。这样的影像太多会使观众很不舒服，这类似于我们盯着太近的东西时，“对眼儿”的感觉。因此，为了防止过多的反向偏移现象的出现，目前一般的立体摄影机拍摄的景深控制在以拍摄的目标为中心，向前后延伸1/2物距的范围内。

在拍摄完成之后，将两组同步的画面，按照一定的左右间距合成到一个画面中，从而形成立体影像。

但是这样的制作过程难度极大，且不说摄影机的调校十分麻烦，在拍摄过程中，两台机器中的任意一台发生了极其微小的偏差，比如跳动、偏移和延迟等，就会使拍摄出来的左右图像不同步，令整组镜头的拍摄前功尽弃。这也使得立体电影的制作不但难度高、周期长，而且成本巨大，因而导致了前几次立体电影浪潮的中道崩殂。

到了上个世纪80年代，美国的多家电影公司研制出了一种省时省力的立体影像制作方式—后期立体合成方式。它的基本方法是将普通的电影影像复制一次，成为两组同样的影像，以此作为左右两组进行合成。

这种技术甚至可以把普通35毫米胶片转换成70毫米的立体影像格式，转换一部只要6～10周的时间。虽然可以在很短的时间内合成出一部立体电影，但缺陷也很明显。这主要是因为人眼在观看现实中的物体时，视点的物距越远则双眼视差越小，在物距超过100米时，双眼视差基本消失。由此可知，理想的立体画面在近景、中景和远景的影像差别是不同的（其中近景的差别变化最为复杂）。大多数情况下，后期立体影像合成法只是对相同的一幅图像进行水平位置偏移，无法准确地制造出这样的差别（如下页图所示）。这就容易造成观众眼睛的视觉疲劳和视觉效果的缺陷。尽管有着小小的遗憾，后期立体合成法的出现毕竟大大节省了时间和成本，并且扩展了立体电影的内容来源，也为立体电影的再次归来埋下了伏笔。

当影像制作完成之后，立体大法只是完成了前一半—所有的立体影像都是左右画面同时播放，这在普通条件下看起来是“重影”的。而接下来的问题是：怎么把不同画面分别送到左右两只眼睛里去呢？难不成要用一只眼睛看画面，遮住另一只吗？在观看立体电影时，我们要用一套“障眼法”，让这双眼分别独立地观看两种画面，这套“障眼法”的道具就是我们所熟知的立体眼镜了。

障眼法：立体影像的制作和观看方式

立体眼镜的学名叫做分光眼镜，它的工作原理是将同时投射在银幕上的左右两幅画面区别对待，每个镜片都能将不需要的图像过滤掉，让一只眼睛只能看到属于自己那一侧的画面。分光眼镜的镜片看起来只是两张玻璃纸，只不过有的镜片是有颜色（红色和青色）的，有的却是无色的。这是因为它们用来过滤图像的方式略有不同，因此，用它们观看的立体影像的制作方式也不一样。

先从有颜色的红青分光镜说起，它采用的是光色分光法，这也是最早出现的一种分光方式。首先，在制作立体影像的时候要分别将左右两侧画面处理成红色和青色图像。在用分光眼镜观看图像时，红青镜片各形成一种颜色的光通道，只允许红色或者青色的图像通过，左右眼就能看到各自需要的图像了（见下页图）。

光色分光法除了可以用红色和青色进行分光以外，还有黄紫色分光等其他手段。这种利用不同光色分光的方式在观看黑白立体影片时的效果较好，而在观看彩色影片时会大大降低色彩的色度。

因此，人们采用了一种更新的方法来分开左右影像—偏振分光法。我们现在常见的镜片为无色透明的立体眼镜，就是用来观看利用偏振分光法制作的立体影像的。我们知道，光是一种电磁波，它的振动方向始终与传播方向垂直（称之为横波）。自然界中的光波可以在与传播方向（例如向前）垂直的任一方向（例如向左右或上下）振动。偏振分光的立体影像就是将左右画面的光线转化为分别按照水平或者垂直的固定方向振动的偏振光（polarization）。而偏振分光镜就像是横放或者竖放的栅栏一样，只允许水平或垂直偏振光通过，达到过滤另一侧图像的效果。偏振分光法相对于光色分光法的优点是能最大限度地保持图像的色度，目前已经广泛应用于立体影像领域。美中不足的是，滤光镜将屏幕上的光线一分为二，左右眼都只能看见一半亮度的影像，因此会在观看时显得画面亮度不够。

另外，还有一种立体眼镜是通过其液晶镜片以每秒60次的频率快速交替切换透明度分别遮住左右眼的方式进行分光，称为频闪式分光。这种方式虽然效果最好（色度和亮度都不受损），却因实现成本高昂而并未被广泛使用。

至此，尽管立体影像技术有了长足的发展，但是始终只是“院线立体”。观众们只能带着厚重的眼镜坐在电影院里观看。考虑到放映设备的局限性，本次《阿凡达》的发行商除了发行立体版外，还另外追加普通的二维版本。可见，立体电影与观众之间的隔膜并未完全消除。而电影的“全立体”时代是否真的到来了呢？

新近出现的光栅立体影像技术才真正让立体影像走出了“眼镜时代”。不仅如此，该技术不但实现了裸眼立体视觉，还使平面印刷图像也可以以立体的面貌出现，使立体视觉时代进入了一个新的纪元。以往的立体视觉技术总是将左右图像混合起来，因此需要特殊的观看设备将左右画面分开。而光栅立体则是将图像的分隔设备—光栅材料直接贴在画面上。首先在立体图像制作时将左右画面分割成若干只有1个像素宽的细条交替排放。光栅材料是由无数细小的凸透镜条组成，透镜条的曲率经过精确的计算，因此能分别将属于左右画面细条的图像准确地分别投射到观看者的左右眼中（见图3）。

值得一提的是，光栅立体技术用途广泛，近几年已经出现了家用的光栅立体的液晶显示屏、海报甚至是立体名片。

立体影像的未来

立体影像的历程还在不断延伸，各项科学技术的发展为立体影像的完善奠定了良好的契机，各式各样的立体影像显示技术也都崭露头角，从中可以管窥未来立体影像的面貌。

系列科幻电影《星球大战》中所描绘的三维影像是悬浮于空气中的，人们可以看见它的各个角度，而这种技术的雏形已经出现了。在2007年的美国Siggraph（全球CG展示、学术研讨盛会）大奖赛上，来自南加州大学的一个团队推出了自己的立体三维影像现实设备，它被称为交互式三维显示器（Interactive 360 Light Field Display）。这种设备真正实现了可以从各个角度观察的三维立体图像，不仅如此，人们还能根据自已的需要实时调整三维影像的角度。而它所放映的也不是以往的二维平面图像，而是真正的三维物体。

这种技术的方法是在拍摄时将拍摄目标置于一个由多个固定摄影机环绕而成的摄影机组中，这样就能拍摄到目标的每个角度的图像。它的播放设备也与播放平面影像的银幕不一样，是一个倾斜45°的可以自转的小银幕。在播放时，银幕绕着中轴以每秒20转的速度旋转，转到每个角度时银幕便对应播放一个机位拍摄到的图像。由于银幕的转速很快，根据人眼的视觉暂留原理，图像在观察者中的眼中就形成了连续的立体影像。这种技术目前只能播放小场景的立体图像。

以上所有的立体影像都需要通过一定的设备才能播放，那么是否可以在空气中凭空实现立体投影呢？

一项来自日本国家高级工业科技学院的技术在这一方面进行了大胆的尝试。他们使用激光束将立体影像投射到空气中（见右下图）。这个特殊的投影机可以用白光在空气中展现出三维的形态，大小约为2～3米。这种立体投影机是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的等离子态物质，并使其在空气中维持足以形成一个短暂的立体影像的时间。这些投射出来的立体影像，就是靠着不断在空气中产生的“小型爆破”来表现的。目前这种技术只能形成点状的影像，相信依靠未来更先进的激光技术，能够实现更加丰富的立体图像。

立体影像技术诞生已逾百年，越过了重重的阻碍，相信未来的立体影像将以更为多样的形式呈现出来。那些曾经在科幻电影里面才能看到的技术或许在不久的将来就会来到我们的身边，成为现实。

交互式三维显示器

（本文发表于《科学世界》2010年第2期）