AVATAR狂掃全球票房與3D TV熱賣之賜,很明顯地,今年國內從事「3D立體攝影」的工作者突然多了起來,各式各樣的3D攝影器材也都紛紛出籠,市場頓時好不熱鬧;但是在熱鬧的背後,也出現不少亂象,畢竟「3D立體攝影」對絕大多數人來說是相當陌生的,甚至於才開始在摸索,所以各種五花八門的拍攝技術與技巧都有人使用,所拍攝製作出來的3D影像(3D影片)品質也就各行其是了。我也經常被問起:要如何拍好3D立體影像?要使用什麼樣的攝影器材與設備?要如何辨別3D效果的好壞?…?在本部落格裡,之前我也寫了有關3D立體影像的基本原理與如何拍攝3D立體影像的文章。很顯然地,問問題的人根本沒有看過這些文章,或是看過了這些文章,還是無法融會貫通。在此我再為文補充說明「3D立體攝影」的基本原理,希望對於有志拍攝優質3D立體影像」的人有所助益。

其實要拍攝3D立體影像」一點也不難,但是要拍好3D立體影像」則有一定的難度。任何人都知道只要在一台相機(或攝影機)旁邊再架另一台相機(或攝影機)來拍攝就可以了,重點是:要如何架設這第二台相機(或攝影機)?又要如何掌控所拍攝的3D效果?所拍攝的「3D立體影像」,要如何讓人觀賞起來感覺舒服?Shoot what we seeSee what we shoot!」。我們人怎樣觀賞景物,您就要怎樣來拍攝;然後再將所拍攝的「3D立體影像」,「實景」重現給我們「人」看。既然是要給「人」看的,您就要考慮到「人」要如何看才能感覺自然與舒服;也就是說,要想拍好3D立體影像」,您必須先了解我們人類是如何觀賞景物?拍攝好的「3D立體影像」是要在多大尺寸的平台呈現?

這裡牽涉到幾個議題:
(1) 我們眼睛的「焦長」(Focal Length)是多少? (2) 我們的眼睛是如何看東西?(3) 我們兩眼可以感受「3D立體效果」的最佳觀賞範圍有多大?(4) 我們兩眼的距離與「3D立體攝影」有何關係?(5) 如何3D構圖? (6) 如何確保3D立體影像」拍攝品質?(7) 要在多大尺寸的平台重現「實景」?

我們眼睛的「焦長」(Focal Length)是多少?
既然「3D立體攝影」是要以攝影鏡頭模擬我們兩眼,來記錄我們所看到的場景;也就是說,我們必須要使用最接近我們眼睛的攝影鏡頭來拍攝,如此我們才可以得到感覺最自然的3D場景。那麼我們就必須要了解我們眼睛的結構,它的焦長(Focal Length)是多少?以一般成人的眼睛而言,其焦長約為22mm ~ 24mm (請參考「Focal Length of a Human Eye)

我個人是以22mm為參考依據,如果攝影鏡頭的焦長不是22mm時,則必須將它換算成22mm的等效焦長。例如使用35mm的鏡頭,其等效焦長的係數約為1.6 (=35/22),這個係數再與其他參數運算後,即可等同於22mm焦長鏡頭的拍攝效果。

 

 


我們的眼睛是如何看東西?
如果您仔細觀察自己觀賞景物的行為模式,您將會發現當您看近物的時候,您的雙眼(眼球)是會聚焦在目標物的某一位置(形成一個角度),而看較遠的物體時,您的雙眼是會平視前方(角度較小),甚或是平行的。從這裡您就可以發現,當您觀看不同距離的物件時,這些物件與您的兩眼所成的角度也會不同;愈近則角度愈大,愈遠則角度愈小。這個物件與您兩眼所成的角度,我們稱之為「光角」,您是因為這個「光角」的大小,來判斷物體的深度與遠近的。所有「3D立體攝影」的最根本技術,也是掌控3D場景深度與層次感的最關鍵因素,就是這個「光角」。


 

 

我們兩眼可以感受「3D立體效果」的最佳觀賞範圍有多大?
以我個人的經驗:我們兩眼可以感受3D立體效果」的最佳觀賞範圍約為眼前70cm ~ 5m之間。這裡所訂的70cm約是一般成人手臂伸直的長度,如果兩眼之間的距離是7.0cm時,目標物距離70cm」與「7.0cm」剛好是「101」的關係;這也是3D立體攝影」的最後一道防線,被攝景物不得再小於70cm距離(或太接近兩眼);否則當我們觀賞這個「3D立體影像」時,就會感到不舒服。也就是說,在這個70cm距離的位置到我們左、右兩眼所形成的「光角」約為6(實際約5.14 ~ 5.72),其「3D立體效果」最大,所產生的「視差」是我們人眼所能忍受的最大公約數(我的經驗值)。而我們兩眼觀看大於5m遠的地方時,已開始無法辨識物體的遠近了,物體的立體感也比較小,因為在這個5m距離的位置到我們左、右兩眼所形成的「光角」約為0.72 ~ 0.8度。

(註:上述中的「光角」θ可以由「tan(θ/2) = (兩眼之間的距離/2) /目標物距離」的關係式中求得。)

我們兩眼的距離與「3D立體攝影」有何關係?
一般成人兩眼的距離約為6.3cm ~ 7.0cm,這個距離與「光角」的形成有絕對的關係,也是以左、右攝影機來模擬我們兩眼所要擺設的距離,我們稱之為「立體距離(Stereo Base)

「立體距離」設定與「光角」有關,而「光角」與「目標物距離」有關;換言之,「立體距離」與「目標物距離」之間存在著某種關係前面有提到目標物距離70cm」與兩眼距離7.0cm」剛好是「101」的關係,則我們可以得到這樣的關係式:立體距離 = 目標物距離 / N (N = 10 ~ 70,表示「最佳觀賞範圍70cm ~ 5m」)。這個N值將會隨著所觀賞3D場景位置的不同(70cm ~ 5m之間),而可能會有不同N值設定(其實就是選擇不同的光角)。例如:您希望將3D場景拉到最大視差(眼前70cm)的位置(「光角」約為6),則您應該選擇N值為10,這種拍攝法非常適合於「3D特寫鏡頭」或「近距離多視角影像拍攝」。對於二個視角(View)的拍攝,通常我們會選擇N值為20 ~ 303D場景拉到約為1.4m ~ 2.1m位置(「光角」約為2.86 ~ 1.91),如此較適合一般人對3D立體效果(3D視差)的接受度。

現在,我們就實際應用這個關係式「立體距離 = 目標物距離 / N (N=20)」來架設左、右攝影機。例如:我們希望以焦長為35mm的攝影鏡頭來拍攝5m遠的目標物,並將之拉到1.4m位置。則我們可以馬上算出其「立體距離」25cm (= 500cm/20),再將焦長為35mm的攝影鏡換算最接近人眼22mm的等效焦長,其與22mm鏡頭約為1.6:1(= 35mm22mm)的比例;亦即其等效「立體距離」為15.6cm (=25cm /1.6),也是左、右攝影機之間的架設距離。換言之,任何焦長的鏡頭都必須先換算成22mm等效鏡頭之等效「立體距離」後,才可以進行「3D立體影像」拍攝。有時候礙於左、右攝影機體積太大,無法架設在太短的「立體距離」上,則我們可以鎖定「立體距離」來調整「目標物距離」(所謂「山不轉,路轉」),將已知的「立體距離」x 20 x (等效22mm焦長的係數)即為「目標物距離」。

如何3D構圖?
先來談一下為何需要「3D構圖」?當我們要進行3D立體攝影」之前,我們必須要有基本的認知與規劃:所拍攝出來的3D立體影像要如何呈現出3D立體效果供人觀賞?那些景物是要呈現在螢()幕內?那些景物是要呈現在螢()幕外?又有那些景物是要呈現在螢()幕上?3D立體影像的立體效果就是透過3D構圖」來完成的,3D立體攝影」的成敗也是決定於3D構圖」的好壞;而這個「3D構圖」與「視差」有絕對的關係,我們必須要先搞清楚「視差」,才能做好3D構圖」。(如果不清楚什麼是「視差」者,請參考本部落格的另一篇文章:何謂視差」?)

3D構圖」是3D立體攝影」的前置作業,我們必須先確認好所要拍攝的3D場景,根據「視差」的原理,將3D場景區分為「正視差」、「零視差」與「負視差」三個部位。「零視差」即為「焦平面」的位置,則依個人喜好可以將「焦平面」定在場景的任意位置,我個人的習慣是定在三分之一位置。這個「焦平面」就是左、右攝影機的聚焦平面,其前面的景物是屬於「負視差」的前景部份;其後面的景物則是屬於「正視差」的背景部份。

基本上,我們會將兩攝影機的「立體距離」設定為:「焦平面」(或目標物)距離/20 (如果使用22mm等效鏡頭,並將目標物拉到1.4m位置)。這裡有個地方要特別注意:前景的物件與兩攝影機所成的光角不得大於6度;也就是說,兩攝影機的「立體距離」必須小於(或等於) 「前景距離/10」;如果此時兩攝影機的「立體距離」(「焦平面」距離/20)大於「前景距離/10」,則必須將該「立體距離」設為「前景距離/10」。

 

如何確保3D立體影像」拍攝品質?
3D立體攝影」除了要確實認知其基本原理並遵守「立體距離 = 目標物距離 / N」與「3D構圖」的原則外,還需要注意其他影響拍攝品質的因素,如攝影機的幾何校調、色偏、曝光、影像大小、…等。這些因素可以在進行3D立體攝影」之前,透過校調與攝影機內部的設定來排除。但是我們很難單從攝影機內的小預覽螢幕來進行校調工作,更何況校調必須要有兩台攝影機的畫面,才能重疊比較。

在這裡,我介紹一個便宜又簡單的方法:使用一台iZ3D 22吋的3D顯示器 (1680x1050),它係由兩個獨立液晶螢幕所組合而成,可以同時接收左、右攝影機的視訊,並將它們顯示出來。使用時,必須佩戴iZ3D顯示器所附的3D偏光眼鏡來看。

校調時,請先準備一張A4A3 Size的任何方格圖,並固定在一個架子上,放置在兩攝影機的聚焦點位置(焦平面),再將兩台攝影機的視訊輸出(各別先轉成DVI)連接至iZ3D顯示器的「Back DVI」與「Front DVI」。此時戴上3D偏光眼鏡來看,應該可以看到左、右攝影機所拍攝「全畫面」(Full Screen)的方格圖,調整左、右攝影機的固定角度、水平與高度,直到左、右方格圖畫面「儘量」(因為有光角,所以無法絕對)重疊合一。以後只要有改變立體距離」的設定(或改變焦平面的位置),就要進行本校調工作。

另一方面,除了校調功能之外,這個iZ3D顯示器還可以用來「預覽」3D效果。雖然它的解析度只有1680x1050 Pixels,不過對於Full HD (1920x1080 Pixels)的影像尺寸,仍然可以預覽約85%的絕大部份畫面。這對於3D效果的品質確認,可以發揮很大的功用。

要在多大尺寸的平台重現「實景」?
當我們完成3D立體攝影」,要將所拍攝的「3D立體影像」重現給我們觀賞時,到底要以多大的尺寸來重現且又能讓我們感覺自然與舒服?這當然是要以攝影時的「實景大小」來重現是最自然又真實。那麼這個「實景大小」的尺寸又是多少?

如果是以「3D立體效果」最佳的觀賞範圍70cm ~ 5m內約三分之一的位置(1.4m)所拍攝的3D場景,以正常人的眼睛焦長22mm為例,其垂直視角約為63度,水平視角約為78.5度,觀看1.4m的地方時,其所看到的場景尺寸約為2.29m (W) x 1.71m (H),或對角線約為112 (286cm / 2.54cm = 112.6),這是屬於「43」的畫面。最後,我們再以Letterbox方式將其換算成「169(或「1.851)103(263cm / 2.54cm = 103.54)的寬影幕畫面 (請參考下面的圖示說明)

 

 

也就是說,當我們要重現所拍攝的3D實景時,理論上其最佳的觀賞距離與顯示尺寸應該是:距離11243(103169)影幕前方至少1.4m來觀賞,是最具逼真與震撼效果;但是,一般為考慮大尺寸3D影像「負視差」的壓迫感與健康因素,我們會選擇顯示尺寸對角線距離約1.6 ~ 1.8(11243」影幕4.57m ~ 5.15m103169」影幕約4.2m ~ 4.73m),為實際觀賞距離。

事實上,一般的3D顯示器(3D TV3D LCD Monitor)、投影機影幕或3D電影院的影幕都不是這種尺寸,這時我們必須依據比例原則,來調整觀賞距離或是調整3D立體攝影的參數設定。例如,您是以150(3.81m)的「43」投影幕來顯示,則其觀賞距離應該為6.1m ~ 6.8.m;但是,通常我們最有機會碰到的情況是:觀眾座位距離小於影幕對角線距離的1.6 ~ 1.8倍。這時候,我們在進行3D立體攝影」所應用的關係式「立體距離 = 目標物距離 / N (如N=20)」,N值就要再加大;如果觀賞距離縮短20%,則N值就要使用24以取代20這樣就可以將3D場景往後推,而不致對眼睛產生壓迫感

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  • 好奇
  • 也許我的問法錯誤,底下是我看完JG大文章後的理解,也許有錯誤,煩請不吝指正。

    如JG大上文所提,3D要有比較好、不壓迫的視覺感受,拍攝與觀賞應該盡量符合人眼的視覺感受。也因此以人眼22mm(水平78度),最大6度光角(測試經驗),來進行影片拍攝的基本設定規範。
    因此攝影鏡頭為22mm時(問題1),Stereo Base為7cm時,拍攝物體距離70cm~5m較好,顯示時依照拍攝距離,來設定觀賞距離,並反推螢幕大小。這樣人眼看到的影像與拍攝顯示的影像最為穩合。
    問題1:人眼的底片大小(視網膜)不同於135底片,因此135底片+22mm鏡頭拍攝所得的影像,不同於人眼所見(22mm水晶體+比135底片還大的視網膜),因此與人眼較為一致而得到的較佳視覺感受(因為並不完全一致),是否是實驗與經驗所得呢?

    問題2:135底片+18mm鏡頭拍攝,成像較22mm廣,為了跟22mm鏡頭拍出的物件較一致(是否維持放大率?),須轉換拍攝的距離與顯示的距離&螢幕此吋。但改變拍攝距離雖維持放大率,但因為空間投影也因此而改變,因此此轉換關係是否也有一定的限制,才不會造成視覺感受變差。
  • 茲回覆您的問題如下:
    1. 本篇文章主要是我個人數十年來拍攝3D影像的經驗與心得,其關鍵點在於視差的感受(舒適與否);因不同鏡頭的焦長在相同的立體距離(Stereo Base),則會產生不同的視差,為確保與人眼類似的視差感受,才需要轉換成等效焦長,其(視差)與呈像的面積大小無關。
    2. 從拍攝的立場來看,這時候為了降低拍攝3D影片的複雜度,一般我們會先確認顯示(投影)環境,顯示(投影)環境固定後,則我們除了要考慮等效焦長的轉換(18mm轉22mm)之外,還需要考慮顯示(投影)環境因素,再調整視差參數來拍攝。

    -JG

    JG 於 2016/10/03 19:49 回覆

  • 好奇
  • JG大,感謝您耐心的回覆。

    針對您所說的第二點部分,近年因VR頭帶式眼鏡發展迅速,搭配手機可成為較為平價的3D顯示設備,也許3D的蓬勃會由此而起。3D影片在頭戴眼鏡上的參數設定,您是否有較建議的匹配方式。

    另這段期間閱讀您文章的過程中,也去尋找相關文獻,找到一篇評估3D舒適度的論文,期研究結果與您的建議高度相同,也推薦您一看。

    『3D 影像之立體感與舒適度探討』
  • 頭戴式眼鏡(Head Mounted Display)其基本光學元件就是雙凸透鏡(或等效透鏡),我們可以很容易從其焦長與物距算出呈像位置,再由透鏡的視角可以算出其顯示幕的等效尺寸,所以其與一般顯示(投影)環境的考慮因素是一樣的,似乎並無特殊的匹配方式。
    感謝您提供的資訊,我會抽空找來看看。

    -JG

    JG 於 2016/10/03 22:23 回覆

  • 好奇
  • JG大您好,

    針對您所列的相關測試,我做了一系列的實驗,有一些心得想跟您當面討論,不知是否方便跟您約時間。我們也有設計一款3D的攝影裝置(尚未發佈),也想讓您體驗看,不知您是否有興趣呢?是否方便留您的聯繫方式。

    我的mail是georgeh@weeview.co
  • 歡迎您與我聯繫 jgwang@i-art.com.tw。

    -JG

    JG 於 2016/11/16 21:19 回覆