戴 正

(上海出版印刷高等?？茖W校出版與傳播系，上海200093)

基于匯聚面對3D影像觀影舒適性影響的研究

戴 正

(上海出版印刷高等?？茖W校出版與傳播系，上海200093)

分析匯聚面與舒適性的關聯(lián)性是研究匯聚面對3D影像觀影舒適性影響的基礎，通過從攝像機匯聚面參數(shù)、影像創(chuàng)作中的視覺語言的表現(xiàn)方式、3D影像的觀看條件這3方面發(fā)現(xiàn)匯聚面對觀影舒適性所產(chǎn)生的影響，整理匯聚面與感知深度、視差距離值、物鏡間距等之間的關聯(lián)依據(jù)，總結出在拍攝、非線性編輯、放映這3個環(huán)節(jié)中，匯聚面參數(shù)調(diào)整的規(guī)律和方法.通過實驗獲取匯聚面參數(shù)調(diào)整的有效數(shù)據(jù)范圍，為制作出具有觀看舒適性的3D影像作品提供了必要的依據(jù).

3D影像；匯聚面；感知深度；觀影舒適性

科學界對立體視覺的研究已形成了獨立的生理光學學科，其研究結果認為:人類的立體視覺依賴深度感知因素.人的兩只眼睛在看實際影像時，會產(chǎn)生兩個焦點:一個是眼睛的聚焦點，決定影像的對焦清晰度；另一個是眼睛光軸的匯聚點，匯聚點決定了影像的定位深度.在匯聚點上，垂直于雙眼視軸線形成的平面即為匯聚面，匯聚面決定影像的感知深度.通過眼睛匯聚點產(chǎn)生的深度感知信息傳遞到人的大腦，從而使人能自然地接收到影像的大小、距離、空間等信息[1].3D影像技術以模擬人眼的立體視覺功能為基礎，但由于技術的差異性，在還原深度感知因素的過程中不能完整模擬出人眼看到的效果.大腦在不能獲得足夠的深度感知信息的情況下，會出現(xiàn)信息處理錯誤，因而會引起觀看者出現(xiàn)不同程度的失真感或不適應感，從而影響到觀看舒適性[2].

研究3D影像技術在還原深度感知因素的過程中，可以將還原過程分為3個環(huán)節(jié):首先是在3D影像的攝制過程中，攝像機的匯聚面參數(shù)對深度感知因素的影響；其次是影像創(chuàng)作者在影像視覺語言表現(xiàn)方式選擇的過程中，由于對匯聚面的調(diào)整從而對深度感知因素產(chǎn)生影響；最后是3D影像的觀看環(huán)境與匯聚面之間的關系對深度感知因素產(chǎn)生的影響.

1 匯聚面與舒適性的關聯(lián)性

人的兩眼瞳孔在水平方向相距約6～7 cm，當人的雙眼注視一個物體時，左右眼視網(wǎng)膜上的兩個影像存在細微的差異.當這兩個投射到視網(wǎng)膜上的影像信息傳遞到大腦時，大腦將這兩個影像重疊在一起，消除畸變，并感知物體的深度與體積，這一過程稱為人的“雙眼立體視覺”[3].

如圖1所示，人的左右眼在看實際影像時，雙眼光軸會聚焦在一起產(chǎn)生一個聚焦點，聚焦點的聚焦決定影像的成像質量.在聚焦的同時，雙眼的兩個視軸線也會產(chǎn)生匯聚點，在匯聚點上垂直于雙眼視軸線形成的平面為匯聚面.匯聚點可以和聚焦點重合，也可以是在聚焦點前后的匯聚面上的任一位置，如匯聚點1和匯聚點2.當匯聚點與聚焦點重合時，人眼視網(wǎng)膜獲得清晰的影像與深度感知信息，大腦感知到比較自然的深度信息，獲得比較舒適的視覺感受.但當匯聚點與聚焦點不重合時，雙眼指向物體的匯聚點不在聚焦點的位置，大腦不能感覺到清晰的深度感知信息.同時，在視網(wǎng)膜上得不到匯聚面上清晰的影像，大腦無法正確處理并獲取和諧的雙眼融合的空間影像，于是會出現(xiàn)不同程度的畫面失真感，同時會產(chǎn)生不適應感[4].因此，在模擬3D影像的時候，如果沒有掌握匯聚面的調(diào)節(jié)規(guī)律，很容易產(chǎn)生過大或過小的非自然的感知深度，就會影響3D影像的觀看舒適性.

圖1 視覺焦點與匯聚點示意圖Fig.1 Schematic diagram of visual focus and convergence point

聚焦點與匯聚面的適當分離可以增加視覺立體效果，立體效果正是3D影像作品在藝術創(chuàng)作中的視覺生命，是3D影像作品的價值所在.而過度的調(diào)節(jié)聚焦與匯聚的分離會得不出融合的空間影像，反而引起視覺疲勞與不適感.這種舒適性與立體效果的矛盾需要找到一種平衡的解決方法，在保證觀影最大化的立體效果的同時，也保證觀眾在觀影時的舒適性.本文接下來將從攝像機的匯聚面參數(shù)、影像創(chuàng)作者的影像視覺語言的表現(xiàn)方式、3D影像的觀看環(huán)境3方面進行分析.

2 3D影像攝制的參數(shù)限制對3D影像觀看舒適性的影響

3D影像攝制技術是基于2D影像攝制技術發(fā)展而來的，3D影像攝制的原理與2D影像攝制原理基本相同.3D影像攝制中采用的視聽語言元素同樣也包括:鏡頭、景別、攝影構圖、機位與視角、照明、光源色溫、攝影運動技巧、聲音特性與錄音[4]；制作環(huán)節(jié)也包括:籌備階段、編劇、構思、拍攝、剪輯、后期特效、發(fā)布.3D影像攝制與2D影像攝制的最大區(qū)別在于使用的攝像機的構造不同，3D攝像機的雙鏡頭基于人的雙眼成像原理設計，3D電影采用雙鏡頭成像系統(tǒng)或是物鏡和棱鏡或反射鏡組成的模擬雙鏡頭成像系統(tǒng)[5].

以標準雙鏡頭成像系統(tǒng)為例，如圖2所示(見下頁).3D電影攝像機有a1和a2兩個物鏡，兩物鏡的光軸b1和b2在攝像機的視軸軸線c上的某一點交叉，形成一個匯聚點b0.以匯聚點b0為平面中心，垂直于攝像機中軸線c形成的平面W即為匯聚面.以匯聚面為分割，匯聚面W到攝像機的視平面A間形成的距離空間L1為出屏空間W1；匯聚面W向無限遠處擴展形成的距離空間L2則為入屏空間W2.

聚焦點決定了畫面對焦的清晰度以及景深控制，如圖3所示(見下頁).3D攝像機的兩個物鏡的聚焦點可以是出屏空間W1中的d1點，也可以是入屏空間W2中的d2點.

圖2 匯聚面示意圖Fig.2 Schematic diagram of convergence side

圖3 聚焦點位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of focus position

通過3D監(jiān)視器監(jiān)控拍攝畫面時，匯聚面上的拍攝對象位于監(jiān)視器屏幕上，在出屏空間W1范圍內(nèi)的對象會呈現(xiàn)在監(jiān)視器前，形成突出的視覺效果，即出屏效果；處于入屏空間W2范圍內(nèi)的對象會呈現(xiàn)“后退”到監(jiān)視器內(nèi)的縱深效果，即入屏效果.產(chǎn)生這種視覺變化已知是由人腦的深度感知功能決定的.3D攝像機在拍攝影像時，左右鏡頭同時錄制兩路視頻影像.由于3D攝像機有物鏡間距，鏡頭攝錄時相應的光路空間區(qū)域具有差異.因此，左右畫面攝錄到的對象在角度上會存在一定的差異，這種距離差稱為視差.

圖4 正視差和負視差示意圖Fig.4 Schematic diagram of positive parallax and negative parallax

根據(jù)感知深度與視差的關聯(lián)性，可以得出正視差感知深度為.式中，e為感知深度；f為攝像機與匯聚面之間的距離；g為視差距離；h為3D攝像機的物鏡間距.

3D影像攝制中匯聚面上的視差距離值g和攝像機與匯聚面之間的距離值f關系到3D影像的感知深度，而感知深度的大小直接影響大腦的影像重合.

3 創(chuàng)作因素對3D影像觀看舒適性的影響

3D影像的作品需要運用視聽語言元素來創(chuàng)作，其中需要調(diào)整匯聚面的語言元素有攝影構圖、機位與鏡頭、剪輯時匯聚面的調(diào)整等.

3.1 攝影構圖

3D攝像機有物鏡間距，雙鏡頭攝錄時相應的光路空間區(qū)域具有差異.如圖5所示，在拍攝同一對象時，會出現(xiàn)左右物鏡拍攝不到的D1，D2與B1，B2部分.當被攝對象位于該部位時，由于只有一個物鏡能拍攝到，人的大腦無法重疊這部分區(qū)域的影像，因而無法產(chǎn)生感知深度，這部分的畫面會出現(xiàn)半透明效果.同時由于不處在聚焦面上，因而畫面會有模糊感，就如同帶了一副一個鏡片出現(xiàn)很多裂痕的眼鏡，裂痕少的地方有3D效果，裂痕多的地方呈現(xiàn)平面影像，并且模糊，觀看一段時間后會讓觀看者產(chǎn)生嚴重的眩暈效果[6].因此，構圖時被攝對象需要盡量避免出現(xiàn)在該區(qū)域.由于匯聚面會根據(jù)創(chuàng)作者的想法進行變動，因此，出屏空間W1和入屏空間W2會隨著攝像機與匯聚面之間的距離f1與f2間的相互變化而變化.由于攝像機兩物鏡的光軸夾角發(fā)生變化，雙物鏡重疊區(qū)域面積隨之改變.C1為入屏有效區(qū)域，C2為出屏有效區(qū)域.攝像機與匯聚面之間的距離較短為f1時，D1與D2相對C2面積較大，出屏空間C2較小.因此，C2區(qū)域適合拍攝小體積對象，不適合大特寫等構圖拍攝.攝像機與匯聚面之間的距離較長為f2時，D1與D2相對C2面積較小，出屏空間有效區(qū)域C2較大.因此，C2區(qū)域適合拍攝大體積對象，產(chǎn)生較好的3D出屏視覺效果.

圖5 有效構圖區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of the effective composition of regional photography

3.2 機位與鏡頭

攝制3D影像時，由于變焦與匯聚面需要同時調(diào)整，對拍攝技術要求很高.因此在拍攝時，一般采用定焦鏡頭，在鏡頭運動過程中采用配合匯聚面調(diào)整的形式產(chǎn)生鏡頭動感，獲得較好的畫面運動的韻律美感[7].采用定焦鏡頭可以固定拍攝的鏡頭畫面角度，同時便于控制鏡頭聚焦點.當鏡頭聚焦點固定時，可通過匯聚面的調(diào)整獲得感知深度，從而快速確定觀影的舒適性范圍.

本文針對攝像機拍攝時匯聚面對舒適性的影響進行了實驗調(diào)查.實驗條件:調(diào)查人數(shù)為20人，攝像機機型為松下AG- 3DP1MC，鏡頭焦距35～601.9 mm，監(jiān)視器機型為松下BT- 3DL2550MC，觀看時間為40 min.被攝對象為一瓶普通礦泉水，被攝對象距離攝像機3 000 mm.實驗取值范圍:考慮到被攝物體的位置，因此聚焦點取值在3 000 mm前后，分別為2 000，2 500，3 000，3 500，4 000 mm；攝像機與匯聚面之間的距離值固定為2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500 mm；感受程度分為:舒適、不舒適.記錄20人的觀看感受，獲得的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示.

由表1的數(shù)據(jù)可見，在不同的聚焦范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)攝像機與匯聚面之間的距離，人的觀影舒適性會產(chǎn)生變化.當匯聚面距離值接近于聚焦點的聚焦值時，即感知深度越小時，獲得舒適感的人越多；隨著匯聚面距離值與聚焦點聚焦值差距變大，即感知深度變大時，舒適度在不斷下降.將實驗數(shù)據(jù)按正負視差分類，對比結果如表2所示.

表1 不同焦距下感覺舒適人數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of the number of persons feeling comfortable for different focal lengths_______

表2 正負視差的感覺舒適人數(shù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of the number of persons feeling comfortable for positive and negative parallax

根據(jù)表2對比結果，以13人感到舒適為合格線，則舒適性實驗調(diào)查的結果為:感知深度為正視差時，感知深度在0～2 000 mm為舒適范圍；感知深度為負視差時，感知深度在0～1 000 mm為可適應的舒適范圍.攝像師在拍攝時，調(diào)整匯聚面到聚焦點前2 000 mm以內(nèi)，以及在聚焦點后1 000 mm以內(nèi)可以獲得較為舒適的3D影像.

拍攝商業(yè)3D影像時，一般都會采用多機位進行拍攝，即拍攝同一個對象時，采用兩臺以上的攝像機從不同角度、不同景別進行拍攝.不同攝像機的拍攝參數(shù)不盡相同，匯聚面、聚焦點差異較大.當多機位拍攝出的視頻按分鏡頭剪輯在一起時，由于參數(shù)差異較大，會出現(xiàn)匯聚位置不斷變換，導致感知深度不斷出現(xiàn)跳躍式錯位，人腦因無法適應這種空間的錯位而產(chǎn)生不舒適感.因此，不同機位的攝像師需要在拍攝一個新場景時，協(xié)商好一個匯聚面的調(diào)整范圍，讓同一場景拍攝的不同鏡頭畫面的感知深度比較接近，即可獲得切換鏡頭時較為舒適的畫面連續(xù)性播放效果.

3.3 3D影像非線性編輯時匯聚面的調(diào)整

3D影像的非線性編輯相比2D影像的非線性編輯多了匯聚面調(diào)整這一關鍵環(huán)節(jié)，即通過人為改變鏡頭間的物鏡間距，從而改變匯聚面的位置來獲得舒適的觀影效果，這是3D影像制作過程中非常重要的環(huán)節(jié).3D影像非線性編輯時匯聚面的調(diào)整分為兩個部分:一是針對3D影像視頻的調(diào)整；另一個則是針對輸出介質而對匯聚面的調(diào)整.

3.3.1 對3D影像視頻的調(diào)整

在剪輯3D影像時需要對左右畫面匯聚的視差距離值g進行調(diào)整.而非線性編輯時，已有的鏡頭片段都是已拍攝好的，3D影像中的3D攝像機與匯聚面之間的距離，以及3D攝像機的物鏡間距都是恒定的.因此，改變匯聚面即改變3D畫面的感知深度，也就是改變3D立體效果的強弱度[8].在選擇多機位拍攝的拼接鏡頭時，按拼接規(guī)律選擇鏡頭，需要選擇匯聚面參數(shù)相似的鏡頭.鏡頭參數(shù)差異較大時，則運用非線性編輯軟件改變匯聚面視差距離值，使得感知深度參數(shù)保持接近.在剪輯快速運動鏡頭時，需要調(diào)整由于運動速度的不同而出現(xiàn)的匯聚面快速變化而導致的眩暈感.

3.3.2 根據(jù)輸出介質而對匯聚面的調(diào)整

人們在觀看3D電影時會覺得同樣的影片在影院觀看和在家觀看時，3D效果是不一樣的.造成這個現(xiàn)象的主要原因是為了讓更多的人走進影院觀看影片，獲取更多票房收益，在剪輯時主要針對大熒幕進行匯聚面的調(diào)整，而在發(fā)布家用電視版本時，只作簡單調(diào)整或基本沒有調(diào)整[9].隨著家用3D電視機以及手持3D的快速發(fā)展，3D節(jié)目內(nèi)容的需求不斷增加，因此需要在非線性編輯環(huán)節(jié)提高該部分節(jié)目的3D觀影效果.

由于在非線性編輯時，匯聚面決定視覺深度，而在不同的觀看介質上觀看時，都需要一定的觀看距離.根據(jù)輸出介質的不同，從尺寸上將介質分為3種:一類是手持小屏幕設備，觀看距離為300～500 mm；一類為家用中等屏幕設備，觀看距離為2 500～4 000 mm；一類為大型商業(yè)顯示設備，觀看距離為5 000～30 000 mm.為此，針對不同的介質進行了實驗調(diào)查.

實驗條件:調(diào)查人數(shù)為20人，編輯軟件為Quantel V5版，編輯輸出介質分別為手持設備720P畫面、電視1080P-2K畫面、商業(yè)顯示設備4K畫面這3個不同版本，分別在10.164 cm(4英寸)、20.32 cm(8英寸)、127 cm(50英寸)、508 cm (200英寸)的屏幕上放映.匯聚面視差距離值分別為5.0～5.5 cm，5.6～6.0 cm，6.1～6.5 cm，6.6～7.0 cm，7.1～7.5 cm.感受程度分為:3D效果好觀影舒適、3D效果不好觀影不舒適.記錄20人的觀看感受，獲得的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 不同屏幕尺寸的感覺舒適人數(shù)統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of the number of persons feeling comfortable for different screen sizes

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)進行分析，不同的介質尺寸，通過匯聚面視差距離值的調(diào)整，人的觀影舒適性會產(chǎn)生變化.以6.1～6.5 cm為標準視間距，當匯聚面距離值越小時，屏幕越小的介質觀影舒適性越好，而大屏幕觀影舒適性降低；當匯聚面距離值越大時，屏幕越大的介質觀影舒適性越好，而小屏幕觀影舒適性降低.從實驗數(shù)據(jù)可以看出，視頻編輯時，發(fā)布在以10.164 cm(4英寸)為代表的手機上的3D影像和以20.32 cm(8英寸)為代表的手持設備上的3D影像，將匯聚面視差距離值調(diào)整在5.0～6.0 cm時，具有較好的舒適性效果；發(fā)布在以127 cm(50英寸)為代表的3D電視上的3D影像，匯聚面視差距離值調(diào)整在6.1～6.5 cm時，具有較好的舒適性效果；發(fā)布在以508 cm(200英寸)為代表的商業(yè)顯示設備上的3D影像，將匯聚面視差距離值調(diào)整在6.6～7.5 cm時，具有較好的舒適性效果.出現(xiàn)這些差異性是因為人在觀看3D影像時，雙眼在屏幕中的視線投射在銀幕左、右兩像點的間隔距離與人眼的眼瞳間距相接近時，可獲得較好的自然視覺效果.手持設備由于屏幕尺寸較小(有些屏幕小于人眼的瞳距)，人眼需要通過眼球向中間轉動，盡可能減少瞳距來適應屏幕，大腦產(chǎn)生左右眼影像融合畫面獲得景物自然感.剪輯視頻時，需要通過調(diào)整匯聚面，人為減少拍攝畫面的物鏡間距.因此，小屏幕設備物鏡間距要小于6.1 cm.而發(fā)布用于大型商業(yè)顯示設備上的影像時，人眼需要通過眼球向兩邊轉動，盡可能獲得更多的屏幕上的信息.因此，需要增加瞳距來適應屏幕，此時需要通過調(diào)整匯聚面，使得大型商業(yè)顯示設備物鏡間距大于6.5 cm.

根據(jù)實驗結果可以看出，通過3D影像非線性編輯時匯聚面的調(diào)整可以提供適合觀看的3D片源，剪輯時匯聚面的調(diào)整是3D影像制作過程中非常重要的環(huán)節(jié).

4 觀看條件對3D影像觀看舒適性的影響

3D影像作品的觀看介質具有多樣性，現(xiàn)有3D影像觀看方式可分為眼鏡式和裸眼式，其中眼鏡式又分為主動快門式和被動式兩種.主動快門式采用時分式技術，主要應用在3D電視上.主動快門式3D成像質量最好，但對觀眾的觀看姿態(tài)有一定的要求.被動式采用技術為:光分式、波分式和色分式[10].光分式和波分式廣泛應用在3D電視和影院，成像質量較好，應用較廣泛；色分式由于3D效果差，色彩丟失嚴重，目前已很少采用.不同技術由于自身技術的某些不足，會出現(xiàn)影響舒適性的情況，由于這不屬于本文研究的范疇，因此不作贅述.

觀眾在觀看3D影像作品時，視覺焦點基本都會聚焦于觀看介質表面，但由于觀看位置的不同，雙眼匯聚點的位置會產(chǎn)生變化.如圖6所示，D為面積大小相等的觀看介質，觀眾的觀看距離f1和f 2不等.當觀眾距離觀看介質為f1時，由于位置太近，視覺焦點位于匯聚面到觀眾之間的位置，會產(chǎn)生負視差，影像畫面立體程度很容易超出人的舒適性區(qū)域，大腦無法重合影像.因此，眼睛看到的滿是模糊的光影在屏幕上移動，讓人比較難以適應，從而很容易產(chǎn)生不適感.

圖6 觀看位置與匯聚面的關系示意圖Fig.6 Relationship between viewing position and convergence side

圖7 鏡頭間距變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of lens spacing change

5 結 論

綜上所述，匯聚面的調(diào)整是觀影舒適性的決定性因素，要制作兼具較好3D立體效果和較好觀影舒適感的影片，就需要掌握匯聚面調(diào)整的規(guī)律.通過本文的研究，解決了以下問題:一是找到了攝像機匯聚面參數(shù)調(diào)整的規(guī)律；二是在3D影像制作過程中，找出了攝像構圖的有效拍攝角度范圍；三是找出在機位與鏡頭調(diào)整時，怎樣獲得有效的3D視覺效果和舒適性的調(diào)整數(shù)值和調(diào)整規(guī)律；四是在3D影像的非線性編輯過程中，怎樣對不同尺寸的匯聚面進行調(diào)整以獲得較好的視覺效果和舒適性的方法；五是獲得3D影像觀看時的設備調(diào)整數(shù)據(jù)以及觀看位置等數(shù)據(jù).這些問題的解決，為制作出高質量的3D影視節(jié)目內(nèi)容來支撐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較為重要的意義.

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(編輯:丁紅藝)

Influence of Convergence Side on 3D Image Viewing Comfort

DAI Zheng
(School of Publishing and Communication，Shanghai Publishing and Printing College，Shanghai 200093，China)

The convergence side is a standard to distinguish 2D images from 3D images and is a key element for the viewing comfort of 3D images.Analyzing the relationship between the convergence side and viewing comfort makes the foundation of the study.The influence of convergence side on viewing comfort was analyzed from the aspects of convergence side camera parameters，visual language expression in image creation and viewing condition of 3D images.The relevance between convergence side and perception depth，parallax distance，objective lens spacing etc.was obtained.On these bases，the rules and methods for adjusting convergence side parameters in the processes of shooting，non-linear editing and showing were summed up.Through experiments，the valid data range for convergence side parameters adjustment was obtained.The results provide necessary basis for creating 3D video works with viewing comfort.

3D image；convergence side；perception depth；viewing comfort

TB 89

A

2014-06-24

戴 正(1976-)，男，講師.研究方向:新媒體技術與藝術、影視制作與傳播.E-mail:1330144@qq.com

1007-6735(2015)02-0174-06

10.13255/j.cnki.ju sst.2015.02.015