文丨肖夢雪

（北京郵電大學信息與通信工程學院，北京 100876）

虛擬現(xiàn)實技術由計算機圖形學的奠基者，美國科學家Ivan Sutherland博士1965年首次提出。在近半個世紀的發(fā)展中，虛擬現(xiàn)實技術已日趨成熟。虛擬現(xiàn)實技術綜合了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網(wǎng)絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等，并廣泛應用于科技開發(fā)、軍事、工業(yè)仿真、商業(yè)開發(fā)、醫(yī)療、娛樂藝術等眾多領域之中。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技技術，生成逼真的多感官一體化的一定范圍的虛擬環(huán)境。用戶可以采用特定裝備與虛擬環(huán)境中的物體進行交互，達到身臨其境的效果。虛擬現(xiàn)實技術以沉浸性、交互性、構想性為基本特征，沉浸性是指用戶通過虛擬現(xiàn)實裝備在虛擬環(huán)境中感受的真實程度，讓用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境中達到以假亂真；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作度，及從虛擬世界得到反饋的實時性和自然程度[1]；構想性是指用戶在虛擬環(huán)境中擴展想象空間和開闊認知范圍。

電影攝影師Morton Heilig，在上世紀60年代初發(fā)明了Sensorama（摩托車仿真器），它具有聲音、圖像、氣味、振動等多種感知功能，使參與者坐在仿真器的座位上有經(jīng)歷騎摩托車游歷美國曼哈頓街道的感覺。該發(fā)明被多數(shù)人認為是電影現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實（VR）技術的開始[2]。而現(xiàn)代的3D、4D電影也是基于Morton Heilig的發(fā)明思想。為觀眾帶來視覺、嗅覺、觸覺等多感官的仿真感受。這其中，在視覺方面為觀眾創(chuàng)造三維世界真實感的技術（虛擬現(xiàn)實中的立體顯示技術）是最為成熟的。觀眾通過佩戴立體眼鏡，就能在大屏幕上看到三維的影像了。

1 虛擬現(xiàn)實電影的關鍵技術

在1990年計算機圖形圖像業(yè)內(nèi)的奧斯卡盛會年會上，明確提出虛擬現(xiàn)實VR研究的主要內(nèi)容包括實時高分辨率立體顯示技術、CG三維圖形生成技術和多傳感器交互技術[3]，CG三維圖形生成技術成為3D電影制作的核心。根據(jù)這個基礎，觀察虛擬現(xiàn)實技術近幾年的發(fā)展，可以總結出虛擬現(xiàn)實設計在電影中（除CG外）以下關鍵技術。

1.1 立體顯示技術

立體顯示技術是視覺顯示技術中較復雜和關鍵的技術，同時，它也是虛擬現(xiàn)實的重要支撐技術。由于人體兩眼間位置距離而有視差，兩眼產(chǎn)生有細微差距的畫面，這兩個畫面在大腦中融合，產(chǎn)生有空間立體感的物體。

使用三維眼鏡是目前最普遍的實現(xiàn)立體影像還原的方法，三維眼鏡可以使人的雙眼分別看到不同的圖像，模擬出雙眼看到真實物體時的效果。其中通過紅綠濾色片實現(xiàn)彩色眼鏡法，通過兩種不同方向的偏振光實現(xiàn)偏振光眼鏡法。

在顯示圖像方面主要有兩種方法，一是同時顯示法，即在屏幕上同時顯示對應左右眼的圖像，這種方式需要佩戴眼鏡。另一種是利用“視覺暫留”原理的串行式立體顯示法，即以一定頻率交替顯示兩幅圖畫，這種方法不需要佩戴眼鏡，可以實現(xiàn)裸眼3D的效果。

1.2 三維虛擬聲音的實現(xiàn)技術

虛擬場景中符合人們在真實境界中的聽覺方式，使用戶準確地判斷出聲源位置的聲音系統(tǒng)稱為三維虛擬聲音，可以在VR中減弱大腦對于視覺的依賴性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的三維聲音，使聽者能感覺到聲音來自圍繞聽者雙耳的一個球形中的任何地方。聲音在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的作用，主要有以下幾點：1）虛擬環(huán)境中的聲音為用戶提供了另一種人機交互方法，用戶可以使用語言和虛擬環(huán)境進行交流。2）對象屬性的部分信息可以通過聲音進行傳遞。3）聲音的空間信息要比視覺更加廣泛，因此通過聲音可以增強虛擬環(huán)境的空間信息。

三維虛擬聲音定位技術是三維虛擬聲音系統(tǒng)最核心的技術，它的主要特征有：全向三維定位，在三維虛擬空間中有把實際聲音信號定位到特定虛擬專用源的能力；三維實時跟蹤，在三維虛擬空間中有實時跟蹤虛擬聲源位置變化或景象變化的能力；沉浸感，有助于增強臨場效果，加入三維虛擬聲音后，能使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺；交互性，三維聲音的交互特性是指隨用戶的運動而產(chǎn)生的實時響應和臨場反應的能力。

1.3 環(huán)境建模技術

營造虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心內(nèi)容，建模是營造虛擬環(huán)境的第一步。然后在其基礎上再進行實時繪制、立體顯示、形成一個虛擬的世界。虛擬環(huán)境建模的目的在于獲取實際三維環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)其應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。

環(huán)境建模分為：幾何建模、物理建模、行為建模和聽覺建模等。幾何建模又分為人工和自動兩種，人工幾何建模是建模人員在相關平臺上利用建模軟件搭建模型，自動幾何建模則采用三維掃描儀自動采集實際物體的數(shù)據(jù)，由計算機自動搭建模型；物理建模是在建模的過程中考慮物體的物理屬性，它采用了分形技術和粒子系統(tǒng)等技術來模擬這些屬性從而使得模型更具真實感；行為建模則考慮了物體的運動及行為；聽覺建模考慮聲音的相關因素，如聲源的位置，聲源的頻譜，環(huán)境造成的回聲等。

1.4 真實感實時繪制技術

要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的虛擬世界，僅有立體顯示技術是遠遠不夠的，虛擬現(xiàn)實中還有對營造環(huán)境真實感和實時性的要求，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)希望虛擬世界可以實時生成，這就用到了真實感實時繪制技術。

真實感是在計算機中重現(xiàn)真實世界場景的過程。這可以通過模擬現(xiàn)實中物體的各種物理屬性來實現(xiàn)。即通過貼圖等方式來模擬物體的材質、紋理、光學特性、粗糙程度及物體之間的遮擋關系、景深位置等。

實時繪制是對虛擬現(xiàn)實場景的更高要求。用戶與虛擬環(huán)境進行交互時，看到的場景應當隨著用戶視點的變化而實時更新。為了避免遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生，對系統(tǒng)圖像更新的速度有很高的要求。另外，圖像更新時，相應的場景的光照變化、紋理變化、反混淆處理等也需要復雜的計算過程，這就對實時繪制提出了很高的要求。

1.5 實時碰撞檢測技術

碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實技術中一個重要的技術。在虛擬環(huán)境中，除了有靜止的環(huán)境外，也會有許多運動的物體。物體的運動會產(chǎn)生物體間的碰撞。碰撞問題一般分為碰撞檢測與碰撞響應：碰撞檢測是通過計算物體間的相應距離來判斷碰撞是否發(fā)生并反饋其發(fā)生碰撞的位置；碰撞響應是在碰撞發(fā)生后，根據(jù)碰撞點和其他參數(shù)促使發(fā)生碰撞的對象做出正確的動作，以符合真實世界中的動態(tài)效果。

由于虛擬環(huán)境中物體的幾何模型往往由成千上萬個面片組成，它的幾何復雜度大大提高了碰撞檢測的計算復雜度。同時，由于實時性的要求，碰撞檢測又需要在很短的時間（如30-50ms）內(nèi)完成，因而碰撞檢測成了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與其他實時仿真系統(tǒng)的瓶頸。

1.6 自然交互技術

作為新一代的人機交互系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實技術與傳統(tǒng)交互技術的區(qū)別主要在于自然交互、多通道、高“帶寬”、非精確交互技術等方面。

虛擬現(xiàn)實中強調(diào)自然交互性，即人處在虛擬世界中，與虛擬世界進行交互，甚至意識不到計算機的存在，即在計算機系統(tǒng)提供的虛擬空間中，人可以使用眼鏡、耳朵、皮膚、手勢和語言等各種感覺方式直接與之發(fā)生交互，這就是虛擬環(huán)境下的自然交互技術。目前，與虛擬現(xiàn)實技術中的其他技術相比，這種自然交互技術相對不太成熟。

2 立體電影中虛擬現(xiàn)實技術的應用

2.1 虛擬現(xiàn)實與3D電影

虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展與電影創(chuàng)作者息息相關，不僅最新的虛擬現(xiàn)實技術推進了電影技術的革新，電影制作者也在創(chuàng)作中對未來虛擬現(xiàn)實技術做出了大膽的構想，為未來虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，帶來了思考與啟示。

立體電影是一種利用人類視覺的“偏光原理”在銀幕上營造出三維立體視覺效果的電影形式[4]。1953年立體電影的首次出現(xiàn)，好萊塢為觀眾提供了戴著特殊眼鏡觀看如《布瓦那魔鬼》及《蠟屋》這類的驚險片。雖然傳統(tǒng)的2D電影仍然是電影的主流，但立體電影技術從未停止發(fā)展。20世紀?？怂钩銎返?D電影《阿凡達》，2010年（美國為2009年）上映之后，引起巨大反響，引發(fā)了一場3D電影風暴。有人將立體電影技術稱之為繼有聲電影、彩色電影之后的第三次電影技術革命。

2.2 CG三維圖形生成技術

如今的電影特效中，許多人物、機械、場景都是通過如3DSMAX、MAYA、Zbrush等三維建模軟件在電腦中制作。并通過燈光、材質等方式使模型達到與現(xiàn)實生活中高度一致的效果。然后通過合成軟件與實拍的場景合成。

另外，也可以通過對現(xiàn)實場景的數(shù)據(jù)采集，利用計算機建立模型。非接觸式三維激光掃描技術的數(shù)據(jù)采集可以提高建模效率，通過對掃描實體表面的離散化處理直接獲取其三維坐標信息，它不受實體曲面復雜度的影響，通過建模來描繪自然界中事物表面的微觀結構，并利用獲取的數(shù)據(jù)重構出掃描實體所對應的曲面完成建模，制作難度簡化，使用渲染速度的烘焙技術等諸多新技術，同時提高顯示質量，實時生成三維圖形[5]。

2.3 電影的高分辨率顯示技術

IMAX（Image Maximum）意為圖像最大化，是當今高分辨率顯示技術的終極代表。它采用69.6毫米*48.5毫米的膠片，感光強度是傳統(tǒng)膠片的10倍。為觀眾提供了更為清晰、明亮的影像畫面，大大豐富了影像信息。IMAX技術與3D立體現(xiàn)實技術的結合，可以為觀眾帶來最大程度的震撼感受。

2.4 Fusion 3D 攝影系統(tǒng)

傳統(tǒng)的3D電影攝影系統(tǒng)一般利用兩臺攝影機，模擬人雙眼的視角，然后通過后期合成，采用不同通道，輸出后便可以通過偏振光眼鏡看到立體的影像。Fusion 3D攝影系統(tǒng)是詹姆斯·卡梅隆團隊拍攝《阿凡達》改進的3D數(shù)字攝影系統(tǒng)，代表了3D數(shù)字攝影系統(tǒng)的最高水平。Fusion 3D攝影系統(tǒng)可以以倒裝的方式實現(xiàn)手持攝影，包括了11通道的運動控制：雙機之間的獨立匯聚控制，核心的雙鏡頭同步跟焦、變焦及光圈控制，還有為維持支架平衡而設計的發(fā)光鏡控制和基線控制等[6]。

2.5 運動捕捉與虛擬攝影

《阿凡達》團隊為了能使導演在攝影時就能看到影片后期合成的效果，發(fā)明了通過預先利用三維建模軟件建立三維場景和人物，將運動捕捉到的信息實時顯示的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩個主要的工具。其一是手持的“虛擬攝影機”（Virtual Camera），它實際上是一個監(jiān)視器，這個監(jiān)視器的位置能在各個維度上被跟蹤定位。另一個工具是“模擬攝影機”（SimulCam）它是一個貼著反光點的真實攝影機，位置被捕捉系統(tǒng)捕捉后，可以在CG（三維圖像制作技術）世界中生成一個同樣軌跡的虛擬攝影機，將實拍和CG兩路畫面以較高質量實時合成。電影制作者在計算機中的虛擬環(huán)境實現(xiàn)角色互動, 而人物在場景中的定位、面部表情和其它動作捕捉等各種攝影機技術，保障了協(xié)同工作的互動性與實時性, 從而實現(xiàn)實時人機互動[7]。

3 3D電影的現(xiàn)狀與展望

隨著3D電影熱的到來，3D技術必將飛速發(fā)展，使觀眾們獲得最大程度的視聽享受。

3.1 發(fā)展前景

由于《阿凡達》的火爆，3D電影似乎是大勢所趨。作為迅速發(fā)展的中國電影市場，自然也少不了跟上這股東風。2010年起中國立體銀幕數(shù)量不斷攀升，《魔俠傳之唐吉可德》作為號稱“亞洲首部全片3D電影”問世，遭遇了口碑與票房的雙低，中國技術的軟肋再次凸顯。在好萊塢大張旗鼓進行3D革命的同時，中國3D電影業(yè)仍然任重道遠。2010年以來，雖然在技術如此不成熟的情況下，仍有甄子丹、周潤發(fā)主演的《大鬧天宮》，張紀中拍攝的《美猴王》等3D國產(chǎn)大片推出。這些影片的投資與制作團隊當然是《唐吉可德》無法相比的，但最終效果如何，也許只能等這些電影上映后再做分曉了。

在2010年的上海電影節(jié)上，3D電影成為熱點，著名導演何平冷靜的指出，中國目前的拍攝技術和市場還有一定的脫節(jié)，在技術問題上中國電影仍為“力不從心”的狀況[8]。

3.2 裸眼3D技術

近年來，美國DTI公司、日本三洋電機公司、夏普公司、東芝公司等生產(chǎn)出一種可以不用戴立體眼鏡，而直接采用裸眼就可以觀看的立體眼鏡顯示器。Burberry 推出其3D全息走秀，LG、蘋果等公司也相繼展示了裸眼3D技術。雖然在影像的色彩、清晰度等方面無法與膠片電影比較。但相信隨著裸眼3D技術的發(fā)展，裸眼3D電影必將在不久的未來出現(xiàn)。

3.3 交互式（互動）電影

2004年歐洲文化之都的“未來電影展”為公眾帶來了一個嶄新的電影形式?！拔磥黼娪啊弊層^眾介入其中進行互動，自由地觀看電影。影展參觀者既是觀眾，又是演員，他們可以沉浸在影展展出的電影之中，這是電影的一種全息處理，不僅對眼鏡，而且對身體的其他部位[9]?，F(xiàn)在，互動式電影的研究仍在進行中。北京郵電大學數(shù)字媒體技術專業(yè)的師生們正在進行這方面的實驗。

3.4 立體電影技術在電視方面的應用

2011年，廣電總局在廣播影視科技“十二五”規(guī)劃中已明確指出要抓緊制定立體電視技術標準，同時開展相關技術試驗與播出示范，提高立體電視制播能力，計劃未來五年在全國開播多個3D立體電視頻道。3D立體電視頻道成為發(fā)展趨勢，目前在3D立體節(jié)目匱乏的狀況下，主要通過2D轉3D的技術將原來的傳統(tǒng)節(jié)目制作成3D影片。2D轉3D可以通過帶有3D通道的后期合成軟件，將2D圖像分離為深度圖層，進行3D轉換。但這種轉換得到的影片與3D制作的影片仍有相當大的差別。

Pace HD與NBA合作，立體直播NBA全明星賽，實況通過光纖傳送到一個600座位的立體影院和一個較小的體育網(wǎng)吧。Pace HD做的另一項現(xiàn)場立體報導實驗是拍攝了NBA錦標賽中一場比賽，并把客場實況傳回給主場球迷[10]。

4 結語

虛擬現(xiàn)實技術日益成熟，研究成果應用于眾多領域。虛擬現(xiàn)實技術是一門新興的學科，包括許多前沿科技，需要時刻關注相關技術最新的發(fā)展動向與研究成果。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展推動了電影技術的革新，而電影人的創(chuàng)作從另一方面也為虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)新提供了源泉。3D立體電影今年來成為熱門，也可以從側面反映虛擬現(xiàn)實技術的革新對人民生活帶來的影響。對于發(fā)展中的中國來說，無論是虛擬現(xiàn)實技術還是立體電影技術，離世界先進水平還有相當大的距離，與西方發(fā)達國家仍有技術上的差距，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術在我國3D電影中的應用必有較大的發(fā)展。

[1]梁華勇. 虛擬現(xiàn)實技術及其在高校中的應用. 廣州培正學院學報，2005（4）：61-63.

[2]陳誼. 虛擬現(xiàn)實技術及其應用.北京輕工業(yè)學院學報，1998（1）：36-40.

[3]陳誼. 虛擬現(xiàn)實技術及其應用.北京輕工業(yè)學院學報，1998（1）：36-40.

[4]徐紅. 好萊塢跑步進入3-D電影時代. 電影新作，2008（3）：54-55.

[5]劉暢. 解析電影中的虛擬現(xiàn)實技術. 電影文學，2011（9）：27-28.

[6]朱梁. 電影《阿凡達》的數(shù)字立體和虛擬攝影技術. 現(xiàn)代電影技術，2010（2）：22-26.

[7]朱梁. 數(shù)字技術對好萊塢電影視覺效果的影響（二）. 影視技術，2004（12）：34-37.

[8]李九如. 3D電影時代是否已到來？——2010年中國3D電影遭遇滑鐵盧.電影，2011（1）：31.

[9]阿妮克·比央西尼. 未來電影震驚銀幕. 留學生，2004（3）：59-60.

[10]金悅譯，章鑒校. 數(shù)字3D電影的進展. 現(xiàn)代電影技術，2009（2）：17-19.