校園立體電影院之開發與其在數位內容之應用
A Development of Campus Stereoscopic Cinema
and its Application to Digital Content
李俊賢
李定原
修平技術學院
資訊管理系
Jiunn-Shyan Lee and Ting-Yuan Lee
Department of Information Management, Hsiuping Institute of Technology
[email protected] [email protected]
摘要
進入立體電影院，觀眾戴著偏光立體眼鏡，看 著銀幕裡不斷向外扔出東西，嚇得閃躲不已，彷彿 身臨其境，其立體電影的感染力與震撼力絕非一般 普通的平面影像所能比擬。電腦動畫運用電腦圖學 三維成像之技術以製作產生出連續影像，此一成品 可廣泛應用於娛樂、研究與其他工商業用途，我們 將延伸此工具「電腦動畫」與「立體電影」相互結 合的可能性，利用3DS Max 來實現動畫短片，並 且在實際的立體偏光投影平台上加以驗正。我們希 望發展數位內容的相關展現技術，藉由立體放映的 形式來增顯其應用價值，可進一步擴展數位內容的 吸引力與學習成效。 關鍵詞：立體影像、虛擬實境、數位內容。1. 緒論
1.1 前言 電腦動畫運用電腦圖學三維成像之技術以產 生出連續影像，此一成品可廣泛應用於娛樂、研究 與其他工商業用途[11]，本研究將探討「電腦動畫」 與「立體電影」相互結合的可能性，實作設計出完 整的電腦動畫，並在實際硬體平台上加以驗正，除 進一步擴展電腦動畫之商業娛樂用途外，更可建立 相關開發立體影片之關鍵技術與培育製作立體動 畫之人才，配合國家發展數位內容產業之政策。 在觀看立體電影時，須先戴上一副立體眼鏡， 才可以觀賞到立體電影的效果，要是我們在觀看時 把眼鏡拿掉，結果會發現銀幕上的電影其實是十分 模糊的，似乎是由兩個不同的影像所疊合而成的， 但是在載上眼鏡之後就會產生立體效果，這原理究 竟是什麼？事實上是因為立體電影實際是由兩個 影像所疊合而成的，而透過立體眼鏡對於光的選 擇，而分別進入到我們的右眼與左眼中，使我們產 生立體影像的感覺。 立體電影所需的兩組影像是利用兩個角度稍 微不同的攝影機所拍攝的，或者利用電腦做3D 成 圖計算，然後再藉由不同偏振方向的光線投影在金 屬銀幕上，而我們穿戴的立體眼鏡是由兩塊不同的 偏振片所組成的，當光線通過偏振片時，偏振片會 濾去其偏振方向與鏡片不同的光線，而只保留方向 相同的光線，如此我們的兩眼就分別接受到來自不 同偏振方向的光線，而能夠產生視覺上的錯覺，呈 現出立體效果。 1.2 研究動機 大銀幕立體投影技術與虛擬實境技術(Virtual Reality，簡稱 VR)正透過寬頻網路在遠距教學與遠 距醫療等領域逐步展開發展並廣泛應用[1, 3, 4, 8]。在醫學院，學生們可以透過虛擬實境技術與大 銀幕立體投影了解人體內部各器官組織架構；醫生 們更可在遠距離做遙控、觀察與指導外科手術。在 娛樂方面，虛擬實境技術加上大銀幕立體投影使遊 戲強化真實感、沈浸感、與互動感。大銀幕立體投 影結合虛擬實境技術在軍事與航空發展的工業 中，其應用前景也是更加廣闊，例如︰虛擬戰場模 擬系統、決策支援系統、太空導航飛行器等。 當我們前去科博館欣賞該館最大賣點之一的 「立體電影」時，一入場便領到一副硬紙板做成的 * 本 研 究 承 蒙 國 科 會 工 程 處 專 題 研 究 計 畫 之 經 費 補 助 (NSC93-2622-E-164-001-CC3)，謹向國科會工程處致謝。3D 偏光眼鏡，心想這樣就會有 3D 立體效果嗎？ 果然在電影的一開場，出現的就是一群深海熱帶魚 的特寫，彷彿那些魚就悠游在我們面前幾公分近的 地方似的，我們深深地被這一些3D 特效所吸引， 就算過了這麼久依然記憶猶新，不經好奇這麼酷炫 的電影到底是如何完成的，也因此興起了我們以 「立體電影」來做為本研究的主題。 有鑑於近年來，在高雄市成立的科學工藝博物 館或台北市的天文科學教育館，其中最獲民眾青睞 的要算是聲光俱佳的立體動感電影院，超大銀幕的 設計、立體環繞音響系統，可體驗身歷其境的新奇 感受，著實吸引不少老少民眾的注意。當然在其餘 地方也有立體劇院的設施，如台中自然科學博物館 與台北中影文化城，不過普遍存在少許問題： (1). 普及程度不足。只集中於少數城市地區，無法 普及至各鄉鎮，甚至無法吸引商業投資，推廣至商 業娛樂等應用層面。 (2). 建置成本過高。通常需花費巨資引進國外的立 體電影系統，每年編列高額硬體維護費用與軟體的 授權支出成本，造成經營上的困難。 (3). 內容產出短缺。立體影片的供片量少，且絕大 多數為國外影片，劇院一再播放重覆老片無法吸引 觀眾，造成觀眾逐年流失。 於是我們希望本研究能建立台灣的立體電影 垂直整合產業鏈，從原創題材腳本設計、電腦動畫 內容製作、數位影片拍攝剪輯、系統建置整合開 發、甚至是設備研發製造與行銷通路等，提供產業 界對立體劇場的完全解決方案，以吸引更多的來客 數，進而與許多博物館或學校合作，達到育教於樂 之教育訓練目的。我們投入立體電影產業的技術研 發，它的效益是顯而易見，其立體顯示系統的應用 包括：數位博物館的展示、廣告媒體傳播、商品介 紹展示、並可整合到電子遊戲機、學習遊戲機等產 品，有不容小覷的潛在龐大市場。
2. 背景知識
由於人類的雙眼集中於一面，相較其他大多數 的動物而言，犧牲了視覺範圍，卻增加了判斷深度 和距離的能力，兩眼間的距離平均約6.5 公分[3]， 使得不論你用哪一隻眼睛去看一個較近的物體，都 會得到不同的遠背景，這種左右眼所見到影像並不 相同的現象，稱為雙眼像差(binocular disparity)。 因為我們人有兩隻眼睛，當看遠的地方時兩眼 幾乎平行，左右眼所看到的景象亦幾乎是一樣的， 但當看近的東西時，比方說當我們把手伸直，手拿 鉛筆對著鼻子然後用左右眼分別去觀察，這時就會 發現所看到的是明顯不同角度的影像，所以由於雙 眼像差我們人類才能看到立體的影像。如果電影能 夠讓觀眾的右眼看到右邊的視角影像，左眼看到左 邊的視角影像，那麼就有可能製作出立體電影。 2.1 立體對的計算 底下我們將介紹如何使用電腦三維成像計算 來產生具有深度知覺的立體對[2]，這樣的應用在 許多方面有極大的效用，例如：科學視覺、遊戲娛 樂、空間建築與數位學習等。 如圖1 所示，當物體是位於投影平面之後，左 眼的投影點位於左邊，而右眼的投影點位於右邊， 兩 投 影 點 的 距 離 稱 為 水 平 視 差 (horizontal parallax)[2, 3]。因為兩投影點位置相對於人的雙眼 而言是在一致的方向，所以被稱為正視差(positive parallax)，值得一提的是最大正視差發生在當物體 位於無限遠時，正視差值為兩眼間的距離。 假如物體是位於投影平面之前，左眼的投影點 位於右邊，而右眼的投影點位於左邊，即所謂的負 視差(negative parallax)。當物體位於投影平面與兩 眼中間位置的一半時，負視差剛好等於兩眼距離， 當物體漸漸靠近觀察者，負視差會漸漸增大至無限 大，應該要避免其發生。 圖1 左右眼所見到影像並不相同稱為雙眼視差假如物體是位於投影平面上，左右眼的投影點 會密合在一起，因此被稱為零視差(zero parallax)。 有很多種架設虛擬攝影機的方式可以產生立體 對，但多數是不正確的方式[2]，為了能讓兩張影 像在腦海裡融合，為了不讓觀察者感到不舒服只看 到兩張位移的影像，我們將討論利用3D 成像計算 軟體來架設虛擬攝影機組的有效方式。 如圖2 所示，如此架設虛擬攝影機的方式稱為 "toe-in"，每一個攝影機會朝向同一個焦點，此方 法相當於將場景做旋轉，此方法所產生的影像仍會 有立體感，但會產生垂直視差(vertical parallax)， 而引發不舒服的感覺。 圖2 "toe-in"方式相當於將場景做旋轉 如圖 3 所示，正確產生立體對的方法稱為 "off-axis"，此方法不會產生垂直視差，所以造成的 壓力感也相對較輕微，但是它需要使用非對稱式的 視覺容積(viewing frustum)，要注意的是並非所有 的成像軟體都支援非對稱型視覺容積的成像設定。 圖3 "off-axis"方式兩眼的投影中心軸為平行 2.2 立體顯示的方法 為了要使左右眼分別僅看到所對應的左右眼 影像，目前常見的技術可分為偏振區分法、時間區 分法、波長區分法與空間區分法等四種方法[9]： (1). 偏振區分法(polarization division)：常用於立 體電影的放映，兩個角度稍微不同的攝影機所拍攝 的影像，藉由不同偏振方向的光線投影在金屬銀幕 上，而穿戴的立體眼鏡是由兩塊不同的偏振片所組 成的，當光線通過偏振片時，偏振片會濾去其偏振 方向與鏡片不同的光線，而只保留方向相同的光 線，結果我們的兩眼就分別接受到來自不同偏振方 向的光線，而能夠產生視覺錯覺呈現立體效果。 (2). 時間區分法(time division)：使左右兩眼的影像 在不同時間出現，假設要呈現左眼的視角畫面時， 立體眼鏡的左眼視窗將開啟，而右眼視窗則是關閉 的;在下一時間則以相反作法來呈現右眼觀看的視 角畫面。所以如果發射器和立體眼鏡配合得宜，左 眼僅會見到左眼視角影像，而右眼見到右眼的視角 影像，再藉由視覺暫留的原理，我們的大腦會把左 右兩影像融合成一個立體影像。 (3). 波長區分法(wavelength division)：利用左右畫 面不同顏色的處理，來建構出立體影像，先將左右 眼的影像以偏紅與偏綠的個別處理。而觀賞者戴上 有色的紅綠眼鏡後，左眼只會看到紅色的左眼視角 畫面，而右眼只看到綠色的右眼視角畫面。 (4). 空間區分法(spatial division)：會使用兩部獨立 顯示的顯示器，左眼顯示器顯示左眼的視角畫面， 右眼顯示器顯示右眼的視角畫面。或是取得的兩個 不同角度的影像，分別做等距離的分割成垂直線條 狀，利用插排(interlace)的方式將左右影像交錯地 融合在一起，再配合視差遮障(parallax barrier)於融 合影像上，以限制左右影像分別進入左右眼[1]。 2.3 偏振光為主的立體 偏光鏡立體和紅綠立體相似，在觀看以此方法 製作的立體電影或投影片時，須戴上左右不同角度 (垂直與水平)的「偏光眼鏡」；攝影製作時則以雙 機或立體鏡頭取得左右眼之底片；播放時在放映機 鏡頭前疊上兩只「偏光鏡片」，並將之設定成與觀 看者偏光鏡眼鏡角度相同，才能將畫面投射在「珠 光銀幕」上。如此我們在觀賞立體電影時，便能使 左右眼各自觀看到不同視距的視圖，而得到立體效 果。這樣的作法優點是立體感十足，色彩逼真。缺 點是成本太高，過去電影院在播放結束的時候，還 必須回收這類型眼鏡的作法可想得知。由於此偏振 光立體系統的效果比起紅綠眼鏡的效果較佳，而且
比起主動式的電子訊號系統也較為經濟，所以我們 的立體電影院建置將採用此立體原理設計，詳細的 開發與佈置將於下一章中說明。
3. 系統架構
立體感是由於雙眼視差，左右眼所看到的左右 範圍有差距所形成的，所以我們只要準備好兩眼瞳 孔距離的兩張圖片，其方法可採用照相機分別拍 照，或者利用電腦做3D 成圖計算。接下來設計出 某種裝置，使得投射出左右眼在同一個地方的影 像，想辦法讓右眼僅能看到右圖，左眼僅能看到左 圖，如此一來便能在人腦裡融合成一立體影像。在 本章我們將介紹我們建置的被動式偏光立體系 統，以及動畫短片的製作工具與過程。 3.1 立體電影院架構 如圖4 所示，這是我們所建置的被動式立體系 統，無需電子式的快門眼鏡，當立體畫面放映時， 利用兩台加裝偏光鏡的投影機，同時將影片上的影 像投射到銀幕上，其中一台裝的是橫向偏光鏡，另 一台則裝縱向偏光鏡。因此觀眾需要戴上一副特殊 的偏光眼鏡，觀看時左右鏡片分別接收縱、橫偏光 方向的畫面，使得兩眼各自接收到由兩台投影機所 播放的影像，因此觀賞時就會產生立體視覺效果。 我們要實現立體投影所需的設備如下，包含一 部個人電腦、搭載吾人開發的同步播放軟體、內建 雙螢幕輸出的顯示卡、輸出連接至兩部投影機、各 裝配上偏光鏡片、以及超大型金屬投影銀幕、每人 配戴一副偏光立體眼鏡。當所有設備按圖4 所示， 連接設定完成之後，使用者戴上立體眼鏡，就可看 到非常逼真的立體動畫影片了。 投影成像介質若使用白牆或白色珠光幕時是 無法看到立體圖像的，這是因為上述這些成像介質 都會破壞偏振光，只有使用不破壞偏振光的金屬銀 幕才能看到效果佳的立體圖像。 此外，立體視覺的原理是很容易理解，但關鍵 在於同步問題，因為左右眼看到的雖是不同角度畫 面，但只要有一格不同步，觀眾馬上會因視覺錯亂 而感到難受。因此開發一套能同步放映的播放工具 成為發展重點項目之一，由於現今個人電腦的處理 能力已經不可同日而語，要求達到即時放映兩部高 品質影片並非難事，所以我們免去花費購置額貴的 同步影片放映機，而改採用自行研發的播放軟體工 具來執行此一同步播放作業。 圖4 偏振光投影為主的被動式立體系統架構 3.2 立體動畫產生 經由前面的介紹說明，我們認識了產生立體影 像與顯示的基本原理，但我們應該要如何製作出立 體動畫影片呢？我們所使用的電腦動畫製作軟體 為 3DStudio Max 同時我們搭配一個攝影機外掛 (plugin)軟體「XIdMary」，它會幫我們將所架設的 攝影機(camera)自動分離成給左右眼用的兩部水平 位移的攝影機[5]，只要我們將它設定在場景適當 位置，就可以得到左右攝影機的兩個畫面，其經由 左右個別攝影機所視得的電腦算圖，可存為靜態影 像或連續動畫。 目前我們使用的 XIdMary 是一套免費的 3DS Max plugin 軟體，用來產生具視差的左右眼影像 或影片，它是一個可以在3DS Max 中定義立體攝 影機(camera 物件)的一個 plugin，它同時也提供立 體影像的成圖組合器(compositor)。因此我們可直 接利用 3DS Max 與 XIdMary 所提供的 VideoPost 功能將兩個畫面合成單一立體影像，運用這種方式 製作簡易觀看的紅綠的立體影像十分簡便，更可做 為實際算圖前的立體檢驗步驟。4. 結果與討論
4.1 系統建置結果 進入二十一世紀，先進的電腦動畫技術已嚴然 改變了電影的製作、演出和播映的方式[10, 11]， 本研究利用3DS Max 來製作電腦動畫影片，並成 功轉換輸出成我們接受的立體電影格式，勢必能夠 造成未來視覺上的另一股風潮。我們透過產學合作 方式建構了一座小型立體電影院，由師生們負責整 體劇院架構設計，以及相關設備與技術研發，並自 行開發立體動畫影片，影像為雙機同步立體投影偏 光眼鏡系統，該立體劇院規劃於校內綜合大樓德鄰 樓的一樓，為一特殊打造的放映空間，內設24 人 座的動感座椅與 15x20 英呎超大型立體專用的金 屬銀幕，採用兩台 2,000 流明 DLP 投影機及偏光 鏡式立體投影，偏光立體眼鏡150 副，全場並配有 環繞立體音效系統。值得一提的是我們採用普及型 的個人電腦做為同步放映機，內部裝配雙螢幕輸出 顯示卡與自行設計的播放軟體，取代舊式價格高貴 的雙DVD 同步放映機，以軟體同步放映之方式取 代過去只能用硬體同步放映的窘境，目前初步的建 置成果如圖5 與圖 6 所示。 圖5 立體電影院的場景拍攝-金屬布幕與座椅 圖6 立體電影院的放映間與投影機機組 4.2 實驗分析 如圖 7 所示為我們的其中一個實驗測試場 景，內容為一個室內環境被五面牆所包圍著，並於 中心放置一顆球，其做為攝影機的目的點即焦點， 另外再擺入了兩個中文文字物件，文字物件除了不 斷自轉外也會以球為中心公轉，如此可觀察物體漂 浮於銀幕前與浸入銀幕內的不同立體感覺[6, 7]。 圖7 實驗測試用的場景-室內環境(indoor) 如表1 所示，同一場景下我們首先改變其雙眼 間距(S)的參數值由大漸小，其值分別為 F/10(十分 之一的焦距)、F/20、F/50、F/100 與 F/200。實驗 結果在這五個不同雙眼間距下所繪製的立體動 畫，皆能有效地出現立體感覺，其中F/20 與 F/50 的效果為最佳，此與其他學者研究結果相符[2, 3]。 而在 F/10 時，所有實驗觀察者都一致認為觀 看時會出現暈眩感覺，主要原因為視差(parallax) 太大，在裸眼觀察下果然是會出現位移甚大的兩個 重疊畫面。此外當我們逐漸減少雙眼間距，由F/50 減少至F/100 與 F/200 時，可以很清楚的發現到跑 在銀幕前的物體，也就是原本飛在人們面前的物體 不再那麼靠近人眼，這也是視差縮小的必然結果。 表1 雙眼間距對立體視覺效果之影響結果 S=F /10 S=F /20 S=F /50 S=F /100 S=F /200 indoor_offaxis 差 佳 佳 普通 普通 indoor_toein 差 佳 佳 普通 普通 最後我們比較indoor_offaxis 與 indoor_toein 這 兩組實驗場景，當然這兩種方式都可正常地出現立 體感，但仔細觀察下我們發現indoor_toein 中的中 雙眼 間距 計算 方式心 球 無 法 出 現 明 顯 的 立 體 感 ， 但 是 相 對 的 在 indoor_offaxis 的放映中，中心球的立體感就比較 明顯。由上述介紹的toe-in 與 off-axis 的立體成像 計算方法中可得知，toe-in 的左右畫面焦點不變所 以產生的視差不足，而off-axis 的左右畫面焦點平 行於左右攝影機，於是位於焦點所在位置的中心球 也就具有些微少許視差。
5. 結論與未來工作
5.1 結論 在虛擬實境立體環境中，人們彷彿置身於一個 完全真實的空間環境下，使得原本平面的刻板模 式，進入到一個更直覺方便、更生動有趣的應用層 面。但是由於相關VR 技術發展的不夠成熟，與時 下軟硬體設備的要求較高、價格昂貴，以及3D 內 容製作與整合方面的問題，皆造成目前立體虛擬實 境發展的困境，雖然VR 所要達成的願景很早就被 提出[3, 8]，但遲遲還未能早日實現與普及。 在本研究中，我們已嘗試利用現有的軟硬體設 備實作出一部立體動畫作品，儘管還沒有達到真正 可包裝成商業化的成品，但在意義上所代表的是， 我們有相對能力做出目前只能親身到博物館才能 看到的立體動畫電影，不管是整體硬體架構的建 置，或是軟體內容的製作開發，充份顯示出我們已 具備建立、瞭解及掌握相關開發技術，相信未來在 家庭用途或小型會議等等各項領域的立體技術應 用上，會更加的普及與指日可待。 立體電影院向來是中小學生校外教學旅行與 國內外友人必拜訪之處，砸下重金精心打造的虛擬 立體體驗，無疑是吸引來客數的一大賣點。經由本 研究的一番努力，總結我們的可能貢獻如下： (1). 國內許多博物館開設立體劇院後，卻發現無影 片來源的窘境將可獲得解決。 (2). 將原屬高價位的立體放映機免去，達成普及 化、家庭化與簡便化的立體放映。 (3). 在未來能在校內設為展示館，做為常態性之放 映與來賓訪客必參觀之地方。 5.2 未來展望 近年來，除了視覺上的身歷其境外，國外一些 立體電影院[10]，利用立體音效、噴水、吹風、震 動、煙霧及氣味等特效配合影片演出，讓觀眾產生 聽覺、觸覺、嗅覺上的真實感受，因而讓觀眾能更 加融入電影中的情節。未來我們希望除了有技術能 力建置「立體電影院」外，能更進一步達到「動感 電影院」的建置開發能力。 對於立體畫面的成像計算，我們目前是採用第 三者所設計專門給3DS Max 使用的外掛程式，在 未來我們希望能自行開發設計出立體成像外掛程 式，如此比較能符合所需並設定操控參數，而且我 們並不限定為只有3DS Max 繪圖平台，另一套受 到歡迎的Maya 三維繪圖軟體也在考量範圍內。參考文獻
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