蘇志斌，李華，呂朝輝，任慧

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 概述

活態(tài)文化資源是一種以人類行為活動為主體，具有顯見且特定的形式，并且主要依靠口述、親授、文字或圖形來繼承和傳播的文化資源，是我國傳統(tǒng)文化資源的重要組成部分。典型的活態(tài)文化資源有民族舞蹈、戲曲、婚慶、祭祀和傳統(tǒng)手工藝制作等，而由于受到地域、參與人數(shù)和影響力等限制，很多寶貴的文化資源正在淡出人們的視野，因此，對我國的活態(tài)文化資源進(jìn)行適時恰當(dāng)?shù)挠涗浐捅４妫瑢ξ幕难永m(xù)、發(fā)展和傳承都有著極其重要的意義。

本文的研究主要依托國家科技支撐計劃項目“文化資源數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范”的子課題“文化資源數(shù)字化采集、加工、支撐技術(shù)的研究”，運用數(shù)字化的手段，通過科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)文化的有效融合，對活態(tài)文化資源這種不可再生的資源進(jìn)行記錄和保護(hù)。目前，國內(nèi)外已有大量的人士著力于研究數(shù)字化在文化資源領(lǐng)域的應(yīng)用，并試圖結(jié)合各種先進(jìn)的技術(shù)，對資源對象進(jìn)行更加完善和全面的保護(hù)。對此，本文將采用國際上較為通用的雙目立體視頻拍攝技術(shù)，對活態(tài)文化資源的視頻采集和記錄進(jìn)行研究，并重點討論拍攝系統(tǒng)的組成和其中的主要技術(shù)。

2 雙目立體視頻采集系統(tǒng)的組成

目前，雙目立體視頻拍攝技術(shù)主要應(yīng)用于電影的制作和電視(如體育節(jié)目、談話節(jié)目和紀(jì)錄片等)的拍攝過程。雙目立體拍攝的基本原理就是模擬人眼對世界的觀察記錄方式，采用間距約為人類雙眼間距(約為65mm)的兩臺同種型號，同種光學(xué)和色彩性能的攝像機(jī)在一定的條件下同時進(jìn)行拍攝，并且通過一系列的處理，在顯示端將左右圖像分別送到兩只眼睛中，最終得到立體的空間展示效果［1］。根據(jù)活態(tài)文化資源的采集需求，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下兩個基本特點:

1)記錄的真實性。活態(tài)文化資源的采集是為了達(dá)到對傳統(tǒng)文化進(jìn)行記錄和保護(hù)的目的，采集樣本應(yīng)當(dāng)完整、清晰，保證記錄內(nèi)容真實，客觀、準(zhǔn)確地再現(xiàn)當(dāng)時的活動情況。為此要求系統(tǒng)選用的設(shè)備具有支持專業(yè)拍攝和制作的性能，其中攝像器件可選用高清的CMOS或CCD。

2)制作的非實時性?；顟B(tài)文化資源的采集通常情況下沒有實時轉(zhuǎn)播的要求，因此后期制作部分可以不在現(xiàn)場而獨立完成，留給編輯更多的思考空間。

圖1 雙目立體視頻采集系統(tǒng)示意圖

2.1 雙目立體攝像機(jī)組

雙目立體攝像機(jī)組是立體視頻采集系統(tǒng)的核心部分。由于兩臺攝像機(jī)將分別模擬人的左右眼的取景功能，而立體感主要是通過水平方向的視差來體現(xiàn)的，因此兩臺攝像機(jī)攝取的圖像在垂直方向上應(yīng)當(dāng)保持一致，這需要依賴支架的組合來完成。目前通用的支架設(shè)置有水平支架和垂直支架(又稱為反射鏡式)兩種形式，如下圖2所示。水平支架形式就是通過特制的滑軌將兩臺攝像機(jī)并行排列在同一平面上，通過改變攝像機(jī)之間的間距和鏡頭的朝向來調(diào)整立體效果。而垂直支架形式則主要利用一種與攝像機(jī)軸線呈45度，具有半透射半反射功能的單相透視鏡將同一光軸的入射光“分割”進(jìn)入兩臺攝像機(jī)，雖然在外觀上垂直放置，但兩臺攝像機(jī)仍然起著模擬左右兩眼的觀察記錄作用，并且為了產(chǎn)生具有視差的成像，兩臺攝像機(jī)中須有一臺在拍攝方向上橫向錯開少許安置，如下圖3所示。由于采用垂直支架形式，通過鏡面反射得到光信號的攝像機(jī)1會產(chǎn)生和攝像機(jī)2相反的倒像，為保證觀看一致，在進(jìn)行視頻合成和顯示前需要先對倒像進(jìn)行處理，同時對攝像機(jī)2產(chǎn)生的圖像進(jìn)行相應(yīng)的延時。

水平支架是一種較為傳統(tǒng)的拍攝形式，造價相對較低。局限性是兩臺攝像機(jī)的最小軸間距相當(dāng)于攝像機(jī)的寬度，因此不適合拍攝近距離的物體，實際常用于對遠(yuǎn)景或全景場面的拍攝。垂直支架的優(yōu)點是軸間距的自由調(diào)整(最小可達(dá)到0度)，適用于中到近距離的拍攝，當(dāng)垂直放置的攝像機(jī)位于透視鏡上方時，還可用于低角度拍攝。垂直支架的局限性是支架設(shè)置復(fù)雜，透鏡對灰塵和突然的加速度很敏感［2］。如今市面上還普遍存在一種將雙鏡頭合成在同一機(jī)身內(nèi)的一體式立體攝像機(jī)，同支架式的攝像機(jī)相比，一體式攝像機(jī)在出廠時就已經(jīng)保證了感光元件、顏色和水平垂直方向上的嚴(yán)格一致［3］，避免了支架式攝像機(jī)復(fù)雜的調(diào)整過程。此外，一體式攝像機(jī)還具有體積輕巧、方便移動等優(yōu)勢。

2.2 同步裝置

為達(dá)到正確的立體顯示效果，避免產(chǎn)生偏差和不適的視覺感受，兩臺攝像機(jī)之間需做到幀對幀的完全同步。具體表現(xiàn)在兩個方面:一是針對攝像機(jī)操作的同步，包括開始和結(jié)束拍攝的時間的同步，快門時間同步，移動攝像時的同步，變焦和聚焦過程的同步等;二是記錄過程中的視頻時碼同步。裝配兩臺攝像機(jī)的支架式拍攝機(jī)組，需要采用外部同步鎖相機(jī)構(gòu)，使兩臺攝像機(jī)完全同步。在一體化立體攝像機(jī)中，其信號處理時鐘、水平垂直同步信號本身就采用了同一系統(tǒng)，因此左右圖像的成像和定時也是一致的。

下圖4給出北京威爾帝公司生產(chǎn)的電動同步控制器，該裝置通常安裝在支架上，通過外部的操作統(tǒng)一控制兩臺攝像機(jī)的起動，對焦和跟焦等過程。圖5給出的是BlackMagic Sync Generator同步信號發(fā)生器，可通過該裝置對兩臺攝像機(jī)進(jìn)行外部時碼輸入。

2.3 立體視頻監(jiān)視器

立體視頻監(jiān)視器主要用于現(xiàn)場監(jiān)看拍攝情況和立體效果，以便對攝像機(jī)參數(shù)、間距和攝像機(jī)間夾角等進(jìn)行及時的調(diào)整。傳統(tǒng)的立體視頻監(jiān)視器僅僅實現(xiàn)兩組畫面的疊加，通過顯示屏上觀察到的參數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗值進(jìn)行調(diào)節(jié)。而現(xiàn)在的立體視頻監(jiān)視器多配有偏振眼鏡，可直接觀察立體視頻的出屏和入屏效果，并可實現(xiàn)2D和3D畫面的切換。用于現(xiàn)場監(jiān)看的立體視頻監(jiān)視器往往體積較小，顯示屏大小可以在10英寸以下，如圖6所示。

3 立體視頻采集方法

3.1 拍攝機(jī)位分布

圖6 立體視頻監(jiān)視器

活態(tài)文化資源根據(jù)其內(nèi)容與形式的不同，拍攝時也應(yīng)有不同的機(jī)位分布方式。通過對多種典型的活態(tài)文化資源的調(diào)查和分析，根據(jù)拍攝要求的不同，將資源類型分為民俗活動和手工技藝兩個大類。下表給出的是針對兩種活態(tài)文化資源類型機(jī)位設(shè)置建議。

表1 活態(tài)文化資源拍攝要求和機(jī)位設(shè)置

下圖7給出的是大型場面的民俗活動拍攝機(jī)位分布方案。其中圓圈標(biāo)出的1-6號機(jī)位為可供使用的全景和遠(yuǎn)景機(jī)位，設(shè)置在主要活動區(qū)域的外側(cè)，用于記錄整個活動的場面。實際拍攝時可以只取一側(cè)的1到2個機(jī)位，即僅在1-3號之間選擇或僅在4-6號之間選擇。方框標(biāo)出的A-D機(jī)位為中近距離的固定取景機(jī)位參考點，設(shè)置在活動場地的邊沿，用于特定人物或場景的跟蹤和特寫拍攝。三角標(biāo)出的a、b機(jī)位是可移動的拍攝機(jī)位，主要用于輔助拍攝固定機(jī)位因遮擋或難以移動等原因而無法展現(xiàn)的近距離場景。由于實際的活動場地并非規(guī)則的區(qū)域，以上機(jī)位的數(shù)量均可根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。這種針對大型場面的多種機(jī)位綜合記錄方式，可用于婚慶、競技、禮儀等文化資源的拍攝，例如哈薩克族的“叼羊”活動、塔吉克族的婚禮等。

圖7 大型場面的民俗活動拍攝機(jī)位分布示意圖

對于中小型場面的民俗活動，還可以采用僅由中近距離的固定機(jī)位組成的拍攝方式。如圖8所示的機(jī)位分布形式。其中A、B、C可以是同種類型的攝像機(jī)組，分布在活動場地的外側(cè)邊沿。這種方法沿用了2D視頻的機(jī)位分布方式，可選擇圖中的B機(jī)位作為全景機(jī)位，其余為中景，近景或特寫的機(jī)位，適用于舞蹈、戲曲等形式的文化資源的拍攝，特別是有固定舞臺的表演場所，例如朝鮮族的長鼓舞、佤族的清戲等。

圖8 中小型場面的民俗活動拍攝機(jī)位分布示意圖

針對民間手工藝的拍攝，可根據(jù)手工藝制作場所的大小選擇上文介紹的多機(jī)位的分布形式，也可以采用單機(jī)位的拍攝方法。因為很多手工藝制作是由單人或少數(shù)人在較狹小的環(huán)境內(nèi)完成的，拍攝重點也是制作的過程，多使用近景和特寫，這種情況下選擇合適的單個機(jī)位就可以滿足拍攝需求。

3.2 拍攝機(jī)型的選用

根據(jù)上文的機(jī)位分布分析，不同的機(jī)位可選擇不同的立體攝像機(jī)。在圖7所示的大場合的活態(tài)文化資源采集過程中，1-6號機(jī)位通常采用水平支架的立體攝像機(jī)組，A-D機(jī)位可采用垂直支架的立體攝像機(jī)組［4］。從拍攝需求和性價比的角度考慮，攝像機(jī)可選用廣播級以下，家用級以上的專業(yè)高清攝錄一體機(jī)。例如SONY XDCAM EX系列的PWM-EX3(CMOS)、HDV系列的 HVR-Z5C/Z7C和HVR-S270C(CMOS)、AVC HD系列的 HXRNX5C/7C攝像機(jī)(CMOS)、松下AVCCAM系列的AG-HMC153MC(CCD)、P2HD系列的 AGHVX203AMC(CCD)攝像機(jī)、CANON的XF305攝像機(jī)(CMOS)等。對于可移動的a、b機(jī)位，小型一體化的雙目立體攝像機(jī)是最好的選擇。例如SONY AVC HD系列的HXR-NX3D1C手持式一體機(jī)(CMOS)和松下的 HDC—Z10000手持式一體機(jī)(CMOS)。

需要注意的是，使用垂直立體支架的攝像機(jī)組拍攝快速運動的人物或場面時，由于經(jīng)過半透明鏡的反射和透視作用，使用逐行掃描的CMOS鏡頭攝像機(jī)會產(chǎn)生不同步的情況，因此這時宜采用CCD的攝像機(jī)。如上文中提到的松下AG-HVX203AMC。

3.3 攝像機(jī)的基本參數(shù)

拍攝視頻的過程中，同畫面顯示和處理相關(guān)的基本參數(shù)包括:攝像機(jī)的焦距、光圈和景深、電子快門、白平衡、增益等。焦距直接決定能拍攝的景物范圍和圖像的清晰程度，當(dāng)成像畫幅尺寸一定時，焦距值越大，視場角越小;當(dāng)物距不變時，焦距約長，拍攝的影像尺寸越大。短焦距的攝像頭通常稱為廣角鏡頭，具有較大的拍攝范圍［5］。立體視頻的拍攝在采用廣角鏡頭時能產(chǎn)生最好的3D效果，但考慮到實際拍攝時的不同需求，采用包含廣角、標(biāo)準(zhǔn)、中焦和長焦鏡頭在內(nèi)的變焦鏡頭是更加實用的選擇。拍攝中焦距的選擇還可以根據(jù)以下公式來確定:

鏡頭的光圈起著限制進(jìn)入鏡頭的入射光的作用，能夠調(diào)節(jié)通光量，控制景深和不同環(huán)境下成像的清晰度。當(dāng)焦距長，同時光圈增大時，可以獲得較小的景深，產(chǎn)生突出被攝主體，虛化背景的效果。專業(yè)級別的攝像機(jī)一般都具有較大的光圈，如SONY HVR-Z7C的光圈在F1.6-2.8之間，不但能在低照度的場所發(fā)揮正常作用，還有利于背景的虛化。

電子快門的調(diào)節(jié)主要同被攝對象的運動速度相關(guān)。多數(shù)攝像機(jī)的正常快門速度為1/60秒，拍攝結(jié)果看起來和人眼的感覺一樣，被攝對象快速運動的情況下會出現(xiàn)模糊現(xiàn)象。低速的快門用于制造特殊的效果，如用于拍攝快速運動物體會產(chǎn)生較長的拖拽和殘影。高速快門能夠及時的捕捉到快速運動的物體，但過高的快門速度會大幅度降低運動模糊，令畫面之間產(chǎn)生不連貫的感覺?；顟B(tài)文化資源的采集過程中，可以根據(jù)被攝對象的運動情況選擇快門，但需注意的是，在快門速度較高的情況下，由于曝光時間降低，入射的光通量較少，畫面看起來會比低速快門時暗，因此需要選擇明亮的拍攝場所，加強(qiáng)照明或者采用其他方法增加曝光，例如提高增益。此外，為避免因光源和記錄速度不同步以及一些特殊的被攝場景(例如柵欄等條紋)而引發(fā)的頻閃現(xiàn)象，快門速度也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

數(shù)字視頻中的增益就是通過電子的方式調(diào)亮畫面，在黑暗的環(huán)境下能使畫面變得明亮。但是會增加顆粒狀的噪點，并且隨著增益的增加變得越來越明顯。因此在實際拍攝中增益不宜調(diào)得太大。

攝像機(jī)的白平衡功能就是通過把畫面中的主要光線顯示為正常的白光，從而補(bǔ)償場景中光線的缺失。拍攝記錄片和紀(jì)實性節(jié)目時，應(yīng)當(dāng)通過預(yù)置或者手動調(diào)節(jié)的方式保證記錄色彩的準(zhǔn)確性。例如在處于鎢光或接近鎢光的環(huán)境時，使用3200K的色溫預(yù)置，在日光或接近日光的環(huán)境下采用5600K的預(yù)置。同白平衡對應(yīng)的還有黑平衡的調(diào)節(jié)，用于精確地重現(xiàn)黑色。黑平衡的調(diào)節(jié)可以很長時間進(jìn)行一次，但是一旦所處環(huán)境的光線發(fā)生改變，應(yīng)當(dāng)及時地調(diào)節(jié)白平衡［6］。

雙目立體視頻拍攝過程中，各類參數(shù)不但應(yīng)滿足采集內(nèi)容的需求，還應(yīng)當(dāng)在兩臺攝像機(jī)間完成匹配調(diào)整，將左右畫面拍攝出的由參數(shù)設(shè)置引起的差異降到最低。

3.4 立體視頻拍攝的3D效果控制

為了恰當(dāng)?shù)恼故九臄z對象的立體效果，在拍攝過程中需要對攝像機(jī)間距、會聚點等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還需要考慮觀眾在觀看時的舒適度感受。實際上，除了根據(jù)理論值調(diào)節(jié)參數(shù)外，還應(yīng)當(dāng)實時觀察拍攝出的立體合成視頻，才能更好地控制觀看效果。

1)攝像機(jī)間距調(diào)節(jié)

在立體攝像中，攝像機(jī)之間的間距是最重要的參數(shù)，通常用兩臺攝像機(jī)鏡頭間的間隔表示，稱為立體基準(zhǔn)(stereo base)。增大立體基準(zhǔn)時，立體感增強(qiáng)，物距不變時觀測到的物體變大;減小立體基準(zhǔn)時，立體感減弱，物距不變時觀測到的物體變小。在基本的雙目立體攝像機(jī)構(gòu)成中，該基準(zhǔn)為人眼瞳距的65mm，此時拍攝距離攝像機(jī)2-10m左右的物體，能夠得到自然的場景和立體顯示效果［7］。在實際使用中，考慮到拍攝對象的距離和鑒賞畫面尺寸等因素，立體基準(zhǔn)也要隨之改變。例如拍攝遠(yuǎn)處體積較大的對象時，不增大立體基準(zhǔn)就會很難表現(xiàn)出立體感［8］，而拍攝近處體積較小的對象時，如果不減少立體基準(zhǔn)，會導(dǎo)致視差過大，產(chǎn)生失真的效果。

2)攝像機(jī)的會聚調(diào)節(jié)

會聚指兩臺攝像機(jī)的朝向，也稱作輻輳，兩個攝像機(jī)光軸的結(jié)合點稱為會聚點(輻輳點)，包含會聚點的平面稱為基準(zhǔn)面，如下圖9所示?；鶞?zhǔn)面上的被攝物體將定位在顯示屏表面上，而光軸結(jié)合點前的物體產(chǎn)生“出屏”的效果，結(jié)合點后的物體產(chǎn)生“入屏”的效果［9］。實際拍攝時，應(yīng)當(dāng)先確定將顯示在屏幕表面的被攝體，例如圖9中的B點，然后在被攝體上將左右攝像機(jī)的光軸重合，則位于A點處的物體會顯示在屏幕之前，C點處的物體縮進(jìn)屏幕內(nèi)部。

會聚拍攝方法帶來的問題是桶形失真，即由于攝像機(jī)都朝向內(nèi)側(cè)，在畫面的兩側(cè)邊緣，左右圖像會出現(xiàn)垂直偏差。為了從拍攝上克服桶形失真的問題，可以采用平行拍攝的方法，如下圖10所示。由于兩攝像機(jī)的光軸不會相交，因此所有被攝到的物體都會出現(xiàn)在屏幕的前方。這種方法只能在后期制作時左右移動圖像來人為設(shè)定會聚點，模擬會聚拍攝的情況來控制“飛出”的被攝對象的數(shù)量和位置，否則會因為長時間觀看出屏效果而帶來眼部的不適［7］。而后期重新設(shè)置會聚點的過程除了增加制作的工作量外，還會因為左右移動圖像而損失一部分的畫面信息。因此對于文化資源的采集，采用會聚拍攝，并在后期針對失真對象進(jìn)行校正處理是一種更合適的拍攝方法。

3)視差和舒適度控制

在立體拍攝的過程中，通過變焦(水平視場角)，立體基距，主要被攝對象距離的設(shè)定等，可以達(dá)到立體效果和舒適度兼容。

在觀看3D效果時，過度的視差角度和視差縱深量會引發(fā)觀察時的暈眩感和其他不適。根據(jù)日本3D國際財團(tuán)的安全規(guī)定:為達(dá)到較舒適的觀看目的，出屏效果(如下圖11左所示)時視差角|α-β|≤1°，入屏效果(如下圖11右所示)時視差角|β-θ|≤1°;同時出現(xiàn)在屏幕上的左右眼圖像視差間距不大于瞳孔間距的65mm(兒童為50mm)［7］。在使用寬高比為16:9的顯示器時，如果在相當(dāng)于畫面高度3倍的距離進(jìn)行觀看時，的視差角相當(dāng)于畫面寬度2.9%(約為3%)的水平視差。在實際拍攝時，可在監(jiān)視器畫面上疊加顯示兩眼的圖像，實時觀看并確保水平視差大小小于 3%［10，11］。

圖11 視差角的安全量控制

立體視頻在采集過程中還有很多需要改變鏡頭焦距的拍攝情況。一旦鏡頭的焦距發(fā)生變化，立體效果也會隨之變動，因此需要控制焦距的變換情況。通常情況下，水平視角較小時，被攝物體所在的舒適區(qū)域較大，而使用長焦鏡頭時，隨著焦距的增大，視場角逐漸變小，舒適區(qū)域也相應(yīng)的變窄，而且由于立體基準(zhǔn)的增加，容易出現(xiàn)過度視差的情況，還會使主體和背景之間的關(guān)系產(chǎn)生一種紙板效果［2］。因此使用長焦鏡頭拍攝時，應(yīng)稍微減小立體基距，同時盡量拍攝會聚的基準(zhǔn)面附近的物體。

4 結(jié)論

雙目立體視頻技術(shù)是一種較先進(jìn)的視頻采集記錄方法，通過模擬雙眼的雙攝像機(jī)拍攝能夠帶來身臨其境的臨場感和更加直觀、清晰的觀察體驗。采用雙目立體視頻拍攝技術(shù)進(jìn)行活態(tài)文化資源的采集，有利于更好的記錄我國寶貴的文化資源，保護(hù)瀕危文化，同時，推動了文化領(lǐng)域的核心技術(shù)發(fā)展，符合國家“十二五規(guī)劃綱要”提出的“創(chuàng)新文化內(nèi)容形式，傳承優(yōu)秀民族文化，繁榮發(fā)展文化事業(yè)”的新要求。

本文根據(jù)活態(tài)文化資源的采集對象和基本需求，給出了雙目立體視頻采集系統(tǒng)的總體框架，并針對拍攝中機(jī)位分布，機(jī)型和設(shè)備的選用，攝像參數(shù)，3D效果控制方法等立體視頻采集技術(shù)的重點問題進(jìn)行了理論性的探討。目前，國內(nèi)的立體視頻拍攝技術(shù)還處在一種持續(xù)發(fā)展的階段，需要不斷地引進(jìn)新型的設(shè)備，探索更加合理的拍攝方案。將雙目立體視頻的拍攝應(yīng)用于活態(tài)文化資源的采集，雖然已有3D電視和電影拍攝的一些成功案例，但仍需要針對這種具有特殊要求和較復(fù)雜的拍攝環(huán)境的采集方法進(jìn)行深入的研究，拍攝中涉及的很多參數(shù)也需要在實際的操作中進(jìn)一步的驗證。

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