三維視頻技術(shù)在仿真實驗中的應用

付麗秋

（中國人民武裝警察部隊學院 科研部，河北 廊坊 065000）

三維視頻技術(shù)在仿真實驗中的應用

付麗秋

（中國人民武裝警察部隊學院 科研部，河北 廊坊 065000）

為提高消防指戰(zhàn)員的火災現(xiàn)場處置能力，開發(fā)了油罐區(qū)滅火救援計算機模擬訓練平臺。根據(jù)典型的滅火救援指揮實例制作了三維立體視頻。重點闡述了視頻制作的步驟及制作三維視頻區(qū)別于二維視頻的關(guān)鍵技術(shù)。

立體視頻；消防訓練平臺；模擬演練

Abstract：With the rapid development of the stereo video technology，the multimedia technology has become the development direction in the future，and its application research is getting more and more attention.Taking fire fighting and rescue command system based on the typical disasters as 3Dvideo production examples，this paper expounds the video production steps and makes 3Dvideo to distinguish from the key technology of 2Dvideo.

Key words：stereoscopic video；fire fighting platform；simulation drill

為提高消防指戰(zhàn)員的火災現(xiàn)場處置能力，中國人民武裝警察部隊學院開發(fā)了油罐區(qū)火災滅火救援計算機模擬訓練平臺，并利用此平臺開展滅火救援技戰(zhàn)術(shù)專業(yè)訓練和模擬演練。在此基礎上，采用立體視頻技術(shù)，將演練過程再現(xiàn)在消防官兵面前，用于總結(jié)經(jīng)驗。通過模擬訓練，可以減少消防戰(zhàn)士經(jīng)常性的到現(xiàn)場進行練兵，既不影響人民正常的生活秩序，又能達到避免重復投資、降低訓練成本的目的。

1 拍攝腳本的設計方案

油罐區(qū)火災滅火救援計算機模擬訓練平臺主要是在虛擬的災害場景中，模擬訓練公安消防部隊指戰(zhàn)員對現(xiàn)場情況進行判斷，制定具體技戰(zhàn)術(shù)措施和力量部署方案，提高處置指揮能力。根據(jù)課題研究內(nèi)容及火場救援實際情況，我們將腳本分為5部分設計。

（1）關(guān)于計算機模擬訓練平臺體系結(jié)構(gòu)的介紹。訓練平臺的邏輯架構(gòu)包括導調(diào)控制室、模擬訓練室、觀摩研討室和專家研討室?？紤]視頻效果，我們在功能介紹部分采取分鏡頭拍攝，使之直觀易懂。模擬演練平臺的軟件系統(tǒng)由訓練設置、態(tài)勢顯示、戰(zhàn)術(shù)處置、處置評判和過程回放等功能模塊組成。為便于理解，我們采用圖表的方式呈現(xiàn)上述內(nèi)容，形象生動。

（2）模擬演練策劃和組織。模擬演練方案由具有豐富滅火和救援經(jīng)驗的專家制定；訓練方案的情景拍攝主要由專家組和研發(fā)人員共同討論并修改擬訂；工作場景主要通過場景建模、行為建模、程序編寫、訓練控制等過程表現(xiàn)。

（3）模擬演練實施。拍攝的演練場景以火災撲救和應急救援等執(zhí)勤戰(zhàn)斗行動的時間發(fā)展為序，將訓練流程劃分為接警出動、出戰(zhàn)指揮、支隊全勤指揮部指揮、支隊值班首長指揮、總指揮部決策等5個階段。場景操控人員由熟悉演練平臺功能及其應用的技術(shù)專家組成。在訓練實施過程中，導調(diào)控制人員專注于演練腳本的可視化實現(xiàn)，控制虛擬場景中的災害體、煙火、環(huán)境、裝備和人員等場景構(gòu)成要素的動態(tài)變化。

（4）采取現(xiàn)場過程回放的方式進行演練講評。演練結(jié)束后，專家組對演練中受訓學員的快速反應能力、對現(xiàn)場態(tài)勢的分析處置能力以及能否按照搶險預案和事故現(xiàn)場實際情況制定出最佳的搶險救援方案等進行講評，提高受訓者在實際戰(zhàn)斗中的作戰(zhàn)指揮能力。

（5）對外參觀交流。實驗室計算機模擬演練平臺自建成以來得到了廣泛關(guān)注，多次接待各級領(lǐng)導參觀指導和國內(nèi)外消防領(lǐng)域?qū)＜?、學者交流訪問，并獲得了較高的評價。本部分主要是使用照片和視頻資料，選材按照觀摩人員的職業(yè)類別以及國籍等進行分類，突出重點，強調(diào)代表性。

拍攝所用的設備為Panasonic的AG-3DA1MC型集成式3D攝錄一體機。此設備為單機身配備雙鏡頭，通過雙鏡頭系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)相機內(nèi)的左右兩個鏡頭的光軸交匯點進行3D圖像錄制。

2 視頻編碼

人在觀察物體時，兩只眼睛的注視角度稍有不同，左、右兩只眼睛在視網(wǎng)膜上投射的圖像存在一定程度的水平差異，其差異被大腦識別后，經(jīng)過大腦皮層的融合作用，眼睛就能看到物體的深度與距離，即可形成具有立體感的視覺影像（見圖1）。

圖1 雙眼視差立體成像原理圖

圖1中A和B為兩物點，A1和A2分別為物點A在屏幕上呈現(xiàn)的左、右圖像，B1和B2分別為物點B在屏幕上呈現(xiàn)的左、右圖像。如果通過設備使左眼只能看到A1和B1，右眼只能看到A2和B2，在大腦中就可以反映出物點A和B的深度信息。雙眼視差隨與物點的距離增加而變化，當距離超過1 300m時雙眼視差為零。如果雙眼的視力差距很大（如一個眼睛視力正常，一只眼睛弱視），也看不出立體效果［1-5］。

立體視頻一般有2個視頻通道，數(shù)據(jù)量遠超過單通道視頻，所以對立體視頻的高效壓縮尤為重要。CineForm軟件具有高效編碼的優(yōu)勢，利用該軟件對素材進行編碼，不僅能夠提高剪輯的流暢性，還能很好地提升畫質(zhì)，方便后期制作過程中對素材進行摳像、合成、調(diào)色等操作。用AG-3DA1MC攝錄機拍攝的記錄為AVCHD編碼，并存儲在2塊SDHC卡中。我們將卡中的記錄完整備份后，使用CineForm軟件的HDLink對卡中包含左右兩眼視頻的素材進行編碼。HDLink可對單一或多個文件或文件夾中的所有文件進行編碼，并通過Prefs設置其存儲位置及輸出格式（見圖2）。

啟動CineForm的FirstLight軟件，導入經(jīng)HDlink編碼后的Left Eye File和Right Eye File素材，將左右兩眼文件合并成一個3D文件。使用First-Light軟件可實現(xiàn)實時一級全局校正視頻色彩及其他的Active MetaData和Passive MetaData的調(diào)整，這是CineForm編碼的素材與Apple ProRes和Avid DNxHD的主要區(qū)別。操作過程如圖3所示。

圖2 CineForm編碼界面圖

圖3 操作流程圖

3 三維視頻編輯

視頻編輯主要采用目前流行的Adobe Premiere Pro非線性編輯軟件。雖然它具有強大的視頻及音頻編輯功能，但是由于高清視頻是采用不同封裝格式的壓縮編碼而成，具有很多不同的格式，然而Premiere Pro并不能完全支持它們，因此在編輯高清視頻時無法直接導入編輯器。

我們通過使用Premiere Pro的相關(guān)插件以及CineForm軟件的配合，實現(xiàn)了高清視頻的直接導入，這樣可以減少因轉(zhuǎn)碼而造成的視頻質(zhì)量的損失［6-7］。

設置AG-3DA1MC攝錄機錄制的視頻分辨率為1920×1080像素，因此Premiere Pro預設中應設置相同的分辨率。視頻編輯所需素材主要來源于兩部分：一部分是由AG-3DA1MC攝錄機錄制的視頻，經(jīng)過CineForm軟件的編碼和合并后成為單個3D視頻素材，可直接導入視頻編輯器；另一部分是使用其他2D視頻素材，需要經(jīng)過相應的設置轉(zhuǎn)換為3D視頻。

3.1 視頻格式

立體視頻不論是左右分離、左右合成、上下合成，還是逐行掃描交錯等格式，都可以用Stereoscopic-Player或其他立體播放軟件播放成雙屏輸出、跨屏、左右畫面、上下畫面、交錯畫面等顯示方式。筆者采用的是可做成1080高清的上下格式。上下格式是偏振格式之一，當戴上偏振光眼鏡時，左右眼只能分別看到對應的視圖，從而實現(xiàn)分像。上下格式和左右格式都是非標準長寬比的視頻格式，上下格式是上下排放的?，F(xiàn)在流行的寬屏16∶9立體電影即做成上下格式，2D播放時擁有更大的可視面積［7-8］。

3.2 視頻編輯

由于最終要播放的是立體視頻，如果導入的素材是2D視頻，則必須按照立體視頻的格式輸出。若導入的素材大小和所需大?。ū緦嶒炛惺褂?920×1080）一致，設置相對比較簡單：將素材分別拖入時間線1和時間線2，設置時間線1素材的特效控制臺的fx運動屬性。由于上下格式的真正分辨率算法是寬度不變，高度除以2，因此調(diào)整高度為50，取消等比縮放的復選框，設置位置960×810；同樣設置時間線2素材的特效控制臺，點擊fx運動屬性，調(diào)整高度為50，取消等比縮放的復選框，設置位置960×270。若素材大小與所需不一致，有2種設置方法。

第一種方法是：通過其他軟件如AfterEffect將素材按照所需大小重新輸出后，即可按照上述介紹的視頻大小與所需視頻大小一致的方法進行設置，設置如圖4所示。

圖4 方法1屬性設置圖

第二種方法是：將同一素材分別拖至時間線1和時間線2，將時間線1素材縮放至顯示窗口的上半部屏幕，時間線2素材縮放至顯示窗口的下半部屏幕。fx運動屬性的設置要根據(jù)導入素材大小進行調(diào)節(jié)，數(shù)值上沒有規(guī)律可遵循，需要逐一細微調(diào)節(jié)，同時要通過3D播放軟件反復察看調(diào)節(jié)的位置是否合適，觀看是否有眩暈感，設置如圖5所示。圖6為效果圖。

圖5 方法2屬性設置圖

4 效果和應注意的問題

圖6 效果圖

三維立體視頻色彩鮮艷，層次清晰，能夠產(chǎn)生很強的視覺沖擊力，給人一種身臨其境的感覺，可以真實地重現(xiàn)客觀世界的景象，表現(xiàn)出圖像的深度感、層次感和真實感。雖然目前3D技術(shù)迅猛發(fā)展，但由于成像技術(shù)的運用沒有考慮到人眼對注視物體模糊程度差異的調(diào)節(jié)，導致三維立體畫面不分遠近，均清晰地呈現(xiàn)在觀眾面前，很容易使人產(chǎn)生眼疲勞。同時由于三維立體視頻播放的影像有重疊的視覺效果，且播放速度比正常慢，常給人眩暈的感覺。早在2010年4月，三星電子曾在其澳大利亞網(wǎng)站上發(fā)布了一份題為《光敏性癲癇警告和其他健康風險》的報告，列出了由于觀看3D電視可能產(chǎn)生的視力下降、頭暈、視線恍惚等癥狀以及由此引起的惡心、抽搐、痙攣、方向障礙等不適。索尼和松下也對使用采用3D技術(shù)產(chǎn)品的消費者提出過類似的警示［9-14］。可見，不論是眼鏡式立體視頻還是后來發(fā)展的裸眼式3D，對人的健康影響都不應被忽視。

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Application of 3Dvideo technology in simulation experiments

Fu Liqiu
（Department of Scientific Research，Chinese People’s Armed Police Force Academy，Langfang 065000，China）

TP391.41

A

1002-4956（2013）12-0111-03

2013-05-14修改日期：2013-05-23

十二五國家科技支撐計劃課題“超大油罐火災防治與危險化學品事故現(xiàn)場處置技術(shù)研究”（2011BAK03B07）

付麗秋（1975—），女（滿族），黑龍江哈爾濱，碩士，副教授，研究方向為消防安全.

E-mail：fuliqiu＠sina.com