3D電視實驗室建設(shè)探討

劉瑞梅

(山東師范大學(xué)傳媒學(xué)院,山東濟南 250014)

3D電視實驗室建設(shè)探討

劉瑞梅

(山東師范大學(xué)傳媒學(xué)院,山東濟南 250014)

3D電視因具有縱深感和立體視覺效果而比平面電視更有吸引力,故3D電視的發(fā)展成為數(shù)字電視的一個重要發(fā)展方向,3D電視的制作和實驗教學(xué)也成為一些高校數(shù)字媒體藝術(shù)、廣播電視等專業(yè)新的教學(xué)與實訓(xùn)內(nèi)容。論述了3D電視的原理,列舉了幾種常用的3D電視拍攝、編輯與播放設(shè)備,從數(shù)字媒體、廣播電視相關(guān)專業(yè)培訓(xùn)3D電視人才的角度,提出了一種多通道3D電視投影系統(tǒng)實驗室建設(shè)方案,為相關(guān)高校建設(shè)3D電視實驗室提供參考。

3D電視;立體顯示;實驗室建設(shè)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和數(shù)字媒體藝術(shù)的發(fā)展,3D電視、3D電影在技術(shù)和藝術(shù)2方面都得到了空前的發(fā)展。從廣播電影電視領(lǐng)域看,3D電影、3D電視的技術(shù)、市場研究是當前該領(lǐng)域的研究熱點之一[1-3]。隨著廣播電影電視領(lǐng)域?qū)?D電影、3D電視人才的需求,高等學(xué)校廣播電視編導(dǎo)、數(shù)字媒體藝術(shù)等專業(yè)應(yīng)承擔(dān)起3D電影、3D電視創(chuàng)作人才培養(yǎng)的任務(wù),相應(yīng)地3D電視實驗室建設(shè)也成為高等學(xué)校傳媒類實驗室建設(shè)不可缺少的一部分[4-6]。本文從高等學(xué)校廣播電視編導(dǎo)、數(shù)字媒體藝術(shù)、動畫等專業(yè)的3D電視實驗教學(xué)與實訓(xùn)角度,介紹3D電視實驗室的建設(shè)方案。

1 立體顯示原理

人的兩眼間有4～6 cm的距離,因而人的2只眼睛看到的視覺場景是不一樣的,2只眼睛看到的視差圖像經(jīng)視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到人腦后產(chǎn)生具有縱深感的立體圖像。那么,利用2臺攝像機模擬人的2只眼睛,產(chǎn)生不同的圖像信號,保存或傳輸,再在終端由顯示設(shè)備還原成2路有差異的圖像信號,分別由人的2只眼睛觀看,在人腦中就會產(chǎn)生原來的立體感覺。這是目前信息技術(shù)模擬產(chǎn)生3D電視的基本原理[7-8]。

目前將2幅不同的圖像分別送入人的左右眼的方法有2類:佩戴眼鏡法和不佩戴眼鏡法。

佩戴眼鏡法即在觀看3D電視時需要佩戴特殊技術(shù)制作的眼鏡,采用的技術(shù)主要有分色技術(shù)、分光技術(shù)、分時技術(shù)和光譜分割技術(shù)。分色技術(shù)即將2幅圖像分成不同顏色(如紅藍、綠紅),對應(yīng)眼鏡的相應(yīng)濾色片分別送入人的左右眼;分光技術(shù),即將2幅圖像分成垂直和水平方向或右旋轉(zhuǎn)和左旋轉(zhuǎn)偏振的2種光,對應(yīng)眼鏡的相應(yīng)偏振片分別送入人的左右眼;分時技術(shù)即將2幅圖像分時顯示,在眼鏡上安置透明控制電子開關(guān),與顯示圖像時間同步,分時透過2幅圖像,分別送入人的左右眼;光譜分割技術(shù),即將2幅圖像分成2種不同光譜的光,通過相應(yīng)光譜的眼鏡分別送入人的左右眼。這些技術(shù)均需要佩戴相應(yīng)的立體眼鏡,使人的左右眼看到不同的圖像,產(chǎn)生視覺差,生成立體感。

不佩戴眼鏡法即在觀看3D電視時無需佩戴特殊的眼鏡,又稱裸眼觀看法,采用的3D顯示方式主要有柱狀透鏡方式、視差屏障方式、指向性背光分時方式等。這些3D顯示方式能產(chǎn)生2個或多個不同方向的圖像,裸眼即能看到立體的圖像。

根據(jù)不同的立體生成原理制造的3D電視設(shè)備也不同,目前應(yīng)用最多、效果較好、技術(shù)相對成熟的立體圖像顯示設(shè)備有偏振光顯示設(shè)備、分時顯示設(shè)備和裸眼顯示設(shè)備等。

2 3D電視拍攝、編輯與播放設(shè)備

3D電視的制作流程包括策劃、編劇、拍攝、編輯和發(fā)行、播放[9]。策劃、編劇、發(fā)行因不在實驗室內(nèi)進行,這里不做介紹。這里簡要介紹在實驗室中制作和播放3D電視需要的主要設(shè)備。

2.1 3D電視拍攝設(shè)備

2.1.1 2臺高清數(shù)字攝像機

利用2臺高清數(shù)字攝像機,采用水平排列或垂直排列(經(jīng)反射鏡將光路轉(zhuǎn)換為水平排列),可以根據(jù)拍攝對象的遠近,調(diào)整2臺攝像機的間距,模擬人的左右2眼獲取2路高清視頻信號,分別存儲或合成為2路立體信號,如圖1所示。

圖1 利用兩臺數(shù)字攝像機拍攝3D電視

采用2臺攝像機獲取2路視頻信號,可以自由地調(diào)節(jié)2臺攝像機的間距,從而獲得比較理想的視差信號,但需要保證2臺攝像機水平或垂直排列方向一致,保證聚焦、色溫一致和拍攝同步,通常用于固定機位的專業(yè)拍攝,效果好但操作技術(shù)難度較高。在實驗教學(xué)中,利用2臺高清攝像機水平或垂直排列,拍攝2路模擬人的左右眼視頻信號,可以很方便地展示3D電視的拍攝原理,觀察2臺攝像機的間距、聚焦與3D深度的關(guān)系,充分鍛煉學(xué)生的綜合操作能力。

2.1.2 雙鏡頭一體立體攝像機

目前,一些公司推出了雙鏡頭一體的立體電視攝像機,為拍攝3D電視提供了極大的方便。這類雙鏡頭一體的3D攝像機,使用了雙鏡頭、雙感光元件、雙記錄單元等新技術(shù),2個鏡頭和半導(dǎo)體感光、記錄單元安裝在一個緊湊的機身內(nèi),軸間距比雙攝像機短得多。2鏡頭的光軸方向、光圈、變焦、聚焦、色溫等高度精確一致,很容易調(diào)整,避免了使用2臺攝像機容易造成色溫、光圈等攝像機參數(shù)不一致的問題。在移動機位拍攝時可以從多種角度以更大的幅度來移動機位,極大地減少了拍攝時調(diào)整和設(shè)置的時間,更容易實現(xiàn)對移動目標的跟蹤拍攝和場景變化。雙鏡頭一體機的缺點是軸間距固定,拍攝大場景時,3D效果不如平行支架雙攝像機拍攝的效果好。

這類3D攝像機有中、高檔類型。在實驗教學(xué)中可以配備少量的高檔專業(yè)級雙鏡頭一體的3D攝像機,例如,松下全整合型高清3D攝錄一體機AG-3DA1MC、索尼PMW-TD300。這類高清3D攝錄一體機具有較高的技術(shù)指標和性能,價格也較高,可以拍攝高品質(zhì)的3D立體視頻,分辨率能夠達到1920× 1080p的全高清級別。在教學(xué)實驗室中配置幾臺,可以作為教師或?qū)W生拍攝高質(zhì)量的3D電視或創(chuàng)作使用。作為學(xué)生拍攝3D電視實驗教學(xué)練習(xí)使用,可以選用中低檔3D攝像機,如松下的HDC-Z10000GK、索尼的HXR-NX3D1C等,這類3D攝像機具有較高的性價比,而且便攜,在校園內(nèi)應(yīng)用非常方便。

2.1.3 單鏡頭3D攝像機

此外,SONY公司推出的單鏡頭3D數(shù)字攝像機,能夠以240 fps記錄自然平滑的3D影像。該攝像機用單鏡頭通過分光鏡將左右圖像分離,用左右影像傳感器分別感光存儲,形成3D圖像,解決了雙鏡頭光學(xué)差異造成的任何問題和時間同步問題,能夠自然平滑地記錄快速運動的3D場景。

2.2 3D電視編輯設(shè)備

目前國內(nèi)外主流的非線性編輯系統(tǒng)都支持3D電視節(jié)目的后期編輯,如Autodesk Smoke 2011、Sony Vegas Pro10、AVIDmedia composer 6、EDIUS 3D、索貝的Editmax 3.0等[10]。利用這些非線性編輯系統(tǒng)可以對3D電視節(jié)目進行剪輯、3D調(diào)整(包括水平/垂直補償、變焦調(diào)整、梯形畸變校正、旋轉(zhuǎn)調(diào)整、色彩校正)、插入立體字幕和立體特效等。專業(yè)的非線性編輯系統(tǒng)價格往往較高,采用高配置的PC機,在Adobe Premiere和APPLE Final Cut Pro中通過CineForm公司的Neo3d插件也能進行3D電視節(jié)目編輯,在3D電視實驗室中應(yīng)用不失為一種經(jīng)濟的方法。

2.3 3D電視顯示設(shè)備

3D電視的顯示設(shè)備有多種類型,可以是3D電視機、監(jiān)視器或計算機顯示器。根據(jù)3D電視的顯示原理,3D電視的顯示設(shè)備可以分為分色顯示設(shè)備、分時顯示設(shè)備、偏振光顯示設(shè)備、裸眼立體顯示設(shè)備和3D投影顯示系統(tǒng)。

裸眼立體顯示設(shè)備根據(jù)不同的光學(xué)和結(jié)構(gòu)原理,主要分為狹縫光柵技術(shù)、柱狀陣列透鏡技術(shù)和指向性背光分時技術(shù),有相應(yīng)的裸眼立體顯示器,但技術(shù)指標和價格不同[11]。狹縫光柵顯示器和柱狀陣列透鏡顯示器,相對背光指向性顯示器的分辨率減少一半,而狹縫光柵顯示器亮度也減少一半。目前裸眼立體顯示技術(shù)還不夠成熟,大尺寸的顯示設(shè)備多在技術(shù)展示階段,產(chǎn)品價格比較昂貴,難以普及應(yīng)用。

分色顯示設(shè)備采用普通顯示器和廉價的紅藍或綠紅眼鏡觀看即可,但因顏色損失立體效果差,可以僅作為學(xué)生實驗立體效果感受使用。分時顯示設(shè)備、偏振光顯示設(shè)備技術(shù)比較成熟,產(chǎn)品比較多,價格相對低廉,在3D電視實驗室中作為教學(xué)設(shè)備比較合適。相對而言,分時顯示設(shè)備配備的電子開關(guān)眼鏡價格較貴,且易損壞,不利于大批學(xué)生在實驗室中應(yīng)用,而偏振片眼鏡價格低廉,使用方便,在3D電視實驗室中配備偏振光式非線性3D電視編輯機顯示器較為合適,偏振片眼鏡作為易耗品可以配備多些。

對于眾人觀看的3D電視顯示系統(tǒng),應(yīng)采用大屏幕立體投影系統(tǒng)。根據(jù)實驗室空間大小和觀看學(xué)生的人數(shù)考慮建立單通道、3通道或5通道環(huán)形大屏幕立體投影系統(tǒng)。單通道大屏幕立體投影系統(tǒng)采用單臺3D投影儀,如愛普生TW8500或2臺投影儀加濾色片方式較好。3D投影儀是利用分時顯示方式顯示3D電視,配備開關(guān)式電子眼鏡,因觀眾不會太多,眼鏡成本也不會太高。利用2臺投影儀分別顯示3D電視的左右圖像,在每對投影儀前加垂直和水平方向偏振片或右旋轉(zhuǎn)和左旋轉(zhuǎn)偏振片,投影屏幕采用高對比度的金屬幕效果較好。

3 多通道3D電視投影系統(tǒng)建設(shè)

多通道3D電視投影系統(tǒng)能創(chuàng)造更寬闊的視覺場景,產(chǎn)生更大視角的立體顯示環(huán)境,觀眾的臨場感更強[12]。多通道3D電視投影系統(tǒng)通常有3通道、5通道、7通道和9通道等。下面以3通道偏振式立體顯示系統(tǒng)為例說明多通道3D電視投影系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

3通道偏振式3D電視投影系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示,能夠產(chǎn)生120°的視場。3通道偏振式3D電視投影系統(tǒng)采用柱面環(huán)形金屬幕,能夠產(chǎn)生120°視角的超大寬屏幕,結(jié)合重低音5.1環(huán)繞立體音響,會給觀眾強烈的3D感受效果。圖3是3通道偏振式3D電視投影系統(tǒng)的實驗室布局。

圖2 3通道偏振式立體顯示系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 3通道3D電視投影系統(tǒng)布局

圖2中計算機應(yīng)具有較高的配置,雙CPU、4 GB以上內(nèi)存、磁盤1 TB或以上、配有雙顯示卡、能夠輸出左右2路視頻信號。計算機利用3D電視播放軟件(如暴風(fēng)影音、3D影音、Stereoscopic Player等),通常采用Side by Side的雙拼方式,將3D電視節(jié)目轉(zhuǎn)換為左右視頻信號,經(jīng)雙路顯卡輸出到視頻矩陣。視頻矩陣將2路視頻信號分別傳給多通道融合機和雙顯示器。雙顯示器平時作為單屏擴展使用。當播放3D電視時分別顯示左右2路視頻信號,作為3D電視信號監(jiān)視使用。多通道融合機按通道數(shù)將2路3D電視信號分配相應(yīng)通道的顯示區(qū)域,并進行畸形矯正和通道間的邊緣融合,輸出3通道雙路視頻3D電視信號,通過6臺高亮度投影儀投出。在每個通道的2臺投影儀前分別安裝2片相互垂直的偏振濾光片,這樣每個通道的2路左右視頻信號變成2路偏振方向垂直的光線同時投射到具有高反射率的環(huán)形金屬幕上。環(huán)形金屬幕反射2種偏振光,在環(huán)幕前的觀眾帶著相應(yīng)的偏振光眼鏡,左右眼分別看到2種相互垂直的偏振光,對應(yīng)2路具有視覺差的視頻影像,而使觀眾在頭腦中產(chǎn)生立體場景畫面。觀眾若不帶偏振光眼鏡,只能看到具有重影效果的視頻影像。

4 結(jié)束語

3D電視的發(fā)展離不開優(yōu)秀的3D電視創(chuàng)作人員, 3D電視的人才培養(yǎng)離不開良好的實驗教學(xué)條件建設(shè)。本文給出了高校廣播電視編導(dǎo)、數(shù)字媒體藝術(shù)等相關(guān)專業(yè)3D電視實驗室的建設(shè)方案,用于3D電視實驗教學(xué)和實訓(xùn),也可用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)3D立體顯示[13]和3D虛擬實驗室展示虛擬實驗等[14]。隨著3D電影電視新技術(shù)、新設(shè)備發(fā)展,3D電視實驗教學(xué)條件和設(shè)備會相應(yīng)改善,高校3D電視實驗室建設(shè)會逐漸完善,對培養(yǎng)3D電視人才具有積極作用。

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Discussion on construction of 3D TV laboratory

Liu Ruimei
(School of Communication,Shandong Normal University,Jinan 250014,China)

3D TV is more attractive than the usual TV due to its depth and three-dimensional visual effect.3D TV becomes an important direction of digital TV development.The practice and experiment of making 3D TV become the new important teaching and training contents in digital media art,broadcast and television art of some universities.A kind of construction scheme of 3D TV laboratory with a 3-channel 3D TV projection system is proposed to be used in the experiments of 3D TV for the students in relevant careers such as the digital media,broadcasting and television after the principle of 3D TV and the equipment of shooting,editing and displaying 3D TV is introduced,which is useful to provide references for the construction of 3D TV laboratory in the relevant universities.

3D TV;stereo display;construction of laboratory

G482

A

1002-4956(2015)4-0256-04

2014-11-14修改日期：2014-12-16

中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金“三維動畫與立體影視制作實驗室”建設(shè)項目

劉瑞梅(1964—),女,山東青州,理學(xué)學(xué)士,實驗師,研究方向為數(shù)字媒體藝術(shù)、教育教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用.

E-mail:mxz＠sdnu.edu.cn