3D演播室視頻系統(tǒng)設(shè)計

【摘 要】 以中央電視臺新址唯一的3D演播室——E16演播室的視頻系統(tǒng)設(shè)計為例，結(jié)合3D電視成像的關(guān)鍵技術(shù)和3D影像拍 攝的基本方法，詳細(xì)闡述了3D演播室視頻系統(tǒng)設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】 雙眼立體視覺；并發(fā)拼合方式；雙鏈路；3D拍攝支架；3D QC檢測

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.012

【Abstract】This study is based on the video system design of the sole 3D television studio in the new headquarters of China Central Television， the Studio E16. This article introduces the fundamentals of 3D TV imaging system and presents the basic approach to 3D filming. It provides a thorough explanation of the design theories for a 3D studio video system and the detailed implementation plans.

【Key Words】binocular stereopsis； Side by Side； Dual-link； 3D RIG； 3D QC checking

電影《阿凡達》上映后，這部只有透過3D眼鏡才能感受得到藍色風(fēng)情的影片點燃了全球3D影視的激情。直至今日要想取得好的票房，無論是大制作還是小成本電影都爭相出版3D版。與3D視頻技術(shù)在電影中的普遍應(yīng)用不同，3D視頻技術(shù)只在近年才在電視領(lǐng)域有了長足的發(fā)展。作為新技術(shù)應(yīng)用的排頭兵，中央電視臺在新址49層E16演播室開辟了全臺唯一的3D演播室。

1 3D電視關(guān)鍵技術(shù)

1.1 3D立體視覺

人類的立體視覺分為單眼和雙眼兩種。雙眼立體視覺的第一個描述參數(shù)是會聚角，當(dāng)觀看近距離物體時雙眼視線向內(nèi)側(cè)會聚，大腦通過左右眼視線會聚角度得到空間深度信息，如圖1所示。

雙眼立體視覺的第二個描述參數(shù)是視差。由于人的兩眼之間存在距離，左右眼看到的圖像是不同的，正是通過這種差異人腦才能獲得空間深度信息，從而產(chǎn)生立體視覺。

1.2 攝像機垂直排列

在演播室進行3D影像拍攝時，兩臺攝像機的排列方式選擇垂直式排列。

要實現(xiàn)兩臺攝像機之間的垂直式分布，需依靠垂直型3D支架。兩臺攝像機以90°的垂直夾角方式安裝在3D支架上，通過一片特殊玻璃的折射，將進入的光線分離，一路透射給水平放置的攝像機，而另一路垂直折射給垂直放置的攝像機。采用3D支架可以實現(xiàn)兩臺攝像機在機身不接觸的情況下，任意調(diào)整雙機的間距大小。當(dāng)兩臺攝像機在同一條垂直軸線上，即零點位置，即可實現(xiàn)雙機影像重合。離開零點位置，就可以形成不同的軸間距，從而在拍攝時雙鏡頭攝取到帶有視差的影像，獲得3D效果。

2 E16演播室視頻系統(tǒng)綜述

2.1 視頻系統(tǒng)架構(gòu)

3D演播室的視頻系統(tǒng)設(shè)計是在普通2D演播室設(shè)計的基礎(chǔ)上加入了3D層的系統(tǒng)設(shè)計，與2D層并行組成完整的視頻系統(tǒng)，如圖2所示。由于篇幅所限筆者只對3D層進行闡述。

2.2 信號傳輸鏈路

E16演播室視頻系統(tǒng)內(nèi)所有信號均為 Dual-Link（雙鏈路）的左右眼信號，系統(tǒng)外的輸入輸出信號均為1.5 G Side by Side（并發(fā)拼合方式）高清信號。主控送來的1.5 G Side by Side高清信號通過演播室內(nèi)的解碼器，解碼為Dual-Link信號后進入切換臺、矩陣、畫面分割器、視分、監(jiān)視器等設(shè)備，在演播室視頻系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過處理后輸出Dual-Link信號給末端編碼器，編碼成1.5 G Side by Side高清信號送往臺內(nèi)總控機房。

E16演播室的PGM信號經(jīng)過音頻加嵌處理之后編碼成1.5 G的Side by Side信號以光纜傳輸方式經(jīng)臺內(nèi)總控系統(tǒng)送往播出系統(tǒng)，Side by Side信號為左右拼接的1 920×1 080 50i信號，幅型比為16：9。在播出系統(tǒng)內(nèi)采用H.264中的HP@ L4信源壓縮編碼方式將視頻信號進行壓縮，壓縮后通過衛(wèi)星傳送至全國各地的有線網(wǎng)，用戶在家中通過數(shù)字高清機頂盒接收Side by Side信號，再通過具有3D功能的電視機配合3D眼鏡來收看3D電視節(jié)目。傳輸鏈路如圖3所示。

3 3D層系統(tǒng)設(shè)計方案

3D層的設(shè)計是3D演播室不同于傳統(tǒng)演播室設(shè)計的重要部分。根據(jù)各部分功能的不同，3D演播室視頻系統(tǒng)的3D層的系統(tǒng)主要包括3D信號采集、3D信號調(diào)整、3D切換處理和3D QC檢測四個部分，3D層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 3D信號采集

3D信號采集主要是指視頻系統(tǒng)內(nèi)的3D攝像機對演播室景物和人物的拍攝。

根據(jù)前期對臺內(nèi)不同類型3D節(jié)目錄制需求的調(diào)研，結(jié)合E16演播室演播區(qū)面積只有150 m2的實際情況，確定了為E16演播室配置3信道的攝像機。

由于E16演播室是中央電視臺新址第一個也是唯一一個3D演播室，在攝像機方案的設(shè)計上更多地偏重于實驗?zāi)康?，即通過E16演播室攝像機的試用來對比各種3D攝像機方案的優(yōu)缺點，同時考慮到減少設(shè)備費用的因素，最終在3信道攝像機的選擇上采用了兩種方式：其中兩信采用SONY TD-300 一體式3D便攜攝像機，每臺TD-300作為一個完整獨立的3D信道來使用；另一個信道采用了2臺2D攝像機安裝在一個3D RIG（3D拍攝支架）上，既可以實現(xiàn)水平排列也可實現(xiàn)垂直排列的方案。

3.1.1 一體式3D攝像機

一體式3D攝像機將兩個鏡頭、兩個攝像單元以水平并列的方式安裝在一個機身內(nèi)，鏡頭間距不可調(diào)，但它具備視差調(diào)整等功能，其外觀、重量、體積和操作方式與普通2D攝像機相似，實際上它是一款3D ENG（Electronic News Gathering，電子新聞采集）設(shè)備，通常用于室外移動拍攝。

之所以把一體式3D便攜攝像機作為演播室備選攝像機方案的一種，主要是因為它與3D支架攝像機相比有自身的特點。由于3D支架的體積較大，設(shè)備成本較高，且移動性相對較差，而3D演播室內(nèi)相當(dāng)一部分節(jié)目都有移動機位的需求，單純靠3D支架式攝像機無法滿足需求，而一體式3D便攜攝像機就能很好地解決這個問題。而且它在前期基本不需要太多調(diào)整和誤差矯正，可以提升制作效率。如果配備電池和存儲介質(zhì)，它還可在演播室和外拍之間靈活使用。

3.1.2 支架式3D攝像機

對3D節(jié)目的制作而言，如果節(jié)目對機位的移動性要求較低而對畫面質(zhì)量要求較高，雙機位支架式3D攝像機就是最佳的選擇方案。雙機位支架式3D攝像機方案就是2臺獨立的2D攝像機以水平或垂直的方式安裝在3D立體支架上進行拍攝。這種方式可以通過3D立體支架對攝像機位置的精密調(diào)整來控制拍攝間距和會聚角。它可以選擇小體積、高質(zhì)量的廣播級攝像機，而且可以根據(jù)節(jié)目需要更換鏡頭，成像質(zhì)量很高，通過支架還可以精確調(diào)整攝像機夾角，讓3D拍攝立體效果更加真實。但它的安裝調(diào)試時間比較長，操作起來比較復(fù)雜。

3.2 3D信號調(diào)整

在3D信號的制作過程中，3D信號調(diào)整和3D QC（Quality Control，質(zhì)量控制）檢測是兩個必不可少而又相輔相成的環(huán)節(jié)。3D信號調(diào)整簡單地說，是將兩個2D攝像機組成的3D攝像機信道拍攝出來的信號進行各種3D參數(shù)調(diào)整，以獲得良好的3D效果。這和傳統(tǒng)虛擬演播室的虛擬設(shè)備對攝像機信號進行再處理的過程類似。

3D信號調(diào)整主要包括3D支架調(diào)整和安裝在MPE-200多畫面處理器上的軟件調(diào)整兩部分。

3.2.1 3D支架調(diào)整

E16演播室的節(jié)目制作中有很大一部分都是直播。為了適應(yīng)電視直播工作快速便捷的需求，要求整個3D支架系統(tǒng)安裝快捷而簡便。因此在E16演播室3D支架選型時選用了KRONOMOV的 IN3D RIG調(diào)整系統(tǒng)。

在3D支架安裝結(jié)束后，首先必須通過調(diào)整來達到雙眼影像的一致性。

以垂直支架為例，當(dāng)2臺攝像機安裝完成后，從鏡箱正面觀察玻璃上反射出的兩支鏡頭的投影，如果兩支鏡頭的投影上下左右前后完全重合，則不需對3D支架做調(diào)整；如果不重合則需采用物理手段，調(diào)整2臺攝像機的前后位置和俯仰、高低位置，獲得基本重合效果，此時3D支架的基本調(diào)試完成。

3.2.2 3D軟件調(diào)整

當(dāng)3D支架基本調(diào)試完成后，需要使用MPES-3D01軟件對其他參數(shù)做進一步調(diào)整，主要調(diào)整參數(shù)如下。

（1）鏡頭光軸校正

理論上，鏡頭在推拉變焦過程中，鏡頭光軸應(yīng)穩(wěn)定保持在畫面中心不變，但在實際操作過程中尤其是變焦鏡頭經(jīng)常會出現(xiàn)光軸中心漂移。對于3D拍攝來說，兩支鏡頭的光軸如果在變焦中出現(xiàn)位置偏移，會導(dǎo)致雙眼看到的影像出現(xiàn)垂直誤差或者不正常的水平視差，造成觀看不適感。由于廣播級鏡頭本身并不具備光軸自我校正能力，所以這個環(huán)節(jié)通過MPE-200的MPES-3D01調(diào)整軟件，以數(shù)字的方式，對于鏡頭光軸進行補償。

如圖5所示，為了拍攝出正確的3D畫面必須保持鏡頭光軸始終在畫面中心。

當(dāng)鏡頭推到最長焦端后，通過拍攝測試卡中間的十字標(biāo)記，將光軸中心（打開尋象器中間的十字標(biāo)記）對準(zhǔn)測試卡中心十字，然后慢慢拉開，在MPE-200的MPES-3D01調(diào)整軟件上通過畫面放大可以仔細(xì)檢查光軸是否出現(xiàn)偏移，如果發(fā)現(xiàn)偏移，通過數(shù)字調(diào)整參數(shù)可以補償偏移量，將光軸移回畫面中心。由于MPE-200可以讀取到來自前端攝像機傳回的鏡頭MetaData（元數(shù)據(jù)）信息，所以可以準(zhǔn)確獲取當(dāng)前鏡頭的焦距，通過標(biāo)記可以將此調(diào)整值記錄在對應(yīng)的焦距位置上。通過這種方式，當(dāng)鏡頭從最長焦拉開到最廣角的過程中，就可以繪制出一條鏡頭光軸的偏移補償曲線。保存后在拍攝時打開，就可以對當(dāng)前拍攝畫面的光軸偏移問題進行實時補償，確保兩支鏡頭的光軸始終保持在畫面中心點。

（2）垂直誤差校正

在確保光軸能夠維持在畫面中心后，通過鏡頭推拉變焦，檢查左右眼畫面是否在水平方向高低完全重合，如不重合就說明存在垂直誤差。根據(jù)MPE-200的監(jiān)看畫面可以準(zhǔn)確讀取到當(dāng)前畫面的各種誤差值。

（3）軸間距和夾角調(diào)整

3D立體效果通過兩個元素來實現(xiàn)，一個是左右眼攝像機的軸間距（IAD），軸間距決定了立體空間的畫面深度（DEPTH）；另一個參數(shù)是左右眼鏡頭的夾角，即會聚（CONVERGENCE），會聚決定了整個立體空間與屏幕的位置關(guān)系，即物體出入屏的狀態(tài)。

在E16演播室視頻系統(tǒng)中，使用了KRONOMOV的 IN3D RIG與索尼MPE-200聯(lián)合控制的方案，即可通過攝像機（HDC-P1 使用光纜適配器HDFA-200）將支架的會聚和軸間距調(diào)整控制信號由前端通過光纜傳回到MPE-200上，這樣操作人員就可以在導(dǎo)控室后端監(jiān)看MPE-200的波形提示，來直接遙控前端支架完成動作。

3.3 3D信號切換

3.3.1 3D視頻切換臺設(shè)計方案

考慮到3D演播室不同于傳統(tǒng)演播室的制作特點，E16演播室選擇了SONY MVS-7000X多格式切換臺系統(tǒng)，該切換臺設(shè)置在3D工作模式下能夠支持3D節(jié)目制作，設(shè)置在2D模式下也可當(dāng)做普通切換臺使用。

在3D制作過程中，送入切換臺進行切換制作的信號均為Dual-Link信號，因此左右眼Dual-Link信號在切換面板上只能設(shè)置成一個切換按鍵，這樣左右眼Dual-Link信號才能實現(xiàn)同步切換，同時也方便導(dǎo)演完成切換動作。在開啟3D模式后，可以將左右眼信號鏈接成一路信號并分配到交叉點按鍵上，此時只需按一個鍵就可實現(xiàn)左右眼Dual-Link信號的同步切換。當(dāng)3D視頻的左眼和右眼信號結(jié)合不正確時，可以方便地使用菜單操作進行更改。

3.3.2 系統(tǒng)內(nèi)信號傳輸方式

在E16演播室系統(tǒng)設(shè)計初期，對其內(nèi)部和外部信號傳輸格式做了深入的調(diào)研，在參考了傳統(tǒng)演播室和國內(nèi)外其他3D演播室的設(shè)計經(jīng)驗后，形成了兩種方案。

方案一：演播室系統(tǒng)內(nèi)、外所有信號均采用Dual-Link方式進行傳輸。

方案二：演播室外部信號采用1.5 G Side by Side高清信號傳輸，演播室系統(tǒng)內(nèi)采用Dual-Link方式進行傳輸。

最終在綜合考慮了E16演播室與現(xiàn)有外系統(tǒng)之間的連接現(xiàn)狀以及保證系統(tǒng)內(nèi)信號傳輸質(zhì)量和連線簡潔明了等因素后，采用了方案二。首先，如果演播室內(nèi)部信號的采集及制作均是以Dual-Link方式進行，保證信號傳輸不壓縮，信號質(zhì)量在制作過程中是無損的。另外，如果所有從總控送來的外來信號和送往播出系統(tǒng)的PGM信號均采用單路1.5 G Side by Side HD-SDI信號進行傳輸，完全兼容現(xiàn)有2D高清信號播出系統(tǒng)，E16演播室與播出和總控系統(tǒng)間已鋪設(shè)好的電纜不用增加或更換；同時，對臺內(nèi)播出系統(tǒng)的變動也較小，只需在播出系統(tǒng)增加3D字幕機、3D信號監(jiān)測等設(shè)備即可完成3D電視節(jié)目的播出。

3.4 3D信號QC檢測

前文中已經(jīng)提到，在3D節(jié)目的制作過程中，3D信號調(diào)整和3D QC檢測是兩個相輔相成的過程。信號在經(jīng)過3D調(diào)整處理后，只有在視頻系統(tǒng)PGM輸出端增加QC質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)，進行實時檢測和調(diào)整，才能獲得合適的可以用于現(xiàn)場直播的3D信號。有不少人看了3D電視后覺得頭暈，主要是因為某些3D圖像的技術(shù)指標(biāo)不符合要求，3D QC檢測的作用就是為了減少這種不適感的產(chǎn)生。

3.4.1 3D QC工位的設(shè)置

值得注意的是，與2D制作不同，在3D演播室的工位布局設(shè)計中有一個特殊的工位叫3D QC檢測工位，這個工位靠近導(dǎo)播和導(dǎo)演。 3D質(zhì)檢師可以稱為3D技術(shù)總監(jiān)，需要對3D效果進行設(shè)定并對前端的3D調(diào)整人員提出指導(dǎo)。3D質(zhì)檢師在和導(dǎo)演密切溝通后判斷最終的3D節(jié)目是否嚴(yán)格符合立體安全的要求，確保觀眾觀看的舒適性。

3.4.2 3D QC檢測基本原理

3D QC檢測是3D信號制作環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的部分。E16演播室3D QC檢測主要通過安裝在MPE-200中的MPES-3DQC1軟件來實現(xiàn)立體信號的全程數(shù)據(jù)分析和評判。

在3D拍攝過程中會產(chǎn)生各種誤差，如取景過程中會產(chǎn)生顏色誤差、光軸誤差，會聚調(diào)整過程中產(chǎn)生的精度誤差，兩個鏡頭在RIG支架上調(diào)整時產(chǎn)生的圖形扭曲、旋轉(zhuǎn)誤差、變焦誤差、位置誤差，這些誤差會降低拍攝出來的圖像質(zhì)量，并且會產(chǎn)生3D會聚不明顯從而導(dǎo)致3D立體效果不明顯等問題，這些問題會極大地影響拍攝質(zhì)量。

3D QC檢測系統(tǒng)就是通過軟件來監(jiān)測這些問題并通過3D調(diào)整軟件MPES-3D01作出相應(yīng)調(diào)整來解決這些問題。MPES-3DQC1軟件主要檢測以下信息。

（1）立體深度的安全和合理性

3D QC檢測的一項重要功能是可以實時顯示整個節(jié)目切換過程中的深度變化曲線，即鏡頭切換是否存在深度跳躍，只有在3D QC的監(jiān)看畫面中才能獲取到整個節(jié)目時間線變化的深度曲線。如果畫面深度出現(xiàn)大范圍跳躍就可能導(dǎo)致觀看者出現(xiàn)不適感。

（2）誤差判別

主要包括鏡頭焦點一致性、畫面亮度與色彩一致性以及垂直、旋轉(zhuǎn)和焦距誤差。所有誤差類型都可以以數(shù)據(jù)圖形顯示，也可以在3D立體輸出影像中直接在錯誤位置用示意箭頭或者方框顯示。

根據(jù)前期的使用經(jīng)驗，通常3D QC有兩種使用模式：一種是直接讀取PGM信號，作為最終質(zhì)量檢驗；另一種是通過矩陣切換面板，自由選擇信號源，由3D技術(shù)總監(jiān)根據(jù)實際情況更有針對性地選擇需要監(jiān)看的畫面內(nèi)容，以確定該段視頻信號的圖像質(zhì)量能否達到播出質(zhì)量。

4 總結(jié)和展望

4.1 經(jīng)驗總結(jié)

在E16演播室的設(shè)計、調(diào)試和運行過程中，總結(jié)了一些經(jīng)驗。

（1）必須保證不同類型攝像機延時的一致性。在使用支架式攝像機時，由于攝像機在通過RIG支架后有4幀延時，而另外2臺3D一體機沒有延時。為了讓3臺攝像機拍出的主持人口形一致，對2臺3D一體機的輸出信號進行了相應(yīng)延時，保證3臺攝像機的一致性。

（2）先解嵌還是先解碼的問題。由于E16演播室內(nèi)部信號傳輸采用了Dual-Link方式，而主控送來的外來信號是Side by Side格式，視頻信號在經(jīng)過周邊板卡解嵌后會有一定的相位延遲，如果先將外來信號解碼成Dual-Link信號后再將左眼或右眼信號的其中一路進行解嵌就會使左右眼信號產(chǎn)生相位差，所以采用的方案是先將Side by Side信號中的音頻信號解嵌出來送往音頻系統(tǒng)，然后再將Side by Side信號解碼成Dual-Link信號，這樣就能有效規(guī)避Dual-Link信號在傳輸鏈路中左右眼信號之間產(chǎn)生的不同步現(xiàn)象。

4.2 3D視頻技術(shù)展望

由于裸眼3D技術(shù)發(fā)展尚不成熟，觀看3D電視仍需佩戴3D眼鏡，舒適度還有待提高等原因，目前3D視頻技術(shù)的發(fā)展并不是一帆風(fēng)順；加上現(xiàn)有的3D電視片源依舊稀少，因此3D演播室的設(shè)計和建設(shè)依舊得不到普及。但隨著裸眼3D顯示設(shè)備等3D視頻技術(shù)的發(fā)展，以及3D電影行業(yè)日益普及的帶動效應(yīng)，有理由相信3D電視技術(shù)仍然存在發(fā)展空間，希望E16 3D演播室視頻系統(tǒng)的設(shè)計會為以后3D演播室的設(shè)計者提供良好的借鑒和有益的參考。

作者簡介：

陳格平，男，1973年生人，工程碩士，中央電視臺播送中心高級工程師，主要從事演播室視頻系統(tǒng)設(shè)計和運行工作。