3D電視顯示技術(shù)及電視制播系統(tǒng)應(yīng)用方案

郝鴻飛

（太原廣播電視臺(tái)，山西 太原 030024）

3D電視顯示技術(shù)及電視制播系統(tǒng)應(yīng)用方案

郝鴻飛

（太原廣播電視臺(tái)，山西 太原 030024）

簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前主流的3D電視顯示技術(shù)，分析、對(duì)比了普遍應(yīng)用的3D電視顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析和探討了3D電視節(jié)目制作播出系統(tǒng)的工作原理及其中存在的技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)這些難點(diǎn)提出具體的解決辦法。按照廣電現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合廣電行業(yè)實(shí)踐中信號(hào)碼率、同步、兼容等問(wèn)題，從電視制播系統(tǒng)鏈路中采集、編輯、傳輸、監(jiān)看、播出5個(gè)環(huán)節(jié)入手，分析3D顯示技術(shù)應(yīng)用于電視的關(guān)鍵，提出一些3D電視制播系統(tǒng)可行的應(yīng)用方案，并探討3D電視顯示技術(shù)未來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用，以期為日后相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供參考。

3D電視顯示技術(shù)；電視制作播出系統(tǒng)；雙眼模式；“左眼+深度”模式

3D電視顯示的基本技術(shù)原理是利用人眼“視覺(jué)位移”的特性。人眼在觀看物體時(shí)，要想看清楚，2只眼睛是分左右2個(gè)視覺(jué)通道分別觀看的。當(dāng)兩眼視線聚焦時(shí)，物體視像在左右眼的視網(wǎng)膜上分別成像，然后經(jīng)過(guò)大腦，將2個(gè)印象合起來(lái)產(chǎn)生立體感，最終形成具有3D立體縱深的視覺(jué)畫(huà)面。同時(shí)，距離不同的物體在2個(gè)視網(wǎng)膜上成像的夾角不同，經(jīng)過(guò)大腦進(jìn)行信息處理，人眼從中可以分辨出左右和遠(yuǎn)近的方位差距。

“視覺(jué)位移”的產(chǎn)生主要由2個(gè)因素決定，即雙眼視差和會(huì)聚效應(yīng)。雙眼視差是指，雙眼總是從略微不同的角度注視物體，且雙眼視像的差異隨距離改變；會(huì)聚效應(yīng)是指，左右眼在觀看遠(yuǎn)近不同的2點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的會(huì)聚角不一樣，眼球轉(zhuǎn)動(dòng)的程度也不一樣，這樣便會(huì)有深度不同的感覺(jué)。3D電視顯示畫(huà)面正是因?yàn)槟M人眼左右視點(diǎn)分別接收視覺(jué)信息這一特性，同時(shí)進(jìn)行左右眼兩路視覺(jué)信息的傳輸，使到達(dá)人眼的圖像有更多立體方位信息，使人有置身其中的感覺(jué)。

1 3D顯示技術(shù)

當(dāng)前普遍應(yīng)用的3D顯示技術(shù)有眼鏡式和裸眼式，眼鏡式3D顯示技術(shù)在觀看事物時(shí)需要佩戴專門(mén)制作的眼鏡，裸眼式則不需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，裸眼式3D顯示技術(shù)是主要發(fā)展方向。由于當(dāng)前的技術(shù)具有局限性，基于眼鏡式3D顯示技術(shù)的產(chǎn)品是主流。

眼鏡式3D顯示技術(shù)可以分為色差式、快門(mén)式、偏光式3種；裸眼式3D顯示技術(shù)可分為光柵式、體三維式和全息式3種。其中，光柵式較為成熟，其又分為前置光柵式和后置光柵式，而前置光柵式又細(xì)分光屏蔽式和柱狀透鏡式。

在實(shí)際應(yīng)用中，裸眼3D畫(huà)面與偏光式、快門(mén)式等3D技術(shù)的應(yīng)用效果相比還存在一定的差距，具體如表1所示。但是，近年來(lái)，液晶面板技術(shù)經(jīng)過(guò)研發(fā)，部分裸眼式3D顯示設(shè)備即將量產(chǎn)。部分裸眼3D技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表1 4種3D顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

表2 部分裸眼3D技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 3D電視制播系統(tǒng)的難點(diǎn)

當(dāng)前，將3D技術(shù)應(yīng)用于電視節(jié)目的采、編、播、傳、收等環(huán)節(jié)還存在一定的困難，主要有以下3個(gè)問(wèn)題。

2.1 碼率問(wèn)題

在傳輸處理過(guò)程中，如果不對(duì)電視圖像信息進(jìn)行壓縮編碼，一路3D電視信號(hào)立體圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，相當(dāng)于同時(shí)處理兩路2D電視信號(hào)的數(shù)據(jù)量之和。

表3闡述了2D電視信號(hào)與3D電視信號(hào)在各種模式下的碼率對(duì)比情況。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如果不對(duì)電視信號(hào)采取特定制播技術(shù)處理降低碼率，將大大影響3D電視信號(hào)的處理效率和質(zhì)量，從而直接影響電視播出質(zhì)量。

表3 2D電視信號(hào)與3D電視信號(hào)在各種模式下的碼率對(duì)比

2.2 同步問(wèn)題

3D電視信號(hào)是由左眼信號(hào)和右眼信號(hào)2個(gè)通道組成，它們相互獨(dú)立并存在定時(shí)關(guān)系。在信號(hào)采集、制作的過(guò)程中，必須要保證2個(gè)信號(hào)正確同步，否則在信號(hào)傳輸、接收時(shí)將產(chǎn)生信號(hào)位差，最終使播出畫(huà)面出現(xiàn)重影或破損等問(wèn)題。

2.3 兼容問(wèn)題

兼容分為2種方式：①使3D電視信號(hào)能在2D電視信號(hào)系統(tǒng)中傳輸，并最終到達(dá)終端，正確還原出可觀看的2D信號(hào)；②使2D電視信號(hào)能在3D電視信號(hào)系統(tǒng)中傳輸，并最終到達(dá)終端，正確還原出可觀看的3D信號(hào)。

現(xiàn)階段，關(guān)于兼容問(wèn)題，最重要的是如何有效利用現(xiàn)有DVB標(biāo)準(zhǔn)電視信道傳輸，使需要2倍帶寬的信號(hào)在能夠適應(yīng)DVB標(biāo)準(zhǔn)，不影響現(xiàn)有頻道體系播出，使現(xiàn)有的2D用戶能通過(guò)2D-3D兼容處理收看3D頻道的節(jié)目，在不影響現(xiàn)有收視條件下平滑向3D過(guò)渡，逐步使3D電視技術(shù)得到發(fā)展和提升。

3 3D電視制播系統(tǒng)

當(dāng)前主流的3D電視制作方式有2種，即“雙眼”模式和“左眼+深度”模式。

“雙眼”模式是當(dāng)前3D電視節(jié)目制作的常用方法。通常將2臺(tái)型號(hào)、配置參數(shù)等都相同的攝像機(jī)一左一右并排放置在拍攝對(duì)象前模擬人的左右眼視差值，模擬人的左眼和右眼進(jìn)行拍攝，生成2路信號(hào)，再通過(guò)同步配置和編碼處理生成左右眼信號(hào)分立的3D立體圖像信號(hào)。近年來(lái)，將2套攝像機(jī)安裝到一套機(jī)殼內(nèi)的設(shè)備已經(jīng)面世。

“左眼+深度”模式通常使用1臺(tái)2D攝像機(jī)正常拍攝，并生成標(biāo)準(zhǔn)2D圖像信號(hào)。根據(jù)人腦對(duì)左眼信號(hào)更加敏感的生理特性，將其作為左眼信號(hào)，然后用1臺(tái)深度攝像機(jī)測(cè)算2D畫(huà)面物體的深度，生成深度信號(hào)。這樣2路信號(hào)結(jié)合形成“左眼+深度”立體圖像信號(hào)，直接在標(biāo)準(zhǔn)電視信道播出。表4為“雙眼”模式和“左眼+深度”模式下得到的不同格式的視頻碼率對(duì)照情況。

從表4中可以看出，使用“左眼+深度”模式能夠節(jié)約大概25%的碼率。

表4 “雙眼”模式和“左眼+深度”模式下不同格式的視頻碼率

與傳統(tǒng)電視的制播相比，3D電視制播對(duì)系統(tǒng)提出了新的要求——用雙鏡頭高清3D攝像機(jī)拍攝的信號(hào)，需要用2根HD-SDI接口線纜分別將左眼和右眼信號(hào)傳輸至3D錄像機(jī)。為了滿足3D后期制作對(duì)超高碼率的要求，非編網(wǎng)絡(luò)需采用“FC-SAN+以太網(wǎng)”雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。監(jiān)看系統(tǒng)需采用專業(yè)3D監(jiān)視器，在監(jiān)看前，需要使用3D編碼器為2路圖像信號(hào)編碼，并由3D-HDMI線纜監(jiān)視信號(hào)傳輸。

一套完整的3D電視制播系統(tǒng)應(yīng)包括信號(hào)采集子系統(tǒng)、編輯子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、監(jiān)看子系統(tǒng)和播出子系統(tǒng)。選用“雙眼”模式還是“左眼+深度”模式，是電視臺(tái)搭建3D制播系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.1 采集子系統(tǒng)

當(dāng)前，應(yīng)用于電視演播室3D拍攝的設(shè)備一般采用雙鏡頭式攝像機(jī)。攝像機(jī)生成2路未壓縮的同步高清圖像信號(hào)，通過(guò)2根HD-SDI接口線纜分別傳輸給錄制設(shè)備采集。

在錄制3D信號(hào)時(shí)，需要使用專用3D錄制設(shè)備或者聯(lián)動(dòng)同步2臺(tái)高清錄像機(jī)。錄制設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)壓縮處理，再將處理后的信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)。為了滿足節(jié)目制作高效率、多用途的需求，采集環(huán)節(jié)的3D電視信號(hào)中任一路視頻信號(hào)都不應(yīng)低于2D高清碼率。采集系統(tǒng)應(yīng)生成多種碼流的文件，即原始素材文件、高碼雙眼信號(hào)格式、左眼+EDL低碼格式。

目前，可供選擇的3D編碼格式主要為H.264/MPEG4 AVC的MVC擴(kuò)展單元，也可采用Avid的DNxHD編碼或者Grass Valley的Va5004編碼，使編輯系統(tǒng)更加方便、靈活。

3.2 編輯子系統(tǒng)

在當(dāng)前條件下，編輯子系統(tǒng)只有采用FC-SAN網(wǎng)絡(luò)才能適配3D高碼率的傳輸需求。其中，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于傳輸高碼率的3D視音頻素材數(shù)據(jù)的有卡工作站，以太網(wǎng)主要用于無(wú)卡工作站。

在采集3D電視信號(hào)時(shí)，左右眼信號(hào)景別保持一致，并且嚴(yán)格同步。因此，在編輯時(shí)，只需編輯左眼信號(hào)，然后通過(guò)3D工作站生成的EDL表處理，最終生成3D電視信號(hào)。這樣能提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，節(jié)約編輯系統(tǒng)的信號(hào)帶寬，編輯操作也能匹配傳統(tǒng)的2D編輯模式。這種編輯方式被廣泛運(yùn)用在無(wú)卡工作站上，一般采用左眼+EDL低碼格式，只需包含左眼信號(hào)。

面向有卡工作站的信號(hào)需要左眼信號(hào)和右眼信號(hào)，單眼信號(hào)碼率為100～120 Mbps，3D信號(hào)等效碼率為240 Mbps。

使用編輯軟件預(yù)覽時(shí)，一般只顯示左眼信號(hào)圖像，通過(guò)專門(mén)的3D監(jiān)視器來(lái)顯示完整的3D立體信號(hào)。有卡工作站可提供3D信號(hào)的實(shí)時(shí)預(yù)覽，而無(wú)卡工作站則只能進(jìn)行2D實(shí)時(shí)預(yù)覽。編輯完成后的成品節(jié)目按照生產(chǎn)流程既可以傳輸?shù)讲コ龉ぷ髡镜却コ?，也可以傳輸?shù)酱鎯?chǔ)系統(tǒng)歸檔。

3.3 存儲(chǔ)子系統(tǒng)

由于3D高清電視信號(hào)數(shù)據(jù)量大，需要配備高性能海量存儲(chǔ)設(shè)備。在當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下，1條4 GB光纖通道理論上僅能承載不超過(guò)10套3D高清有卡工作站同時(shí)工作。因此，存儲(chǔ)系統(tǒng)采用FC硬盤(pán)陣列幾乎是唯一的選擇。采用“左眼+深度”模式編輯的系統(tǒng)，由于只需要編輯左眼信號(hào)，以1080/50i分辨率為例，總碼率約為180 Mbps，相對(duì)于雙眼模式的240 Mbps，所以，存儲(chǔ)子系統(tǒng)的壓力將會(huì)減輕。

3.4 監(jiān)看子系統(tǒng)

3D電視信號(hào)的監(jiān)看要使用信號(hào)示波器對(duì)左右眼信號(hào)分別進(jìn)行波形監(jiān)測(cè)，同時(shí)，還要對(duì)原始碼率的3D電視信號(hào)進(jìn)行3D監(jiān)看，這與傳統(tǒng)2D電視信號(hào)監(jiān)看系統(tǒng)不同。

采用“雙眼”模式的制播系統(tǒng)，監(jiān)看系統(tǒng)都是通過(guò)2條HD-SDI線纜將左眼信號(hào)和右眼信號(hào)分別傳送至3D編碼器，然后通過(guò)3D-HDMI連接至3D監(jiān)視器監(jiān)看。

采用“左眼+深度”模式的制播系統(tǒng)，先要將3D信號(hào)還原成左眼信號(hào)和深度信號(hào)，再分別將2路信號(hào)通過(guò)3D解碼器還原成左眼信號(hào)和右眼信號(hào)傳送至3D監(jiān)視器監(jiān)看。

3.5 播出子系統(tǒng)

要想實(shí)現(xiàn)3D電視信號(hào)播出與現(xiàn)有2D電視系統(tǒng)的兼容，3D播出系統(tǒng)需為3D節(jié)目信號(hào)編碼，轉(zhuǎn)換成兼容2D傳輸系統(tǒng)的MPEG-2Long GOP格式，并占用不超過(guò)2路2D高清信號(hào)通道的傳輸帶寬。

在“雙眼”模式下，播出工作站需將包含左右眼信號(hào)的3D節(jié)目信號(hào)編程轉(zhuǎn)換成MPEG-2 Long GOP格式。對(duì)于傳統(tǒng)的2D播出系統(tǒng)，最終的節(jié)目信號(hào)碼率一般在20 Mbps左右。從系統(tǒng)兼容性和節(jié)約帶寬方面考慮，3D播出信號(hào)帶寬不宜超過(guò)2個(gè)2D信號(hào)通道的帶寬，因此，在“雙眼”模式下，最終的播出信號(hào)碼率不宜超過(guò)40 Mbps。為此，編碼器壓縮率需相對(duì)調(diào)高，圖像質(zhì)量損失比較大?！半p眼”模式播出流程如圖1所示。

圖1 “雙眼”模式播出流程

在“左眼+深度”模式下，要先通過(guò)播出工作站將3D節(jié)目信號(hào)轉(zhuǎn)換為左眼信號(hào)和深度信號(hào)，再將這2路信號(hào)分別送至編碼器編碼，最后編程轉(zhuǎn)換成兼容2D播出系統(tǒng)的MPEG-2 Long GOP格式，而深度信號(hào)則以MPEG4-AVC/H.264壓縮后，以附加數(shù)據(jù)的形式附加到TS流中。采用這種模式，一般可以減少25%的帶寬。

以這個(gè)內(nèi)容為例，與“雙眼”模式保持同樣的信號(hào)質(zhì)量，如果采用“左眼+深度”模式的播出系統(tǒng)，3D播出總碼率僅為30 Mbps，可節(jié)省10 Mbps的帶寬；如果要進(jìn)一步提升壓縮率，則可以在一個(gè)2D播出通道中實(shí)現(xiàn)3D節(jié)目信號(hào)的播出傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)播出傳輸系統(tǒng)的全兼容；如果將40 Mbps的雙通道2D播出帶寬全部用盡，由于壓縮率相對(duì)比較低，則圖像質(zhì)量將大大提升?！白笱?深度”模式播出流程如圖2所示。

圖2“左眼+深度”模式播出流程

〔編輯：白潔〕

TN949.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.015

2095-6835（2017）13-0015-03