關(guān)于3D數(shù)字信號處理技術(shù)的探討

王 盈

(遼寧軌道交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110000)

關(guān)于3D數(shù)字信號處理技術(shù)的探討

王 盈

(遼寧軌道交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110000)

伴隨信息技術(shù)的日新月異，數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)在人們的生活中得到廣泛應(yīng)用。本文針對數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，對3D信號傳輸模式及遇到的問題進(jìn)行了分析，并提出了解決的辦法。

3D技術(shù)；數(shù)字信號傳輸處理；探討

0 引言

目前，3D數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，其中3D電影應(yīng)用就是一個有力的說明。3D技術(shù)的發(fā)展是有目共睹的，3D數(shù)字信號處理技術(shù)在信號和信息的處理方面有著重要的應(yīng)用，形成了當(dāng)前3D視覺效果發(fā)展的一個典范，在這一領(lǐng)域發(fā)揮著重要的引領(lǐng)作用。例如，3D電影、3D打印以及在醫(yī)學(xué)上利用3D技術(shù)對病變部位進(jìn)行三維立體的重構(gòu)等，都是應(yīng)用3D信號處理技術(shù)才能完成的。

1 日常生活中的3D技術(shù)

1.1 3D技術(shù)在電影中的應(yīng)用

伴隨詹姆斯·卡梅隆導(dǎo)演的3D電影《阿凡達(dá)》大獲成功，3D技術(shù)在電影中的應(yīng)用越來越廣泛。近些年來，中國的3D電影逐漸發(fā)展。從2011年12月上映的首部國產(chǎn)3D武俠片《龍門飛甲》起，香港導(dǎo)演徐克已經(jīng)連續(xù)導(dǎo)演了多部3D影片，每一部都在國內(nèi)獲得了票房與口碑的雙豐收。2014年上映的《智取威虎山》中精心設(shè)計(jì)的一組“打虎上山”的鏡頭，凸顯了國內(nèi)3D制作技術(shù)的高水平，但與2013年上映的好萊塢3D大片《地心引力》相比，其3D立體技術(shù)仍然有所欠缺。經(jīng)過幾年的時間，3D電影撐起了電影市場的半壁江山。在2015年的3D電影《西游記之大圣歸來》中，當(dāng)齊天大圣孫悟空的披風(fēng)出現(xiàn)時，帶給觀眾的是披風(fēng)仿佛躍出屏幕飄到臉上的感覺。在動畫影片《大魚海棠》中，一條條大魚在水中游動，當(dāng)觀眾伸出手時，仿佛一條條大魚在手邊游過，視覺效果震撼，這些都是依靠3D技術(shù)完成的，3D技術(shù)的發(fā)展為電影技術(shù)的更新提供了強(qiáng)大的科技支撐。

1.2 3D技術(shù)在生活中的應(yīng)用

3D技術(shù)除了在電影領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，還在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。圖像視頻處理及傳輸一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域比較前沿的技術(shù)。借助原始圖像及視頻處理技術(shù)，能幫助醫(yī)生更好地處理疾病。目前，許多疾病的診斷主要依靠B超、CT和MR等無創(chuàng)性影像學(xué)檢查，但由于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之上述各種影像學(xué)檢查手段各有優(yōu)勢和不足,常需多種影像學(xué)檢查方法的綜合運(yùn)用,才能做出較為全面的診斷。而利用3D三維技術(shù)對病變部位進(jìn)行三維立體重構(gòu)，能較大程度地彌補(bǔ)影像學(xué)技術(shù)的不足，使醫(yī)生對病變部位的分析更加全面、準(zhǔn)確。

2 3 D視頻傳輸技術(shù)

2.1 3D立體視頻傳輸方式

3D圖像常見編碼傳輸有4種格式：

(1)色差方式：又稱分色立體成像技術(shù)，用兩個不同視角拍攝的影像，分別以兩種不同的顏色印刷在同一幅畫面中。用肉眼觀看會呈現(xiàn)模糊的重影圖像，只有通過對應(yīng)的紅藍(lán)等立體分色眼鏡才可以看到立體效果。

(2)基于圖像幀兼容模式的立體視頻格式：一個圖像幀數(shù)據(jù)里面含有左右?guī)瑘D像數(shù)據(jù)，通常有左右格式、上下格式、交錯格式3種，分別為(A)、(B)、(C)。

(A)左右格式圖像幀

(B)上下格式圖像幀

(C)交錯格式圖像幀

(3)基于圖像幀序列模式

圖像幀：是一次概念的革新，它打破常規(guī)，完全沒有 I 幀、P幀、B 幀的概念，也沒有 IDR 幀的概念。對于 H.264 中出現(xiàn)的一些概念從大到小排序依次是：序列、圖像、片組、片、NALU、宏塊、亞宏塊、塊、像素。

(4)Multi-View Code(MVC)標(biāo)準(zhǔn)中采用的方式即2D圖像加景深MAP的模式 ：這種模式，景深數(shù)據(jù)的內(nèi)容雖然少了，但是數(shù)據(jù)的分辨率以及像素沒有少，在進(jìn)行圖像壓縮時，需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬和左右兩幀單獨(dú)壓縮占用的帶寬一樣。

2.2 3D視頻傳輸技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在從網(wǎng)絡(luò)上下載一部高清的1080P畫質(zhì)的電影可能就需要1～2G的內(nèi)存大小，甚至更高達(dá)十幾個G。而一部高清的3D電影，如果想從網(wǎng)絡(luò)上下載，或者直接在線觀看，對于目前的網(wǎng)速來說都是不太可能的。一部電影不關(guān)電腦下載要七八個小時或者一兩天，我想很多人會直接放棄的。3D在帶給人無與倫比的視覺體驗(yàn)的同時，也因其巨大的信息量為視頻的保存和傳輸帶來新的壓力。如何在盡量保證視頻質(zhì)量的前提下占用更小的傳輸帶寬是3D視頻壓縮領(lǐng)域亟待解決的問題；如何讓3D視頻有較高的分辨率，減少信號的失真，增強(qiáng)濾波效果是信號領(lǐng)域有待解決的問題。為此，需要有與3D視頻特點(diǎn)相適應(yīng)的壓縮和編碼方法以提高壓縮效率，考慮現(xiàn)有壓縮標(biāo)準(zhǔn)間的兼容性，同時利用基于特征值和特征向量的多維正弦信號頻率估計(jì)的失真技術(shù)也需要被充分考慮。

2.3 解決方法

2.3.1 獨(dú)立視點(diǎn)編碼

目前的研究主要集中在基于深度信息和深度圖特征的ROI壓縮，除此之外，還采用新的編碼方式，如基于HEVC的3D視頻編碼3D-HEVC方案。如上圖所示，圖中所有輸入的視頻圖像和深度圖像是同一時刻、不同拍攝位置的場景，這些圖像組成一個存取層。在同一個存取層中，首先對獨(dú)立視點(diǎn)(基準(zhǔn)視點(diǎn))編碼，接著是該視點(diǎn)的深度圖，再編碼其他視點(diǎn)視頻圖像和深度圖。從原理角度，每個視點(diǎn)的圖像，包括視頻圖像和深度圖像，均可以利用HEVC編碼框架進(jìn)行編碼，輸入的所有比特流復(fù)合形成3D比特流。

對于獨(dú)立視點(diǎn)，利用未修正的HEVC編碼結(jié)構(gòu)，由于該視點(diǎn)的編碼是獨(dú)立的，不依賴于其他視點(diǎn)，因此其對應(yīng)的比特流可以單獨(dú)提取出來形成2D比特流，從而恢復(fù)出2D視頻。由此可見，3D-HEVC兼容了2D視頻的編解碼，而其他視點(diǎn)和深度圖采用修正的HEVC編碼結(jié)構(gòu)。如圖中紅色箭頭表明，可以利用視點(diǎn)間相似信息去除視點(diǎn)間冗余，提高編碼性能。

3D-HEVC編碼結(jié)構(gòu)是對HEVC的擴(kuò)展，每個視點(diǎn)紋理及深度圖編碼主要采用HEVC編碼框架，但在其基礎(chǔ)上增加了一些新的編碼技術(shù)，使其更有利于深度圖和多視點(diǎn)的編碼，能夠保證視頻的質(zhì)量。

2.3.2 非獨(dú)立視點(diǎn)編碼技術(shù)

3D-HEVC在編碼非獨(dú)立視點(diǎn)時，除了使用獨(dú)立視點(diǎn)編碼所用的所有工具外，還用到了HEVC關(guān)于3D擴(kuò)展的編碼技術(shù)，使其更有利于多視點(diǎn)的編碼。如利用已編碼的獨(dú)立視點(diǎn)的信息來預(yù)測當(dāng)前編碼視點(diǎn)的信息，從而降低視點(diǎn)間冗余，提高編碼效率。其中涉及的擴(kuò)展技術(shù)主要是視差補(bǔ)償預(yù)測、視點(diǎn)間運(yùn)動預(yù)測和視點(diǎn)間冗余預(yù)測。

3 結(jié)語

當(dāng)前，3D技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展的黃金期，接下來的發(fā)展還有待于技術(shù)人員在應(yīng)用中不斷探索。但可以預(yù)見的是3D數(shù)字處理技術(shù)將會給人類帶來一場前所未有的技術(shù)風(fēng)暴，為人類的生活和社會科技進(jìn)步帶來不可預(yù)估的價值。

[1]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].清華大學(xué)，2001.

[2]陳后金，薛健.數(shù)字信號處理[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]唐志偉.數(shù)字信號處理技術(shù)在電視機(jī)中的應(yīng)用[J].數(shù)組技術(shù)與應(yīng)用，2011(7).

(編輯 文新梅)

Discussion on 3D Digital Signal Processing Technology

WANG Ying

(Liaoning Institute of Technology of Profession of Rail Transit in Shenyang, Shenyang 110000, China)

The information technology of our country is in the fast development and changing stage, and some of the digital signal processing technology has been widely used in people’s lives. This article is mainly on the current development of the digital signal processing technology research. The 3D signal transmission mode and the problems are analyzed in the paper, and the ways to solve the problems are put forward.

3D technology; digital signal transmission processing; discussion

2017-04-10

王盈(1977-)，女。講師，工程碩士。研究方向：電工電子技術(shù)。

TN911.72

A

1672-0601(2017)06-0121-03