立體電視發(fā)展線路及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展

雙目立體視覺與立體電視

    摘要：本文首先介紹ITU對立體電視代次的劃分、立體電視系統(tǒng)兼容級別以及信號格式的考慮，從中我們可以看出ITU對立體電視發(fā)展線路的判斷。簡要介紹了第1代立體電視系統(tǒng)，包括其中的立體視頻采集與生成、節(jié)目制作、編碼與傳輸、立體顯示等主要環(huán)節(jié)。最后介紹了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織在立體電視方面的工作進(jìn)展。

    近年，阿凡達(dá)等3D電影的成功上映掀起了新一輪3D電影熱潮。DreamWorks、Walt Disney、Universal Pictures等公司計劃在今后若干年內(nèi)拍攝上映一系列3D電影。與此同時，在數(shù)字存儲媒體領(lǐng)域，藍(lán)光光盤協(xié)會（Blu-ray Disc Association）于09年底發(fā)布了3D Blu-ray Disc規(guī)范，Sony公司在2010年初發(fā)布了第一款3D Blu-ray Disc播放機(jī)�？梢灶A(yù)見，3D家庭影院將很快進(jìn)入家庭。在廣播電視領(lǐng)域，國外相關(guān)電視運(yùn)營商近年也開展了立體電視（3DTV）的實(shí)驗(yàn)、測試及試播。雖然立體電視進(jìn)入家庭還存在著一些問題，例如視覺疲勞以及佩戴眼鏡所帶來的不便利性等，但相關(guān)運(yùn)營商，尤其是有線付費(fèi)電視運(yùn)營商，還是表現(xiàn)出了極大的熱情。ESPN實(shí)況3D轉(zhuǎn)播了2010年世界杯，BSkyB有意在2010年內(nèi)在英國開通3DTV頻道。從3D電影到3D家庭影院，再發(fā)展到3D電視，這將是一個必然的過程。

    本文第1部分簡單介紹了雙目立體視覺機(jī)制，立體電視系統(tǒng)的功能就是為人們重現(xiàn)所拍攝場景的雙目立體感。第2部分介紹ITU對立體電視發(fā)展線路的判斷，包括立體電視代次的劃分、系統(tǒng)兼容級別以及信號格式的考慮等。第3部分介紹第1代立體電視系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。第4部分介紹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織在立體電視方面的工作進(jìn)展。

    人類雙目立體視覺機(jī)制可簡單描述如下。人類通過雙眼觀察物體，左眼看到物體稍偏左側(cè)的影像，右眼看到物體稍偏右側(cè)的影像，物體影像成像于左右眼視網(wǎng)膜，經(jīng)視神經(jīng)傳達(dá)到大腦的視覺反應(yīng)區(qū)，在這里大腦將兩個影像整合成單個立體影像，即具有深度信息的物體影像。人類通過雙眼觀看而獲得場景深度感覺的過程稱為Stereopsis。

    人類獲得所觀察場景的深度信息可借助多種線索實(shí)現(xiàn)。例如，即使只用單眼觀看，我們也可以通過物體的相對大小、物體遮擋等線索獲得場景的部分深度信息。雙眼觀看相對于單眼觀看可以進(jìn)一步獲得場景的視差等信息，從而得到完整的深度信息。視差是指左右眼分別觀看物體時物體所處空間位置的差異。視差越大說明物體離觀察者越近。

    傳統(tǒng)的平面電視只顯示了一路畫面，此時左右眼看到的是同一幅畫面，深度信息是通過物體的相對大小、物體遮擋等線索推斷得到。立體電視顯示了視角稍有不同的兩路畫面，分別用于左右眼的觀看，因此提供了場景的視差信息，觀看者可以獲得物體躍然于顯示屏外的立體感覺。

ITU對立體電視發(fā)展線路的判斷

    立體電視系統(tǒng)需要傳輸具有視差效果的立體視頻信號。立體電視信號格式對接收終端、顯示設(shè)備以及運(yùn)營業(yè)務(wù)形式都會產(chǎn)生直接影響。圖1是ITU-R對立體電視信號格式的劃分，從中反映出了ITU-R對立體電視發(fā)展線路的判斷。

    2.1立體電視代次劃分

    立體電視系統(tǒng)會從佩戴眼鏡觀看一個視角的立體視頻，發(fā)展到允許頭部移動觀看多個視角的立體視頻，并最終演進(jìn)為自然立體視頻，即與我們?nèi)粘Ｒ曈X成像無異。根據(jù)立體電視系統(tǒng)所傳輸?shù)囊曈X信息量的多少，觀看者是否需要配戴眼鏡等方面因素，ITU-R將立體電視系統(tǒng)分為三代，如圖1橫軸所示。

    第1代立體電視系統(tǒng)傳輸兩路畫面，分別用于左右眼的觀看，所傳輸?shù)囊曈X信息中只包含有一種視差效果。第1代系統(tǒng)基于stereoscopic顯示技術(shù)，主要包括偏振光立體顯示方式以及主動快門式顯示方式。觀看者需要配戴相應(yīng)的眼鏡，眼鏡將顯示設(shè)備顯示的左右眼畫面分離出來分別送入左右眼。

    第2代立體電視系統(tǒng)傳輸多個視角的多路畫面，因此提供了多種視差效果。第2代系統(tǒng)基于autostereoscopic顯示技術(shù)。該類顯示技術(shù)通過視差屏障（parallex barrier）、透鏡（lenticular lens）等機(jī)制將左右眼的畫面分別傳送到觀看者的左右眼，無需觀看者佩戴眼鏡。由于第2代系統(tǒng)傳輸了多路畫面，觀看者變化觀看角度時可以查看到物體后面的景象。

    第3代立體電視系統(tǒng)是全息影像系統(tǒng)。第3代系統(tǒng)基于object-wave recording (holography)等全息成像技術(shù)，目標(biāo)是模擬實(shí)際場景的光場，因此觀看者可以任意選擇觀看位置，并無需佩戴眼鏡。相比前兩代系統(tǒng)，全息系統(tǒng)提供了更貼近自然的觀看方式。第3代系統(tǒng)還需要很長的時間去發(fā)展和完善。

    2.2立體電視系統(tǒng)兼容級別

    圖1縱軸表明了ITU-R對立體電視系統(tǒng)兼容級別的考慮，即在多大程度上基于現(xiàn)有設(shè)備可以開展立體電視業(yè)務(wù)。

    兼容級別Level 1不需要觀看者購買新的終端、顯示等設(shè)備，只需添加一幅眼鏡。由于此級別立體電視系統(tǒng)兼容現(xiàn)有高清顯示設(shè)備，ITU-R將此級別稱為HD Conventional Display Compatible（CDC）。兼容級別Level 2需要觀看者購買新的顯示設(shè)備，但不需要更換機(jī)頂盒等終端設(shè)備。傳統(tǒng)機(jī)頂盒可以解碼該級別立體電視信號意味著該級別立體電視信號的視頻幀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)2D電視視頻幀結(jié)構(gòu)兼容，因此ITU-R稱此級別為Conventional HD Frame Compatible（CFC）。

    兼容級別Level 3和Level 4需要觀看者購買新的終端以及新的顯示設(shè)備。級別Level 3是Level 2的擴(kuò)展，并兼容Level 2信號，因此ITU-R稱此級別為Frame-Compatible Compatible（FCC）。級別Level 4兼容傳統(tǒng)2D電視業(yè)務(wù)，因此ITU-R稱該級別為Conventional HD Service Compatible（CSC）。

    2.3立體電視信號格式

    ITU-R給出了各級別立體電視系統(tǒng)信號格式的定義，如圖1所示。本節(jié)對這些信號格式進(jìn)行介紹。

    第1代Level 1級別立體電視信號是通過將左右眼兩路畫面進(jìn)行基于互補(bǔ)色的濾光，并將濾光后的兩路畫面迭加為一路畫面而形成的。在2D電視系統(tǒng)中，該級別信號可視為一路2D電視信號進(jìn)行編碼傳輸，因此采用傳統(tǒng)機(jī)頂盒即可進(jìn)行解碼。該級別信號在傳統(tǒng)顯示設(shè)備上即可進(jìn)行顯示，觀看者通過配戴互補(bǔ)色眼鏡將左右眼畫面分離出來，獲得雙目立體感�；�于互補(bǔ)色濾光的立體圖像質(zhì)量不能得到保證，目前已較少采用。

    第1代Level 2級別立體電視信號是通過將左右眼兩路畫面進(jìn)行下采樣，之后合并為一路畫面而形成的。主要合并方法包括，Side by Side（SbS）、Over and Under（OaU）、line/column interleave、checkerboard、Quincunx等。該級別信號可視為一路2D電視信號進(jìn)行編碼傳輸，但需要指明所采用的畫面合并方法。傳統(tǒng)機(jī)頂盒可對該級別信號進(jìn)行解碼，但需要新的顯示設(shè)備將一路畫面拆分為用于左右眼觀看的兩路畫面并進(jìn)行顯示。由于兩路畫面進(jìn)行了下采樣，該級別立體電視相比全畫幅高清晰度電視損失了頻譜信息。

    第1代Level 3級別立體電視信號是在第1代Level 2信號的基礎(chǔ)上迭加增強(qiáng)信號而形成。增強(qiáng)信號用于補(bǔ)全由于畫面下采樣所損失的頻譜信息。該級別信號需采用新的機(jī)頂盒及顯示設(shè)備進(jìn)行解碼顯示，但該級別信號兼容第1代Level 2信號。H.264 Scalable Video Coding標(biāo)準(zhǔn)可作為該級別信號的信源編碼方案。

    第1代Level 4級別立體電視信號是用于左右眼觀看的具有視差效果的兩路完整畫面。該級別信號需采用新的機(jī)頂盒及顯示設(shè)備進(jìn)行解碼顯示，但兼容傳統(tǒng)2D電視信號。傳統(tǒng)機(jī)頂盒可以解碼該級別信號的部分碼流，獲得兩路畫面中的一路。因此，該級別立體電視信號兼容傳統(tǒng)2D電視業(yè)務(wù)。H.264 Multiview Video Coding標(biāo)準(zhǔn)可作為該級別信號的信源編碼方案。

    第2代Level 4級別立體電視信號是多個視角的多路畫面并附加相應(yīng)的深度信息。該級別信號需采用新的機(jī)頂盒及顯示設(shè)備進(jìn)行解碼顯示。該類顯示設(shè)備是多視點(diǎn)autostereoscopic顯示設(shè)備。目前，MPEG正在著手制定該級別信號的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)。

第1代立體電視系統(tǒng)

    立體電視完全替代2D高清晰度電視不會在近年發(fā)生。對于立體電視業(yè)務(wù)的開展，ITU-R預(yù)測有線付費(fèi)電視運(yùn)營商與無線廣播電視運(yùn)營商會有不同的商業(yè)模式，因此所傾向的系統(tǒng)方案會有不同。目前，有線付費(fèi)電視運(yùn)營商預(yù)計將傾向于第1代Level 2級別系統(tǒng)，而無線廣播電視運(yùn)營商將會傾向于第1代Level 4級別系統(tǒng)。

    有線付費(fèi)電視運(yùn)營商采用第1代Level 2級別系統(tǒng)，只需要利用新的傳輸帶寬增設(shè)新的頻道，可以不改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及更換現(xiàn)有機(jī)頂盒。立體電視業(yè)務(wù)的開展不影響原有2D電視業(yè)務(wù)，并可以在未來升級到第1代Level 3級別系統(tǒng)，提高立體電視的圖像質(zhì)量。

    無線廣播電視運(yùn)營商只有有限的空中頻率資源，通常2D電視業(yè)務(wù)已經(jīng)占用已有頻率，因此尋找新的頻率采用第1代Level 2級別系統(tǒng)開展立體電視業(yè)務(wù)有困難。無線廣播電視運(yùn)營商可以采用第1代Level 4級別系統(tǒng)，開展兼容2D電視業(yè)務(wù)的立體電視業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)2D電視用戶可以在第1代Level 4級別系統(tǒng)中收看一路2D畫面，立體電視用戶需要購買新的終端及顯示設(shè)備。

    以下對第1代立體電視系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹，包括立體視頻采集與生成、節(jié)目制作、編碼與傳輸、立體顯示等。

    3.1 立體視頻采集與生成

    立體視頻通常采用兩臺單鏡頭攝像機(jī)或一臺雙鏡頭攝像機(jī)進(jìn)行采集。人雙眼瞳距大約6.5厘米，因此為獲得符合人眼觀看習(xí)慣的立體視頻，兩臺攝像機(jī)鏡頭軸線的最佳距離也應(yīng)為6.5厘米。但專業(yè)攝像機(jī)的鏡頭通常較大，此時可采用交叉支架將兩臺攝像機(jī)垂直放置，并在鏡頭前端放置半反射鏡把光線分別反射、透射給兩臺攝像機(jī)。目前，國內(nèi)外都有多種3D支架可供選擇。3D支架分為機(jī)械型、電動伺服型以及自動跟蹤型，可滿足不同的拍攝需要。Sony公司推出了一款專為立體視頻拍攝而設(shè)計的攝像機(jī)HDC-P1。HDC-P1擁有小型機(jī)身，便于在各類支架上安裝設(shè)置。調(diào)整攝像機(jī)間距可獲得不同的立體效果。例如，拍攝遠(yuǎn)距離景物時為加強(qiáng)立體效果可加大間距，需要減弱立體感時則縮小間距。某些時候，還可附加深度探測器輔助拍攝。深度探測器采用激光或紅外光線進(jìn)行探測，試圖給出拍攝場景的深度信息。但由于精度、反射、物體透明性等方面的因素，獲取的深度信息通常存在誤差。此外，還可采用攝像機(jī)陣列采集多個角度的立體視頻。

    立體視頻生成的方式主要有兩類：一類是采用計算機(jī)生成，根據(jù)計算機(jī)圖形學(xué)原理，通過對物體、場景進(jìn)行三維建模，計算機(jī)可根據(jù)需要渲染出一個或多個角度的立體視頻；另一類生成方式是2D視頻到立體視頻的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的大致過程是將圖像中的物體進(jìn)行分割，為每個物體設(shè)置深度信息，并對轉(zhuǎn)換后的空白區(qū)域進(jìn)行填充，其中深度信息可以利用2D視頻進(jìn)行估計。目前，高精度自動2D視頻到立體視頻轉(zhuǎn)換還有技術(shù)難點(diǎn)，還需進(jìn)一步研究。

    3.2 節(jié)目制作

    節(jié)目制作涉及到立體視頻的剪輯、校正、特效添加等環(huán)節(jié)。由于最終要呈現(xiàn)出立體的效果，各環(huán)節(jié)的操作相對傳統(tǒng)2D視頻都有不同。在剪輯環(huán)節(jié)，某些情況下立體視頻剪輯后需要進(jìn)行左右畫面位置的對齊。畫面對齊可以借助拍攝時的同步信號以及伴音等信息來實(shí)現(xiàn)。在校正環(huán)節(jié)，立體視頻拍攝時由于攝像機(jī)配置等原因通常會有拍攝誤差，誤差大于一定程度將會帶來立體效果丟失或視覺疲勞，因此在視頻處理階段需要對這些誤差進(jìn)行校正。這些校正包括色彩校正、梯形校正、旋轉(zhuǎn)校正等。在字幕等字符和圖形的加入環(huán)節(jié)，需要采用負(fù)視差加入字符和圖形，即將字幕浮動到屏幕的最前方。立體畫面的切換要考慮到視覺感受。傳統(tǒng)2D視頻可以通過鏡頭快速切換達(dá)到視覺沖擊的效果，但在立體視頻中這會帶來人眼的頻繁調(diào)焦，從而產(chǎn)生視覺疲勞。因此在節(jié)目制作中，立體畫面的轉(zhuǎn)換和過渡要柔和。總之，立體電視節(jié)目的制作要保證高視頻質(zhì)量，從而將視覺疲勞程度降到最低。

    3.3 編碼與傳輸

    視頻編碼的作用在于去除視頻數(shù)據(jù)的各類冗余以便于傳輸和存儲。采用不同信號格式的立體電視系統(tǒng)需采用不同的信源編碼方案。對于第2節(jié)所述的第1代Level 1和Level 2級別立體電視系統(tǒng)，其視頻信號可看作一路傳統(tǒng)2D電視信號，因此可采用MPEG-2或H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。第1代Level 3級別立體電視信號是在第1代Level 2信號的基礎(chǔ)上迭加增強(qiáng)信號而形成。如果把增強(qiáng)信號看作分辨率增強(qiáng)層，則與可伸縮視頻編碼的概念吻合，所以可采用H.264 SVC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼。編碼第1代Level 4級別立體電視信號可采用MPEG-2 Multiview Profile或H.264 MVC標(biāo)準(zhǔn)。編碼的基本思路是，對左視（或右視）畫面進(jìn)行傳統(tǒng)編碼，而右視（或左視）畫面可以進(jìn)行視間預(yù)測提高編碼效率。編碼立體電視信號的指導(dǎo)原則是編碼后的數(shù)據(jù)適合各類信道傳輸，這包括滿足碼率、容錯性能、時延等方面的要求。

    立體電視節(jié)目可以在DVB等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下以廣播的形式傳輸，也可以在IP網(wǎng)絡(luò)下以流媒體的形式傳輸。為人所熟知的數(shù)字電視廣播系統(tǒng)包括，DVB-C/S/T，ATSC，ISDB-C/S/T，地面國標(biāo)等。立體電視節(jié)目經(jīng)編碼復(fù)用后可以在以上系統(tǒng)中廣播播出，在實(shí)際應(yīng)用中需要注意特定傳輸信道對碼率的要求�；ヂ�(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動了VoIP、IPTV等應(yīng)用的產(chǎn)生。立體電視節(jié)目也可以在IP網(wǎng)絡(luò)中以單播、組播、P2P等形式傳輸。目前在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下所采用的傳輸協(xié)議主要是RTP/UDP/IP，將來會過渡到RTP/DCCP/IP，后者會提供更好的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制。關(guān)于立體電視傳輸技術(shù)的進(jìn)一步信息可參考文獻(xiàn)。

    3.4 立體顯示

    目前，進(jìn)入可用階段的立體顯示技術(shù)主要分為兩類，分別為stereoscopic顯示技術(shù)以及autostereoscopic顯示技術(shù)。Stereoscopic顯示技術(shù)需要觀看者佩戴眼鏡，主要包括偏振光和主動快門式顯示方式。Autostereoscopic顯示技術(shù)不需要觀看者佩戴眼鏡，其基本原理是通過視差屏障（parallex barrier）、透鏡（lenticular lens）等機(jī)制將左右眼的畫面分別傳送到觀看者的左右眼。Autostereoscopic顯示技術(shù)的最大優(yōu)勢是讓觀看者擺脫了眼鏡的束縛，但是在分辨率、可視角度和可視距離等方面還存在不足，而且目前價格昂貴，很難進(jìn)入家庭。偏振方式stereoscopic顯示技術(shù)利用了光線有振動方向的原理。例如：顯示時左右畫面分別經(jīng)過橫向偏振和縱向偏振，以水平偏振光和垂直偏振光的方式顯示出來，觀看者配戴相應(yīng)的偏振眼鏡，左右鏡片的偏振方向與左右畫面的偏振方向相同，這樣不合偏振方向的畫面會被鏡片過濾掉，左右眼分別看到相應(yīng)的左右畫面。由于在任一時刻要同時顯示兩路畫面，通常兩路畫面在垂直方向的分辨率都要減半，這導(dǎo)致每路畫面亮度降低。Sony公司推出的24和42英寸3D監(jiān)視器采用了偏振技術(shù)。目前，影院所采用的投影式偏振3D系統(tǒng)即基于以上原理。

    主動快門式stereoscopic顯示技術(shù)是通過提高畫面刷新率來實(shí)現(xiàn)。顯示時左右畫面交替進(jìn)行顯示，同時信號發(fā)射器同步控制快門式3D眼鏡的左右鏡片開關(guān)，使左右雙眼能夠在正確的時刻看到相應(yīng)的畫面。主動快門式stereoscopic顯示技術(shù)能夠保持畫面的原始分辨率，讓觀看者享受到全高清立體效果。該種顯示方式視覺效果出色，因此被很多廠商采用。目前，各公司推出的家用立體電視主要采用了主動快門式顯示技術(shù)。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織的工作進(jìn)展

    近年，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織積極開展了立體電視相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究、制定工作。ITU-R WP 6C在2009年11月發(fā)布了ITU-R Report BT.2160 Features of three-dimensional television video systems for broadcasting。該報告對立體電視系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的分析與總結(jié)，反映了ITU-R對立體電視系統(tǒng)發(fā)展線路的判斷，并提出了需要進(jìn)一步研究以及進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作的領(lǐng)域。DVB將ITU-R所定義的第1代Level 2級別系統(tǒng)稱為第1階段（Phase 1）立體電視系統(tǒng)。2010年7月，DVB發(fā)布了第1階段立體電視系統(tǒng)的商業(yè)需求，見DVB BlueBook A151 Commercial requirements for DVB 3D-TV。A151對第1階段立體電視信號格式、信號格式的表示、立體字幕等方面的技術(shù)需求進(jìn)行了描述。SMPTE在2009年3月發(fā)布了3D Home Master的技術(shù)需求。這是一個關(guān)于立體電視無壓縮信號格式、內(nèi)容文件格式、圖形覆蓋、字幕等方面的技術(shù)需求。目前SMPTE正在進(jìn)行3D Home Master標(biāo)準(zhǔn)的制定。ITU-T VCEG與ISO/IEC MPEG共同制定完成了H.264/AVC MVC標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可用于第1代Level 4級別系統(tǒng)立體電視信號的編碼。目前，MPEG正在著手制定具有深度信息的立體電視信號的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是為第2代立體電視系統(tǒng)提供更好的支持。Blu-ray Disc Association在2009年11月發(fā)布了3D Blu-ray Disc規(guī)范，該規(guī)范采用H.264/AVC MVC標(biāo)準(zhǔn)的Stereo High Profile對雙視立體視頻進(jìn)行壓縮編碼。HDMI發(fā)布了HDMI規(guī)范1.4a版本，明確了機(jī)頂盒等接收解碼設(shè)備與立體顯示設(shè)備連接時的接口要求。HDMI 1.4a支持第1代Level 2級別信號格式，包括SbS 1080i/50、1080i/59.94，OaU 720p/50、720p/59.94、1080p/23.97；支持第1代Level 4級別信號格式，包括1080p/23.96，720p/50，720p/59.94。Consumer Electronics Association正在考慮“3D-READY”產(chǎn)品該滿足何種技術(shù)要求，同時正在考慮制定3D眼鏡標(biāo)準(zhǔn)。日本和韓國的相關(guān)機(jī)構(gòu)正在對立體電視帶來的視覺疲勞問題進(jìn)行研究，并計劃給出安全觀看的相關(guān)建議。

    5小結(jié)

    業(yè)界經(jīng)驗(yàn)表明，立體電視業(yè)務(wù)的開展要想取得長久成功需要滿足如下條件。立體電視系統(tǒng)要后向兼容2D電視業(yè)務(wù)，支持多人同時觀看，立體顯示等設(shè)備的費(fèi)用是可負(fù)擔(dān)的，較低的額外傳輸帶寬需求，立體電視視覺質(zhì)量和觀看舒適度要好于傳統(tǒng)2D電視。目前，工業(yè)界以及學(xué)術(shù)界的科研人員正在為實(shí)現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)而努力。

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