幀兼容平面立體電視及其接收設備

李桂苓，王 軍，許樹檀

（1.天津大學電子信息工程學院，天津 300072；2.中國聯合網絡通信有限公司天津分公司，天津 300020）

我國立體電視（3DTV）試驗頻道已于2012年元旦試播、春節開播。該頻道播出幀兼容平面立體3DTV視頻信號[1]和編碼的音頻信號，加密后經衛星傳輸，由各地有線電視網前端接收，再送當地有線電視網傳送。

本文簡要講述試驗頻道采用的幀兼容傳送方式的工作原理，說明其與常規高清晰度電視（HDTV）的兼容性，指出傳送的左右視圖分辨力均非HDTV標準，常規HDTV接收器（STB）不能兼容接收3DTV節目，3DTV STB和3DTV顯示器的高清多媒體接口（HDMI）均需達1.4a版本才能自動識別[1-2]。

1 幀兼容平面立體電視

1.1 并排視頻幀的合成

圖1為幀兼容平面立體電視并排幀的合成過程。如圖所示，為了合成與1 920×1 080 HDTV格式“幀兼容”的并排視頻幀信號，先將1 920×1 080 HDTV分辨力的左右視圖源圖像序列分別下變換成960×1 080格式，再左右水平拼接（SbS）下變換后的左右視圖對應幀。為了減小左右視圖間的冗余度，通常基于并排幀的左視圖信號，按H.264/AVC（或AVS）標準進行壓縮編碼，并將左視圖的立體聲或多聲道音頻信號按MPEG-1層2（或AC-3）標準壓縮。為了使終端能識別和解碼3DTV信號，將音視頻數據流按MPEG-2系統層復用成傳送流（TS）時，需在節目專用信息（PSI）中置相應的標志位，并在業務信息（SI）中引入規范的3DTV描述符。完成上述信源編碼后，還需采用條件接收（CA）技術加密，按衛星數字電視（DTV）傳輸標準進行信道編碼等處理，成為衛星傳輸上行信號。

圖1表明，“幀兼容”指拼接幀與HDTV圖像幀二者的格式相同，原有的一路HDTV傳輸通道和常規HDTV STB可傳輸、接收和解碼這種3DTV信號。實際上傳輸的左右視圖水平分辨力都已下降到一半，不是高清圖像，本文后面還會說明，常規HDTV STB也不能兼容地正確重顯3DTV節目，即“兼容”是對信號而言。

1.2 并排視頻幀的分解

圖2為并排視頻幀的分解過程。如圖所示，解碼的并排幀先拆分成半水平分辨力的左右視圖，再分別上變換成1 920×1 080格式，顯示于電視屏或投影幕同一平面。立體視正常的觀眾需佩戴3DTV眼鏡，將二維（2D）左右視圖分送左右眼，經視覺系統處理，才能產生立體感[3]。這就是“平面立體”的含意。

由圖2可知，若用常規HDTV接收設備收視幀兼容平面立體電視節目，則只能顯示左右視圖拼接，畫面均完整但都縮窄為1/2的畸變圖像，如圖3所示。從原有2D HDTV STB能否正確獲取視頻內容的角度衡量，SbS方式幀兼容平面立體電視系統不具后向兼容性。

1.3 幀兼容平面立體電視的圖像分辨力

除圖1所示的左右視圖SbS空間排列方式外，還有上下（TaB）、隔行和棋盤方式。與SbS方式類似的TaB方式不降低左右視圖的水平分辨力，但傳輸的左右視圖之垂直分辨力均降到1/2，若用無源偏振光眼鏡觀看，重顯的左右視圖之垂直分辨力還要再降1/2。

目前3DTV普遍采用SbS方式，經有源快門或無源偏振光眼鏡分離的左右視圖的水平分辨力均降到源圖像的1/2，后者的垂直分辨力也降到1/2，二者重建的左右視圖的分辨力均達不到HDTV標準。

綜上所述，這種幀兼容方式只有源圖像可達HDTV圖像分辨力，而傳輸和重顯的視頻幀只具有HDTV格式，左右視圖均非HDTV分辨力，因而不是真正意義的“高清幀兼容立體電視”。

2 接收設備類型及其兼容性

常用的立體電視接收設備有立體電視接收器（立體電視機頂盒）和立體電視接收機（立體電視一體機）兩種。前者不具顯示能力，輸出的重建視頻信號需立體電視顯示設備；后者使用較方便，但設備組合和升級等不夠靈活。

除直視型立體電視接收、顯示設備外，也可采用立體電視投影顯示方式，或將立體電視信號的接收和解碼等功能也集成于其內。投影方式設備較復雜、調整較困難，但利于提高重顯圖像的質量。

3DTV試驗頻道開播后，擬收視3D節目，但原有HDTV接收器不能升級或配接附加裝置的用戶，可選購幀兼容平面立體電視接收器（3DTV STB）。這種接收器須符合相應標準，除能接收標準清晰度電視（SDTV）和高清晰度電視（HDTV）節目外，還具有接收、識別、解碼和輸出重建3DTV信號的能力。新生產這類接收器時，還應使輸出音視頻信號的高清多媒體接口達到1.4a版本（HDMI V1.4a），這樣在其配接達同樣版本HDMI接口的3DTV顯示器時，顯示器可自動切換2D/3D顯示模式，否則需要用戶手動切換。

對只需以2D形式收視3DTV廣播節目的用戶，可用認知型幀兼容平面立體電視接收器或接收機。這種接收設備能識別3DTV信號，解析3DTV描述符，并將解碼的左視圖上變換為HDTV圖像格式，輸出節目內容兼容的2D電視信號或重顯2D圖像，當然重顯圖像的分辨力未達HDTV標準。

如上文所述，常規HDTV接收器或接收機對幀兼容平面立體電視為非認知型。它們不能識別和解析幀兼容平面立體電視業務，也不能正確提供3DTV視頻節目的2D版。服務于這些已有HDTV用戶，若原接收器或接收機可軟件升級，或為之開發附加裝置，則有可能獲得對3DTV的某種程度兼容性。

由于需求和設備的多樣性，上述電視接收、顯示設備的搭配會出現多種情況。

3 檔次和級別

圖4為國際電信聯盟2011年11月發布的ITU-R BT.2160-2報告中對3DTV信號格式發展途徑的判斷[2]。圖中，橫坐標為檔次（代），從左至右提高；縱坐標為兼容性級別，從上到下對2D HDTV的兼容性逐級提高。筆者特別提請注意的是，“兼容性”是對信號而言，請不要等同于對業務（內容）兼容。

圖4劃分的立體電視檔次表明，立體電視將從需戴立體眼鏡的第一代單視點立體視，發展為無需眼鏡并允許頭部在較大范圍內移動的第二代多視點，再達基于全息成像技術的第三代自然視。

對現有HDTV終端設備兼容性最高的3DTV信號格式是第1級。常規HDTV STB和2D顯示器可接收和解碼該級3DTV信號，佩戴相應的左右眼互補色眼鏡，可分離左右視圖，它們靠眼睛的生理功能和大腦中視神經的融合能力，可產生立體感。這種級別的3DTV信號屬顯示兼容級（CDC），其重顯的立體圖像在亮度、清晰度、色域等方面較差。

第2級為幀兼容級（CFC），本文第2，3節所述幀兼容平面立體電視即屬這級。如前所述，傳輸該級3DTV信號的系統，左右視圖源圖像的分辨力均為高清，終端分解并排幀，上變換后的重顯左右視圖雖達不到高清分辨力，但為高清格式。

第3級左右視圖占用的頻譜兼容常規高清，是第2級的擴展，增強了視圖下變換所損失的信息。該級3DTV信號需用相應的STB和顯示器解碼和顯示，是幀兼容兼容級（FCC）。

第4級是常規高清業務兼容級（CSC）。第一代第4級的左右視圖均完整，需相應STB和顯示器解碼和顯示，但常規STB可解碼部分碼流，獲2D圖像。第二代第4級信號需用可解帶深度等增強信息并能解第一代第1，2，4級信號的STB解碼，顯示需用多視角立體顯示器。

4 結束語

自然界景物存在于三維空間，人類視覺可感受立體世界，電視科技工作者多年來致力于構建三維電視系統。2012年春節我國3DTV試驗頻道終于開播，標志3DTV在我國開始進入實用化階段。這對提高電視節目的觀賞性、促進3DTV節目制作和發展3DTV產業等，均具重要意義。

試播頻道播出幀兼容平面立體電視。該系統將水平下變換的左右視圖按SbS方式拼接成HDTV畫面格式，在常規HDTV通道以很高的兼容性傳輸。在終端，左右視圖按時間分割或空間分割方式，顯示于同一平面，靠佩戴相應的眼鏡，使左右眼分別看到左右視圖，誘發立體感。

實驗頻道的兼容性主要體現于圖像格式和傳輸信道，原有HDTV接收設備不能兼容接收其播出的節目，好在國內常規HDTV接收設備數量還不多。但實驗頻道播出的左右視圖均非HDTV分辨力，尚處3DTV發展歷程的低檔次，今后仍存在3DTV設備及設備組合以及與3D藍光DVD等周邊技術和設備的兼容問題，應及早考慮賦予終端產品較強的升級能力。

幀兼容平面立體電視系統基于雙目視差構建，借助兩眼的生理功能、大腦的融合能力和視覺經驗積累等產生立體感。目前對立體視覺機制研究尚不充分，電視系統難以從工程上加以模擬，更難適應廣大觀眾個體間在生理、心理和神經活動等方面的差異，在相當長的時期內難以攝制和制作適合不同人群、眾多觀眾長時間觀看的3DTV節目，今后長時期內，2D電視節目依然會是電視節目的主流。筆者認為，在節目制作、觀眾接受程度和設備兼容等方面，對發展3DTV廣播事業，既要積極，又需理智。

望本文對正確認識試驗頻道播出方式在3DTV發展長河中所處的階段，對規劃系統和設計相應產品中考慮兼容性和處理同相關技術的關系，對用戶組建三維視頻接收、重顯系統等有一定的參考意義。

[1]DVB Bluebook A154，Digital video broadcasting(DVB);frame compatible plano-stereoscopic 3DTV(DVB-3DTV)[S].2011.

[2]ITU-R REPORT BT.2160—2009，Features of three-dimensional television video systems for broadcasting[S].2009.

[3]王致誠.立體電視技術的發展[J].電視技術，1991，15（5）：57-58.