3DTV兼容技術分析

【摘要】本文介紹了ITU-R3DTV中的常用概念，探討了利用HDTV廣播來傳輸3DTV時，由此涉及到的幾種兼容CFC，CDC，F(xiàn)CC，SCS以及服務兼容的特點。

【關鍵詞】3DTV HDTV 立體電視 幀兼容

2009年11月，ITU-R發(fā)表了“Featuresofthree-dimensional televisionvideoforbroadcasting”的報告，為3DTV發(fā)展路線圖提出了建議。2011年初，DVB發(fā)布了“Digitalvideobroadcasting；Framecompatibleplano-stereoscopic3dtv”(簡稱DVB-3DTV)的規(guī)范，為目前3DTV的發(fā)展提出了詳細的技術建議，這兩個文件必將為世界3DTV的發(fā)展作出貢獻。

一. ITU-R3DTV路線圖

1. ITU-R3DTV路線圖：如圖1所示。

從圖中可以看出，橫坐標表示3DTV的”代”，縱坐標表示3DTV的“級”，有點象MPEG-2中的“類”和“級”。

2. 3DTV的三代

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，主要包括偏振光立體顯示方式以及主動快門式顯示，第1代立體電視系統(tǒng)四個級都已填滿，并且很多技術都比較成熟，

但技術概念很多，如CDC、CFC、FCC、CSC等，我們將在后面加以解釋。

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。第2代立體電視系統(tǒng)將比第1代的技術質(zhì)量高，觀看效果好，目前正在研究和提高質(zhì)量之中。

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objectwaverecording(holography)等全息成像技術，其原理已與前兩代完全不同，是一種理想的立體電視系統(tǒng)，該系統(tǒng)研究歷史已很長，但要達到3DTV播出和家用，還有漫長的路要走。

二.幀兼容（ConventionalFrameCompatible，縮寫為CFC）

1. 幀兼容概念

幀兼容是一個重要概念，是目前第1代立體電視系統(tǒng)經(jīng)常接觸的術語，所以先加以解釋。

假設目前我們已經(jīng)進行HDTV廣播，那么從傳輸通道到家庭的機頂盒都已有，當然傳送的HDTV的“幀”格式已確定，如我國為“1920X1080”。

現(xiàn)在要播出3DTV，它具有兩個L、R碼流，既兩個HDTV碼流，用現(xiàn)在的傳輸一個HDTV碼流的條件，是無法完成的。如果用全新的方式來傳輸3DTV兩個L、R碼流，代價太大，很難推動3DTV的初期發(fā)展，為此人們想到用現(xiàn)在的傳輸HDTV的條件來傳輸3DTV。最好的辦法是把3DTV兩個L、R碼流，變成一個HDTV碼流，換句話說，把3DTV兩個L、R幀變成HDTV的“幀”格式，達到以假亂真的效果。這樣一來，目前傳輸條件不變，家庭機頂盒也不變，只要用相應的3D電視機，就可收到3DTV啦。你說電視臺、運營公司與用戶是不是都OK呢。

2. 幾種方式

說了半天，可能有些人還未搞懂，好，我們舉幾個例子。

（1）sidebyside方式

這是目前幀兼容系統(tǒng)使用最多的一種方式

請看圖2。這是目前HDTV的記錄與顯示方式，而圖3是幀兼容3DTV的記錄與顯示方式，L、R兩副圖像經(jīng)變換后各占HDTV幀的一半，變成了HDTV的一幀。

為了更詳細的了解，請看圖4、圖5。

從圖3、圖4、圖5宏觀與微觀兩個層面可以清楚的看出sidebyside的機理。但它缺點也是明顯的，L、R兩路圖像的水平清晰度減半。

（2）Top-and-Bottom（有時也叫upanddown；aboveandunder）

看圖6、圖7

從兩圖中可以看出該方式的奧妙，但也看出該方式的的缺點，L、R兩個圖像的垂直清晰度減半。看來幀兼容是要付出代價的。

從目前廣播的3DTV來看，以英國的BSKYB為首采用1080i的sidebyside方式，以美國ESPN為首的采用720P的Top-and-Bottom方式。

文章開始提到的歐洲D(zhuǎn)VB提出的DVB-3DTV就是以幀兼容的3DTV系統(tǒng)，它對幀兼容視頻格式、3DTV的信令（signalling）和立體字幕都作了詳細的規(guī)范。從此可以看出第一代的3DTV多以幀兼容系統(tǒng)為主開始。

三.顯示兼容（ConventionalDisplayCompatible，縮寫為CDC）

1.CDC

剛才我們講了CFC，雖然目前3DTV廣播第一代應用較多，雖然用戶家中機頂盒可以不換，但顯示器要換成3D電視機。有沒有連電視機都不換，用目前的電視機就可以收看3DTV的節(jié)目呢？有，這就是顯示兼容CDC。

2.“anaglyph”的色分法3D

從立體電影開始，就伴隨一個叫“anaglyph”的色分法3D，運用到電視的基本方法是用兩部鏡頭前端加裝濾光鏡（如紅、藍）的攝像機去拍攝同一場景圖像，在彩色電視機的屏幕上顯示的是兩副不同顏色的圖像相互疊加在一起，當觀眾通過相應的濾光眼鏡觀察時就可以看到立體電視圖像。這種立體電視成像技術兼容性好，在目前的電視技術體制下容易實現(xiàn)，甚至連電視機都不換，用戶只需一副很便宜的紅藍眼鏡就可以了。但存在的問題也十分明顯：由于通過濾光鏡去觀察電視圖像，相當于“戴有色眼鏡看世界”，彩色信息損失大；同時彩色電視機本身的“串色”現(xiàn)象引起干擾，左、右眼的入射圖像不一致，易引起視覺疲勞。雖然這種方式的研究成果很多，收看效果不斷改善，但作為已進入HDTV的今日電視，使用這種方法是不推薦的。在3DTV啟動階段，象山東齊魯電視臺播出《吳承恩與西游記》就采用這種技術來看，它還是有一定價值的，但它在電視廣播中是沒有出路的。目前在電影、互聯(lián)網(wǎng)、PC機和藍光盤的立體顯示中仍有廣泛應用并還在不斷發(fā)展。

四.幀兼容的兼容(FrameCompatibleCompatible；縮寫為FCC）

FCC是Level2的CFC擴展，并兼容Level2CFC信號，因此ITU-R稱此級別為Frame-CompatibleCompatible（FCC）。

第1代Level3級別立體電視信號是在第1代Level2信號的基礎上迭加增強信號而形成。增強信號用于補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頂盒及顯示設備進行解碼顯示，但該級別信號兼容第1代Level2信號。如果把它的信號作為基本層，把增強信號作為分辨率增強層則與可伸縮視頻編碼的概念吻合，所以可采用H.264SVC標準進行編碼。如圖8所示。在接收端，基本層可由H。264/AVC解碼器解碼，實現(xiàn)向下兼容；SVC解碼器解出增強層信號，供立體電視機收看。

五.服務兼容（ConventionalServiceCompatible，縮寫為CSC）

1.服務兼容

前面談了三種兼容，但有一個很重要的兼容沒有談到，這就是CSC。在電視的發(fā)展過程中，最有名的兼容就是彩色電視要與黑白電視兼容，即黑白電視機可收到彩色電視的亮度信號。目前的CSC具有與傳統(tǒng)2D（2DHDTV）兼容的功能，即2DHDTV電視機可收到立體電視的信號，但它是一個左眼或右眼的2DHDTV的信號。這是2D向3D電視過渡中一個非常重要的步驟。

由于CSC兼容傳統(tǒng)2D電視業(yè)務，因此ITU-R稱該級別為服務兼容。

服務兼容的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頂盒及顯示設備進行解碼顯示，同時兼容傳統(tǒng)2D電視信號。傳統(tǒng)機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。

那末為完成第1代服務兼容的立體電視信號怎么實現(xiàn)呢？目前可采用MPEG-2MultiviewProfile或H.264MVC標準。這些編碼的基本思路是，對左視（或右視）畫面進行傳統(tǒng)編碼，而右視（或左視）畫面可以進行視間預測提高編碼效率。當然完成第1代服務兼容的立體電視并非MVC編碼一種。

2.目前服務兼容的系統(tǒng)

（1）MVC方式

作為立體電視，它是有兩個角度的攝像機拍攝同一個畫面或景物，因此這兩個左、右圖像有很多相似性，前幾種兼容方式并沒有考慮這種相似性。MVC（multiviewvideocoding）方式，叫多視角視頻編碼方式，充分利用立體電視L、R信號相關性的編碼方式，如圖9所示。

MVC的基本思路如圖所示。紅箭頭表示視角間預測，即以攝像機1(VIEW0)為參考實行的視角間預測。黑箭頭表示具有I、B混合的空域預測。

MVC是對MPEG-4AVC/H.264進行的3D擴展，其主要方法：（1）基于MPEG-4AVC/H.264降低空間冗余和視點間相關性；（2）采用時域、視點間聯(lián)合預測技術；（3）時域、視點間的分層B幀使用；（4）隨機訪問技術。

這種MVC壓縮編碼的特點是：

a、利用時域、視點間聯(lián)合預測技術可降低立體電視碼率；

b、由于VIEW0為一般H.264壓縮的HD信號，可實現(xiàn)與2DTV的兼容；

c、利用多視角的特例（M=2），所以歸類于第一代，并且比較容易實現(xiàn)。

（2）3D并列顯示格式

為了滿足3DTV市場需要，歐洲意大利廣播公司已嘗試用“3D并列顯示格式（3DTILEFORMAT）進行3DTV廣播，從而開創(chuàng)了世界3DTV廣播的新局面。

該格式通過 DVB-T標準，在一個1080p/50高清信號幀內(nèi)把兩個720P信號(左、右眼信號)裝了進去，如圖10所示。

從圖中可以看出，首先一個720P的圖像（如L圖像）不作任何改動，僅對R圖像作改動。將L圖像原封不動的放入到圖10所示的1080P的框架內(nèi)，另外將R圖像分割成三部分，即圖中的R1、R2和R3，最后把R1、R2和R3裝在1080P的框架內(nèi)。

在用1080P進行“包裝”后，再進行H.264壓縮編碼，形成一個TS流，就可以按在目前的DVB-T框架內(nèi)進行傳輸。在接收端用高清機頂盒解碼器可解調(diào)出720PL信號，供2D高清電視機顯示，從而實現(xiàn)3D與2D的兼容；另一個分成三部分的R圖像，在H.264編碼時，利用H.264類似的“SEI”功能（DVB稱為signalling），就能引導立體電視機頂盒中的解碼器正確的解調(diào)出R圖像，從而與L圖像一起顯示出3D圖像。

顯然該格式有以下優(yōu)點：

a.L圖像在1080P的“包裝”中保持不變，目前的高清機頂盒（1080P可把它解調(diào)過來供2D高清電視機顯示，保證3D向下2D兼容，這是一個非常好的辦法；

b.利用一個高清傳輸頻道(DVB-T)可傳輸一套立體電視信號，這有利于立體電視廣播的低成本。

c.立體電視L、R兩個圖像是全高清信號（FULLHD），保證了立體電視的高質(zhì)量。

從這種方式可以看出，完成第1代服務兼容的立體電視并非MVC編碼一種。

（3）第二代服務兼容

從ITU-R3DTV路線圖中，第二代3DTV唯一有一個第四級服務兼容立體電視，可采用

H.264MVC壓縮編碼，它與第一代服務兼容有何不同呢？請看圖11。

圖11是一個五個視角的MVC示意圖，可與圖9進行比較，那是一個兩視角的系統(tǒng)。雖然壓縮編碼都使用MVC，但從屬于不同的“代”，因為第一代為兩視角的代，第二代是多視角的代，但立體觀看效果是不一樣，更適合家庭或多人收看。參考文獻：

1.《DigitalVideoBroadcasting;FrameCompatiblePlanoStereoscopic3DTV》DVBDocumentA154February2011；

2.《3DTVServiceCompatibleFramePackingFormat》SISVELTECHNOLOGY；

3.“Areyoureal---orisit3DTV？”DavidWood—EBU；

4 .《D O L B Y @ O p e n S p e c i f i c a t i o n f o r F r a m e -compatible3DSystem》。