滿足8K球幕節(jié)目播放的球幕播放系統(tǒng)開發(fā)與集成技術(shù)

陳琨+陳亮

摘 要 隨著文化娛樂需求以及數(shù)字影像技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高清晰度影像制作與保存、再現(xiàn)要求越來(lái)越高，在球幕上播放8K數(shù)字影像技術(shù)的市場(chǎng)需求隨之?dāng)U大。文章重點(diǎn)分析了8K球幕的系統(tǒng)集成研發(fā)過(guò)程，如在播放軟件算法研究中完成了多視點(diǎn)統(tǒng)一、畫面融合技術(shù)、軟同步、音視頻同步以及圖像壓縮解壓等難點(diǎn)，在硬件集成方面主要解決存儲(chǔ)體系快速穩(wěn)定讀寫、同步幀鎖相、刷新率同步以及光纖傳輸?shù)葐?wèn)題。實(shí)驗(yàn)效果良好，并付諸市場(chǎng)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 8K影片；球幕播放；系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)集成

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-0360（2017）01-0027-06

1 球幕播放系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)況

幕的形狀和投影方式，是數(shù)字球幕影院和膠片數(shù)字電影的最大區(qū)別。球幕是個(gè)反扣的半球體，一般由多臺(tái)投影儀共同投影到這個(gè)半球體的內(nèi)部，進(jìn)行畫面拼接融合后，完成整幅畫面的播放。球幕的投射面積和投影機(jī)的個(gè)數(shù)決定了球幕影片的分辨率。本次研究選擇的分辨率定為標(biāo)準(zhǔn)8K，即8192×8192。

分辨率如此之高的影片，從片源上能夠保證影片展示的每個(gè)細(xì)節(jié)都能夠清晰展示，其次就要取決于播放系統(tǒng)的技術(shù)質(zhì)量如何。國(guó)外公司憑借其領(lǐng)先技術(shù)一直在球幕電影在原創(chuàng)與制作方面占據(jù)主導(dǎo)地位。但是這個(gè)情況正在逐漸被打破。北京莫高絲路公司在2012年通過(guò)自主創(chuàng)新，取得了全球超高清8K球幕節(jié)目“首創(chuàng)”。隨后，成功測(cè)試3D立體8K超高清球幕影片。這不僅在特種影視制作技術(shù)上填補(bǔ)了國(guó)際空白，更標(biāo)志著國(guó)人掌握了超高清特種影視特效的創(chuàng)作能力，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)步驟：理論與實(shí)踐

2.1 算法及軟件研究

2.1.1 多通道投射的視點(diǎn)統(tǒng)一技術(shù)算法研究

步驟一：建立仿真模型

建立仿真模型，向該仿真模塊輸入已知參數(shù)值。其中，所述已知參數(shù)值包括以下參數(shù)：投影機(jī)所處位置的三維空間坐標(biāo)、投影機(jī)左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度、投影機(jī)上下傾斜角度、投影機(jī)投影比和投影機(jī)長(zhǎng)寬比。

步驟二：仿真計(jì)算

使用仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

1）對(duì)于球幕多通道投影的場(chǎng)景，設(shè)任意一個(gè)投影機(jī)i對(duì)應(yīng)投影通道i，在投影通道i的投射畫面上建立m×n的均勻二維頂點(diǎn)陣列。

2）投影機(jī)i發(fā)出的光線將二維頂點(diǎn)陣列投射到球幕上，計(jì)算二維頂點(diǎn)陣列在球幕上投射點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

3）進(jìn)一步計(jì)算球幕上投射點(diǎn)在紋理畫面上的紋理位置坐標(biāo)。

4）判斷紋理畫面上的紋理坐標(biāo)是否為所需要的紋理位置坐標(biāo)，如果判斷結(jié)果為否，則調(diào)整S1中的所述已知參數(shù)值，然后使所述仿真模型重新進(jìn)行仿真計(jì)算，直到使紋理畫面上的紋理坐標(biāo)滿足

要求。

步驟三：解決“2”球幕多通道投影仿真問(wèn)題（球幕坐標(biāo)）

根據(jù)步驟小項(xiàng)“2”所述的球幕多通道投影仿真方法，具體為：

1）讀取用戶輸入的投影機(jī)i所處位置的三維空間坐標(biāo)，令其為坐標(biāo)原點(diǎn)O（0，0，0），同時(shí)建立空間坐標(biāo)系xyz和球坐標(biāo)系（r，θ，φ），設(shè)所建立的m×n的均勻二維頂點(diǎn)陣列為矩形LMKI，設(shè)矩形LMKI的IK邊與平面xoy平行。

2）取LMKI的幾何中心為點(diǎn)A（xA，yA，zA），

長(zhǎng)LI和寬IK的中點(diǎn)分別為C（xC，yC，zC）、D（xD，yD，zD），則⊥，⊥，⊥，⊥；對(duì)于二維頂點(diǎn)陣列上任一頂點(diǎn)B，光線在球幕上的交點(diǎn)為T，即T點(diǎn)即為頂點(diǎn)B在球幕上的投射點(diǎn)。

3）依次計(jì)算向量、向量、向量、向量，然后計(jì)算出向量。

4）設(shè)光線的起點(diǎn)為S，則方向d為，則求出頂點(diǎn)B在球幕上的投射點(diǎn)T為S+t；其中，

其中r代表半徑；V≡S–C，C為球幕的球心。

步驟四：解決“3”所述球幕多通道投影仿真問(wèn)題（紋理坐標(biāo)）

1）設(shè)球幕上投射點(diǎn)T直角坐標(biāo)為T（x，y，z），且，點(diǎn)T這樣用三個(gè)有次序的數(shù)（r，θ，φ）確定，其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)T間的距離，θ為有向線段OT與z軸正向的夾角；φ為從正z軸來(lái)看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到OM所轉(zhuǎn)過(guò)的角，這里M為點(diǎn)T在xoy面上的投影。

2）設(shè)點(diǎn)P（x1，y1）為點(diǎn)T（x，y，z）在紋理坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，則點(diǎn)P（x1，y1）的極坐標(biāo)用兩個(gè)有次序的數(shù)（r1，φ1）確定，其中r1為原點(diǎn)O與點(diǎn)P間的距離，φ1為有向線段OP與x軸正向的夾角。根據(jù)等距投影的原理，r1，φ1與r，θ，φ具有以下關(guān)系：

r1=kθ，其中，k為常數(shù)。

φ1=φ。

根據(jù)上述公式，求出球幕上投射點(diǎn)在紋理畫面上的紋理位置坐標(biāo)。

本算法實(shí)現(xiàn)的軟件如圖2所示。

2.1.2 融合算法研究

1）對(duì)于多臺(tái)投影機(jī)通過(guò)多通道投射畫面的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于每一臺(tái)投影機(jī)，均定義一張與其投射畫面大小相等的純白色紋理畫面。

2）對(duì)所述純白色紋理畫面的像素點(diǎn)亮度進(jìn)行調(diào)整，得到處理后的紋理畫面。

3）在所述投影機(jī)的原紋理圖上疊加覆蓋所述處理后的紋理畫面，得到新的紋理圖。

4）各臺(tái)投影機(jī)均投射各自新的紋理圖，各張所述新的紋理圖的融合帶進(jìn)行邊緣融合，得到最終投射到球幕上的投影畫面。

根據(jù)步驟1）所述的邊緣融合方法，具體為：

對(duì)于一張所述純白色紋理畫面，該純白色紋理畫面歸一化為矩形，以純白色紋理畫面的左下角頂點(diǎn)為原點(diǎn)，以純白色紋理畫面底邊長(zhǎng)的方向?yàn)閤軸方向，以純白色紋理畫面左邊長(zhǎng)所在的方向?yàn)閥軸方向，建立平面直角坐標(biāo)系。

以x為自變量，在所述純白色紋理畫面上，繪制四條融合曲線，分別為：左邊融合曲線、右邊融合曲線、上邊融合曲線和下邊融合曲線，對(duì)于每一條融合曲線，分別定義一個(gè)常量d，以該常量d代表融合帶寬度，再繪制與該融合曲線平行的另一條融合曲線，兩條融合曲線之間的區(qū)域即為融合帶，進(jìn)而得到四條融合帶，如圖3所示。

分別調(diào)整四條融合帶的亮度，即得到處理后的紋理畫面。

本算法實(shí)現(xiàn)的軟件如圖4所示。

2.1.3 軟件同步算法研究

1）理論概述。

相關(guān)的操作人員可以運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)接口來(lái)發(fā)送一定的命令并發(fā)送給計(jì)算結(jié)果操作的界面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制服務(wù)器的目的，場(chǎng)景服務(wù)器必須要連接控制服務(wù)器以及客戶端，并且能夠及時(shí)的發(fā)送相應(yīng)的場(chǎng)景渲染數(shù)據(jù)，將自身所接到的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到各個(gè)客戶端，并且做好協(xié)調(diào)控制工作，完成實(shí)時(shí)渲染工作，同時(shí)應(yīng)該將控制和渲染工作及時(shí)分開，通過(guò)TCP協(xié)議通信才能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性以及準(zhǔn)確性，其主要目的就是提高狀態(tài)幀包發(fā)送的實(shí)時(shí)性。

為了能夠提高反饋確認(rèn)同步算法傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，往往會(huì)需要通過(guò)組播方式來(lái)進(jìn)行場(chǎng)景幀包的發(fā)送，并且能夠?qū)讉€(gè)客戶端連為一組，通過(guò)控制服務(wù)器向場(chǎng)景服務(wù)器發(fā)送控制幀包，并且可以通過(guò)渲染信息重組的方式來(lái)向客戶端進(jìn)行傳送。反饋確認(rèn)機(jī)制主要指的是運(yùn)用多種渠道實(shí)行渲染，其渲染的節(jié)點(diǎn)負(fù)載以及時(shí)間都不一致，從而會(huì)導(dǎo)致顯示畫面不同步。解決這個(gè)問(wèn)題唯一的方法就是需要使用反饋確認(rèn)機(jī)制的方式來(lái)進(jìn)行渲染，使得在每一個(gè)渲染點(diǎn)對(duì)渲染任務(wù)完成后，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反饋給場(chǎng)景服務(wù)器，全部客戶端收到命令之后，及時(shí)通知客戶端，從而能夠有效地解決畫面顯示不同步的問(wèn)題，另一方面，主要的渲染時(shí)間最大值選擇使用最大的等待時(shí)間，出現(xiàn)實(shí)際某一個(gè)渲染點(diǎn)的工作速度相對(duì)慢的問(wèn)題進(jìn)行解決，其他的渲染節(jié)點(diǎn)等待造成的幀速大幅下降，影響顯示效果的問(wèn)題。

推算定位機(jī)制，因?yàn)橐曈X服務(wù)器和相應(yīng)的視景客戶端兩者的通信工作，是通過(guò)兩者UPD協(xié)議的方式來(lái)進(jìn)行的，所以，在進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的問(wèn)題，沒有辦法及時(shí)解析相關(guān)的狀態(tài)幀包，這樣就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際呈現(xiàn)的畫面不同步的情況，為了判斷實(shí)際丟包現(xiàn)象是否屬實(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行及時(shí)劃分，每個(gè)狀態(tài)都應(yīng)該關(guān)聯(lián)相應(yīng)的時(shí)間戳。

2）算法概述。

如果總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的一半比渲染時(shí)間中最大等待時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量要大得多，這樣最終輸出的主要圖像就會(huì)是渲染節(jié)點(diǎn)上的某一個(gè)幀紋理。

如果最大的等待時(shí)間比渲染的時(shí)間要短得多，并且其節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)超過(guò)總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)一半的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致其等待時(shí)間延長(zhǎng)，如果沒有渲染完畢，就會(huì)導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)等待，如果相應(yīng)的時(shí)間截止總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的一半還是比未完成渲染的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，這就需要按照2）去執(zhí)行；如果不按照此方式進(jìn)行，就可能導(dǎo)致最大等待時(shí)間為原來(lái)的3倍以上，將以上的過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。

如果發(fā)生狀態(tài)幀包丟失的問(wèn)題，那么就需要依據(jù)推算定位機(jī)制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該時(shí)刻物體的預(yù)測(cè)，并且得到相應(yīng)的狀態(tài)信息。

軟件實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

2.1.4 音視同步算法研究

1）在發(fā)送方。

對(duì)于相同時(shí)刻的音頻/視頻幀，打上相同的時(shí)間戳（系統(tǒng)時(shí)間）。

2）接收方。

比較常見的接收方就是保存兩個(gè)隊(duì)列，其主要就是存放還沒有播放的音頻和視頻。每當(dāng)收到音頻幀的時(shí)候，會(huì)通過(guò)video隊(duì)列將其進(jìn)行比較，如果音頻幀時(shí)間在視頻幀之前，就會(huì)先進(jìn)播放。如果音頻跟視頻的時(shí)間戳相差在某個(gè)可以接受的誤差內(nèi)，則同時(shí)播放該音頻/視頻（并將視頻幀從video隊(duì)列中刪除）。

如果視頻時(shí)間比較靠前的時(shí)候，就會(huì)先播放視頻幀，并且將其從video隊(duì)列刪除，如果video隊(duì)列內(nèi)的最后一幀都在audio之前，就需要等video全部播放完成之后才能夠?qū)⑵浞诺絘udio隊(duì)列。

3）對(duì)接收到視頻幀的時(shí)候，也做類似的處理。

2.1.5 H.264視頻壓縮算法介紹

對(duì)于8K球幕視頻采用的多通道球幕拼接方式實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于每一通道采用H.264編解碼方式。由于H.264會(huì)把每一個(gè)視頻幀變成一定的塊，這些塊是由像素組成的，所以視頻幀編碼的實(shí)際處理的過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)塊的編碼。如果是連續(xù)幀，往往會(huì)選擇不同塊對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)存放，從而對(duì)其進(jìn)行部分編碼就行。H.264往往都會(huì)選擇冗余的方法對(duì)視頻幀的原始模塊進(jìn)行空間預(yù)測(cè)、優(yōu)化等工作，并且通過(guò)剩余空間冗余技術(shù)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行編碼，最終保障H.264相對(duì)于其他編碼的方式具有一定的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

視頻編碼層的根本工作的原理：首先需要運(yùn)用MPEG2的來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼的變換，然后再運(yùn)用時(shí)間和空間的混合編碼來(lái)保障圖像能夠得到及時(shí)的劃分，進(jìn)而在一定的程度上來(lái)保證每一個(gè)序列能夠與相應(yīng)的圖像產(chǎn)生一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是隨機(jī)存取點(diǎn)，對(duì)于幀中的每一個(gè)采樣預(yù)測(cè)的工作都需要通過(guò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，要想對(duì)其實(shí)行預(yù)測(cè)工作，就需要把使用解碼器對(duì)一定的附加信息進(jìn)行一定并且及時(shí)的分析處理，隨機(jī)存取點(diǎn)相互之間的圖像大部分還是通過(guò)幀間編碼方式實(shí)現(xiàn)的，要想達(dá)到對(duì)下一個(gè)相關(guān)的圖形能夠及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這就對(duì)編碼器有了一定的要求，需要其擁有相應(yīng)的編碼器，通過(guò)對(duì)編碼器以及變化系數(shù)實(shí)現(xiàn)反變換和反量化的過(guò)程，最后就能夠得出編碼預(yù)測(cè)的相關(guān)殘余部門，將其與預(yù)測(cè)實(shí)行一定的有機(jī)結(jié)合，并且將得到的結(jié)果傳送到效應(yīng)濾波器，整個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了視頻的輸出效果。

1）圖像、幀和場(chǎng)。

連續(xù)的編碼圖像組合就形成了一個(gè)編碼視頻序列，整個(gè)一幀的圖像或者是一場(chǎng)圖像都可以表現(xiàn)為編碼圖像。

2）YcbCr色度空間和4︰2︰0采樣。

H.264/AVC目前采用與MPEG-2主類相同的

4︰2︰0采樣結(jié)構(gòu)、8比特精度。

3）宏塊劃分。

每個(gè)視頻圖像幀可以對(duì)其進(jìn)行劃分，宏塊是解碼的基礎(chǔ)條件，往往是由16×16兩度像素以及兩個(gè)8×8彩色分量像素的長(zhǎng)方型區(qū)域，能夠?qū)ζ淞炼群蜕蔬M(jìn)行空間和時(shí)間上的預(yù)測(cè)，并且及時(shí)的做好相應(yīng)的編碼工作。

4）像條和像條組。

支持5種像條編碼種類：

I像條：其中相對(duì)比較容易的編碼種類，其中所有宏塊都不會(huì)以視頻序列中的圖像作為參考

依據(jù)。

P像條：I像條編碼種類除外，P像條的一部分宏塊能夠?qū)崿F(xiàn)幀間的預(yù)測(cè)工作，每個(gè)預(yù)測(cè)塊至多可使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)信號(hào)。

B像條：除了P像條編碼類型外，B像條的部分宏塊可以利用幀間預(yù)測(cè)，每個(gè)預(yù)測(cè)塊可使用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)信號(hào)。

SP像條：稱作切換P像條，能在不同編碼圖像之間有效地切換。

SI像條：稱作切換I像條，允許SP像條的宏塊完全匹配，達(dá)到隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和恢復(fù)錯(cuò)誤的目的。

5）宏塊的編解碼過(guò)程。

宏塊的亮度以及色度采樣主要就是通過(guò)空間和時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而能夠?qū)堄噙M(jìn)行編碼工作，為了能夠順利的進(jìn)行編碼工作，必須要對(duì)每個(gè)預(yù)測(cè)殘余進(jìn)行細(xì)致的劃分，才能夠保障其實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的量化工作。

6）幀內(nèi)預(yù)測(cè)。

按照像條編碼的種類來(lái)看，每一個(gè)宏塊都可對(duì)編碼的類型進(jìn)行合適的選擇。所有像條類型支持兩級(jí)幀內(nèi)編碼，稱為INTRA-4×4和INTRA-16×16。

7）幀間預(yù)測(cè)。

（1）P像條幀間預(yù)測(cè)。

除了幀內(nèi)宏塊編碼之外，還具有諸多編碼，比如P像宏塊具有諸多預(yù)測(cè)類型，目前比較常用的就是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼，其主要就是指每個(gè)P型宏塊都會(huì)制定相應(yīng)的宏塊，其亮度必須要符合相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，語(yǔ)法會(huì)允許其存在最大運(yùn)動(dòng)矢量，并且主要選擇的推算方法就是參考幀采樣。主預(yù)測(cè)工作可以通過(guò)臨近塊的相應(yīng)值別說(shuō)平均值的方式來(lái)及時(shí)進(jìn)行，這樣就可以運(yùn)用編碼來(lái)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的矢量。相應(yīng)的語(yǔ)法方面可能會(huì)對(duì)各運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)提供支持的依據(jù)，本質(zhì)上就是運(yùn)用很多個(gè)編碼圖形來(lái)表示運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償還是需要依據(jù)參考圖像實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的索引工作，除了這種模式以外，P宏塊可使用P_Skip模式，P_Skip模式的適用范圍要是沒有相應(yīng)的改變或者是固定運(yùn)動(dòng)，具有很高的壓縮率，實(shí)際中比如搖鏡頭等。

（2）B像條的幀間預(yù)測(cè)。

B像條與P像條的實(shí)際概念對(duì)比，跟之前的標(biāo)準(zhǔn)相類似，還是存在一定的差別，其中可以作為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)的判斷圖像的是B像條，并且在一定程度上還能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)實(shí)際值的加權(quán)

運(yùn)算。

8）變換和量化。

與傳統(tǒng)的視頻編碼變準(zhǔn)相比，其具有較大的差異性，其主要利用了預(yù)測(cè)殘余變換編碼，選擇與離散余弦相類似的整數(shù)變換，從而才能夠保障反變換沒有誤差，符合相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高其準(zhǔn)確性。

9）熵編碼。

H.264/AVC對(duì)兩類熵編碼的方法都持支持的態(tài)度，其中相對(duì)比較容易的熵編碼的方法：針對(duì)除量化系數(shù)以外的基本全部的語(yǔ)法元素，都運(yùn)用單一無(wú)限并且可擴(kuò)展的碼字表。運(yùn)用這樣的熵編碼的方法就不用對(duì)每一個(gè)語(yǔ)法元素都進(jìn)行VLC表的制定了，簡(jiǎn)單的使用數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)特征，就能實(shí)現(xiàn)客戶化影射到單一的碼字表。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)量化的變換系數(shù)進(jìn)行傳輸?shù)墓ぷ?，選擇CAVLC的方法是具有很高的效率。在這個(gè)方案中，運(yùn)用已經(jīng)傳送的語(yǔ)法元素都能夠?qū)崿F(xiàn)每一種語(yǔ)法元素的VLC碼表的自由切換。另一方面，VLC表的統(tǒng)計(jì)對(duì)熵編碼的基本性能實(shí)現(xiàn)了一定的改善，因?yàn)閂LC表設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的條件統(tǒng)計(jì)。

2.2 硬件集成技術(shù)研究

硬件集成技術(shù)研究主要方向在存儲(chǔ)體系建立、硬件同步技術(shù)研究、與視頻信號(hào)傳輸三個(gè)問(wèn)題上。其中存儲(chǔ)體系建立是為了解決8K球幕視頻的巨大存儲(chǔ)量以及數(shù)據(jù)吞吐速率的問(wèn)題，而硬件同步技術(shù)是為了配合軟件同步而使得節(jié)目播放過(guò)程中硬件設(shè)備信號(hào)的同步問(wèn)題，視頻信號(hào)傳輸技術(shù)則是為了更有效的進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸高質(zhì)量高分辨率視頻信號(hào)。

2.2.1 存儲(chǔ)體系建立

為了保證傳輸效率，節(jié)約存儲(chǔ)空間，在視頻編碼過(guò)程中，采用了H.264編碼。無(wú)論采用何種編碼，對(duì)視頻來(lái)說(shuō)都是一種畫質(zhì)損失。最優(yōu)的情況下是采用YUV的無(wú)損壓縮方式，甚至是直接播放單幀序列。

本系統(tǒng)的體系技術(shù)指標(biāo)就確定為以無(wú)損單幀播放為標(biāo)準(zhǔn)。

存儲(chǔ)體系的關(guān)鍵硬件就是硬盤，硬盤的質(zhì)量、穩(wěn)定性、傳輸速度決定著數(shù)據(jù)是否及時(shí)的、穩(wěn)定的進(jìn)行傳輸。經(jīng)過(guò)計(jì)算與實(shí)際測(cè)試，課題組選用SAS硬盤作為存儲(chǔ)體系的存儲(chǔ)介質(zhì)。SAS硬盤理論傳輸速度為300 MB/S～600 MB/S。

相對(duì)于每個(gè)通道而言，單通道的數(shù)據(jù)吞吐量大約在500 M/s左右。8K分辨率的數(shù)據(jù)幀24位TGA格式為240 M，7 G/S左右。因此選用最先進(jìn)的SAS固態(tài)硬盤組合模式。利用陣列技術(shù)，將多臺(tái)SAS硬盤組合起來(lái)，共用傳輸通道，即保證存儲(chǔ)的容量，也保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的吞吐量。

2.2.2 硬件同步技術(shù)

不同通道的視頻服務(wù)器是獨(dú)立工作的，也就是說(shuō)每個(gè)視頻服務(wù)器的顯卡是獨(dú)立工作的。即使在軟件播放端進(jìn)行了時(shí)間戳同步等一系列同步手段，相對(duì)于其他視頻輸入、輸出設(shè)備，它們的工作時(shí)鐘信號(hào)都未必同步。

為了解決本問(wèn)題，課題組在整個(gè)系統(tǒng)中引入同步鎖相、鎖幀技術(shù)，利用Genlock鎖幀/相卡，確保所有設(shè)備的信號(hào)是同步的。

課題組通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)AMD公司生產(chǎn)的ATI FirePro? S400鎖相卡為市場(chǎng)最成熟和穩(wěn)定的產(chǎn)品。該卡有如下功能。

1）通過(guò)視頻信號(hào)同步鎖相Genlock功能，可使不同裝置的影片于圖像訊號(hào)同步化。

2）ATI FirePro? S400是一款單卡式解決方案，內(nèi)含一顆專用處理器，能同步各繪圖處理引擎。

3）影像同步幀鎖相功能（Framelock）是將多張顯示卡或多臺(tái)主機(jī)之間協(xié)力完成的畫面輸出屏幕同步化。

4）ATI FirePro? S400解決方案可提供影像同步功能，結(jié)合屏幕輸出以及同時(shí)執(zhí)行的顯示緩沖虛擬記憶空間，協(xié)助系統(tǒng)間連接的ATI FirePro?繪圖單元，能在鎖定同步狀態(tài)下呈現(xiàn)完美輸出內(nèi)容。

5）ATI FirePro?首發(fā)同步模組，單機(jī)便可支持4張ATI FirePro?繪圖卡，并能和幾乎所有影片輸入訊號(hào)進(jìn)行同步化，其中包括PAL與NTSC標(biāo)清影片黑場(chǎng)信號(hào)，HDTV的Tri-level信號(hào)，TTL以及SDI同步信號(hào)。

通過(guò)該卡的應(yīng)用，課題組不僅實(shí)現(xiàn)了各視頻輸出設(shè)備的刷新信號(hào)同步，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了視頻輸入設(shè)備的同步。在山東臨沂市科技館，利用該技術(shù)，課題組成功的將天文望遠(yuǎn)鏡的視頻輸入信號(hào)，與投影機(jī)的視頻輸出信號(hào)同步，進(jìn)行播放。

這就使得該系統(tǒng)不僅擁有回放式信號(hào)輸出功能，還具有實(shí)時(shí)信號(hào)同步輸入再輸出的功能。

2.2.3 視頻信號(hào)傳輸技術(shù)中光纖作為傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)

1）頻帶寬。

目前單個(gè)光源的帶寬只占了其中很小的一部分（多模光纖的頻帶約幾百兆赫，好的單模光纖可達(dá)10 GHz以上），采用先進(jìn)的相干光通信可以在30 000 GHz范圍內(nèi)安排2 000個(gè)光載波，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用，并且能夠容納上百萬(wàn)個(gè)頻道。

2）損耗低。

光纖的損耗小，傳輸1.31 um的光，每千米損耗在0.35 dB以下；傳輸1.55 um的光，每千米損耗0.2 dB以下。此外，不需要引入均衡器進(jìn)行均衡；其損耗幾乎不隨溫度而變。

3）重量輕。

因?yàn)楣饫w非常細(xì)，加上防水層、加強(qiáng)筋、護(hù)套等，也具有直徑小、重量輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。

4）抗干擾能力強(qiáng)。

光纖傳輸對(duì)電磁干擾、工業(yè)干擾有很強(qiáng)的抵御能力。8K分辨率的數(shù)字節(jié)目，由于數(shù)據(jù)量巨大，因此選擇光纖作為8K超高分辨率節(jié)目的傳輸介質(zhì)。

3 結(jié)論與成果

通過(guò)對(duì)多通道投射的視點(diǎn)統(tǒng)一技術(shù)算法的研究解決了普通投影儀投射球幕影像的預(yù)變形的問(wèn)題，通過(guò)軟件的投影仿真實(shí)現(xiàn)了投影機(jī)預(yù)裝的位置以及角度等參數(shù)。在多通道無(wú)縫軟融合技術(shù)研究中，實(shí)現(xiàn)多投影重疊區(qū)域的無(wú)縫軟融合的算法，解決了投影機(jī)融合帶亮度以及色度平滑過(guò)渡的問(wèn)題。多通道投影播放同步技術(shù)的研究探索過(guò)程中，解決了多通道投影機(jī)播放不同步造成視頻畫面撕裂的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在多通道投影情況下視頻同步播放的功能。在對(duì)音視頻同步算法研究中，解決了在投影播放情況下音頻和視頻不同步的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在投影播放中音視頻自動(dòng)同步播放的功能。在8K球幕播放條件下高分辨率圖像的壓縮實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用了多通道投影技術(shù)以及H.264壓縮編碼方式，解決了高分辨率圖像下的投影播放問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了8K球幕播放功能。

同時(shí)在硬件集成技術(shù)中，選用固態(tài)SAS硬盤陣列解決存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)吞吐量巨大的問(wèn)題；利用鎖相卡解決了視頻輸入、輸出設(shè)備的信號(hào)同步問(wèn)題、并采用光纖作為視頻傳輸介質(zhì)，保證了整個(gè)系統(tǒng)視頻信號(hào)傳輸?shù)目焖倥c高保真。

參考文獻(xiàn)

[1]朱毅.數(shù)字球幕電影技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[2]陳振宇.插值算法在圖像放大中的應(yīng)用及數(shù)字球幕電影的制作[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[3]李堅(jiān)，文紅光，賈寶羅.一種360度數(shù)字球幕電影的制作方法：中國(guó)，201110029458.6[P].2011-01-27.