3D電視顯示技術及電視制播系統應用方案

郝鴻飛

（太原廣播電視臺，山西 太原 030024）

3D電視顯示技術及電視制播系統應用方案

郝鴻飛

（太原廣播電視臺，山西 太原 030024）

簡要介紹了當前主流的3D電視顯示技術，分析、對比了普遍應用的3D電視顯示技術的優缺點。在此基礎上，進一步分析和探討了3D電視節目制作播出系統的工作原理及其中存在的技術難點，針對這些難點提出具體的解決辦法。按照廣電現行技術標準的要求，結合廣電行業實踐中信號碼率、同步、兼容等問題，從電視制播系統鏈路中采集、編輯、傳輸、監看、播出5個環節入手，分析3D顯示技術應用于電視的關鍵，提出一些3D電視制播系統可行的應用方案，并探討3D電視顯示技術未來的發展與應用，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

3D電視顯示技術；電視制作播出系統；雙眼模式；“左眼+深度”模式

3D電視顯示的基本技術原理是利用人眼“視覺位移”的特性。人眼在觀看物體時，要想看清楚，2只眼睛是分左右2個視覺通道分別觀看的。當兩眼視線聚焦時，物體視像在左右眼的視網膜上分別成像，然后經過大腦，將2個印象合起來產生立體感，最終形成具有3D立體縱深的視覺畫面。同時，距離不同的物體在2個視網膜上成像的夾角不同，經過大腦進行信息處理，人眼從中可以分辨出左右和遠近的方位差距。

“視覺位移”的產生主要由2個因素決定，即雙眼視差和會聚效應。雙眼視差是指，雙眼總是從略微不同的角度注視物體，且雙眼視像的差異隨距離改變；會聚效應是指，左右眼在觀看遠近不同的2點時，產生的會聚角不一樣，眼球轉動的程度也不一樣，這樣便會有深度不同的感覺。3D電視顯示畫面正是因為模擬人眼左右視點分別接收視覺信息這一特性，同時進行左右眼兩路視覺信息的傳輸，使到達人眼的圖像有更多立體方位信息，使人有置身其中的感覺。

1 3D顯示技術

當前普遍應用的3D顯示技術有眼鏡式和裸眼式，眼鏡式3D顯示技術在觀看事物時需要佩戴專門制作的眼鏡，裸眼式則不需要。從長遠來看，裸眼式3D顯示技術是主要發展方向。由于當前的技術具有局限性，基于眼鏡式3D顯示技術的產品是主流。

眼鏡式3D顯示技術可以分為色差式、快門式、偏光式3種；裸眼式3D顯示技術可分為光柵式、體三維式和全息式3種。其中，光柵式較為成熟，其又分為前置光柵式和后置光柵式，而前置光柵式又細分光屏蔽式和柱狀透鏡式。

在實際應用中，裸眼3D畫面與偏光式、快門式等3D技術的應用效果相比還存在一定的差距，具體如表1所示。但是，近年來，液晶面板技術經過研發，部分裸眼式3D顯示設備即將量產。部分裸眼3D技術的優缺點如表2所示。

表1 4種3D顯示技術的優缺點比較

表2 部分裸眼3D技術的優缺點比較

2 3D電視制播系統的難點

當前，將3D技術應用于電視節目的采、編、播、傳、收等環節還存在一定的困難，主要有以下3個問題。

2.1 碼率問題

在傳輸處理過程中，如果不對電視圖像信息進行壓縮編碼，一路3D電視信號立體圖像數據的數據量，相當于同時處理兩路2D電視信號的數據量之和。

表3闡述了2D電視信號與3D電視信號在各種模式下的碼率對比情況。在現有技術條件下，如果不對電視信號采取特定制播技術處理降低碼率，將大大影響3D電視信號的處理效率和質量，從而直接影響電視播出質量。

表3 2D電視信號與3D電視信號在各種模式下的碼率對比

2.2 同步問題

3D電視信號是由左眼信號和右眼信號2個通道組成，它們相互獨立并存在定時關系。在信號采集、制作的過程中，必須要保證2個信號正確同步，否則在信號傳輸、接收時將產生信號位差，最終使播出畫面出現重影或破損等問題。

2.3 兼容問題

兼容分為2種方式：①使3D電視信號能在2D電視信號系統中傳輸，并最終到達終端，正確還原出可觀看的2D信號；②使2D電視信號能在3D電視信號系統中傳輸，并最終到達終端，正確還原出可觀看的3D信號。

現階段，關于兼容問題，最重要的是如何有效利用現有DVB標準電視信道傳輸，使需要2倍帶寬的信號在能夠適應DVB標準，不影響現有頻道體系播出，使現有的2D用戶能通過2D-3D兼容處理收看3D頻道的節目，在不影響現有收視條件下平滑向3D過渡，逐步使3D電視技術得到發展和提升。

3 3D電視制播系統

當前主流的3D電視制作方式有2種，即“雙眼”模式和“左眼+深度”模式。

“雙眼”模式是當前3D電視節目制作的常用方法。通常將2臺型號、配置參數等都相同的攝像機一左一右并排放置在拍攝對象前模擬人的左右眼視差值，模擬人的左眼和右眼進行拍攝，生成2路信號，再通過同步配置和編碼處理生成左右眼信號分立的3D立體圖像信號。近年來，將2套攝像機安裝到一套機殼內的設備已經面世。

“左眼+深度”模式通常使用1臺2D攝像機正常拍攝，并生成標準2D圖像信號。根據人腦對左眼信號更加敏感的生理特性，將其作為左眼信號，然后用1臺深度攝像機測算2D畫面物體的深度，生成深度信號。這樣2路信號結合形成“左眼+深度”立體圖像信號，直接在標準電視信道播出。表4為“雙眼”模式和“左眼+深度”模式下得到的不同格式的視頻碼率對照情況。

從表4中可以看出，使用“左眼+深度”模式能夠節約大概25%的碼率。

表4 “雙眼”模式和“左眼+深度”模式下不同格式的視頻碼率

與傳統電視的制播相比，3D電視制播對系統提出了新的要求——用雙鏡頭高清3D攝像機拍攝的信號，需要用2根HD-SDI接口線纜分別將左眼和右眼信號傳輸至3D錄像機。為了滿足3D后期制作對超高碼率的要求，非編網絡需采用“FC-SAN+以太網”雙網結構。監看系統需采用專業3D監視器，在監看前，需要使用3D編碼器為2路圖像信號編碼，并由3D-HDMI線纜監視信號傳輸。

一套完整的3D電視制播系統應包括信號采集子系統、編輯子系統、存儲子系統、監看子系統和播出子系統。選用“雙眼”模式還是“左眼+深度”模式，是電視臺搭建3D制播系統的關鍵。

3.1 采集子系統

當前，應用于電視演播室3D拍攝的設備一般采用雙鏡頭式攝像機。攝像機生成2路未壓縮的同步高清圖像信號，通過2根HD-SDI接口線纜分別傳輸給錄制設備采集。

在錄制3D信號時，需要使用專用3D錄制設備或者聯動同步2臺高清錄像機。錄制設備將采集的數據壓縮處理，再將處理后的信號存儲起來。為了滿足節目制作高效率、多用途的需求，采集環節的3D電視信號中任一路視頻信號都不應低于2D高清碼率。采集系統應生成多種碼流的文件，即原始素材文件、高碼雙眼信號格式、左眼+EDL低碼格式。

目前，可供選擇的3D編碼格式主要為H.264/MPEG4 AVC的MVC擴展單元，也可采用Avid的DNxHD編碼或者Grass Valley的Va5004編碼，使編輯系統更加方便、靈活。

3.2 編輯子系統

在當前條件下，編輯子系統只有采用FC-SAN網絡才能適配3D高碼率的傳輸需求。其中，FC網絡主要應用于傳輸高碼率的3D視音頻素材數據的有卡工作站，以太網主要用于無卡工作站。

在采集3D電視信號時，左右眼信號景別保持一致，并且嚴格同步。因此，在編輯時，只需編輯左眼信號，然后通過3D工作站生成的EDL表處理，最終生成3D電視信號。這樣能提高系統整體的穩定性，節約編輯系統的信號帶寬，編輯操作也能匹配傳統的2D編輯模式。這種編輯方式被廣泛運用在無卡工作站上，一般采用左眼+EDL低碼格式，只需包含左眼信號。

面向有卡工作站的信號需要左眼信號和右眼信號，單眼信號碼率為100～120 Mbps，3D信號等效碼率為240 Mbps。

使用編輯軟件預覽時，一般只顯示左眼信號圖像，通過專門的3D監視器來顯示完整的3D立體信號。有卡工作站可提供3D信號的實時預覽，而無卡工作站則只能進行2D實時預覽。編輯完成后的成品節目按照生產流程既可以傳輸到播出工作站等待播出，也可以傳輸到存儲系統歸檔。

3.3 存儲子系統

由于3D高清電視信號數據量大，需要配備高性能海量存儲設備。在當前技術環境下，1條4 GB光纖通道理論上僅能承載不超過10套3D高清有卡工作站同時工作。因此，存儲系統采用FC硬盤陣列幾乎是唯一的選擇。采用“左眼+深度”模式編輯的系統，由于只需要編輯左眼信號，以1080/50i分辨率為例，總碼率約為180 Mbps，相對于雙眼模式的240 Mbps，所以，存儲子系統的壓力將會減輕。

3.4 監看子系統

3D電視信號的監看要使用信號示波器對左右眼信號分別進行波形監測，同時，還要對原始碼率的3D電視信號進行3D監看，這與傳統2D電視信號監看系統不同。

采用“雙眼”模式的制播系統，監看系統都是通過2條HD-SDI線纜將左眼信號和右眼信號分別傳送至3D編碼器，然后通過3D-HDMI連接至3D監視器監看。

采用“左眼+深度”模式的制播系統，先要將3D信號還原成左眼信號和深度信號，再分別將2路信號通過3D解碼器還原成左眼信號和右眼信號傳送至3D監視器監看。

3.5 播出子系統

要想實現3D電視信號播出與現有2D電視系統的兼容，3D播出系統需為3D節目信號編碼，轉換成兼容2D傳輸系統的MPEG-2Long GOP格式，并占用不超過2路2D高清信號通道的傳輸帶寬。

在“雙眼”模式下，播出工作站需將包含左右眼信號的3D節目信號編程轉換成MPEG-2 Long GOP格式。對于傳統的2D播出系統，最終的節目信號碼率一般在20 Mbps左右。從系統兼容性和節約帶寬方面考慮，3D播出信號帶寬不宜超過2個2D信號通道的帶寬，因此，在“雙眼”模式下，最終的播出信號碼率不宜超過40 Mbps。為此，編碼器壓縮率需相對調高，圖像質量損失比較大。“雙眼”模式播出流程如圖1所示。

圖1 “雙眼”模式播出流程

在“左眼+深度”模式下，要先通過播出工作站將3D節目信號轉換為左眼信號和深度信號，再將這2路信號分別送至編碼器編碼，最后編程轉換成兼容2D播出系統的MPEG-2 Long GOP格式，而深度信號則以MPEG4-AVC/H.264壓縮后，以附加數據的形式附加到TS流中。采用這種模式，一般可以減少25%的帶寬。

以這個內容為例，與“雙眼”模式保持同樣的信號質量，如果采用“左眼+深度”模式的播出系統，3D播出總碼率僅為30 Mbps，可節省10 Mbps的帶寬；如果要進一步提升壓縮率，則可以在一個2D播出通道中實現3D節目信號的播出傳輸，實現對傳統播出傳輸系統的全兼容；如果將40 Mbps的雙通道2D播出帶寬全部用盡，由于壓縮率相對比較低，則圖像質量將大大提升。“左眼+深度”模式播出流程如圖2所示。

圖2“左眼+深度”模式播出流程

〔編輯：白潔〕

TN949.13

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.015

2095-6835（2017）13-0015-03