關于3D數字信號處理技術的探討

王 盈

(遼寧軌道交通職業技術學院，沈陽 110000)

關于3D數字信號處理技術的探討

王 盈

(遼寧軌道交通職業技術學院，沈陽 110000)

伴隨信息技術的日新月異，數字信號處理技術已經在人們的生活中得到廣泛應用。本文針對數字信號處理技術的發展現狀進行了研究，對3D信號傳輸模式及遇到的問題進行了分析，并提出了解決的辦法。

3D技術；數字信號傳輸處理；探討

0 引言

目前，3D數字信號處理技術的應用已經相當廣泛，其中3D電影應用就是一個有力的說明。3D技術的發展是有目共睹的，3D數字信號處理技術在信號和信息的處理方面有著重要的應用，形成了當前3D視覺效果發展的一個典范，在這一領域發揮著重要的引領作用。例如，3D電影、3D打印以及在醫學上利用3D技術對病變部位進行三維立體的重構等，都是應用3D信號處理技術才能完成的。

1 日常生活中的3D技術

1.1 3D技術在電影中的應用

伴隨詹姆斯·卡梅隆導演的3D電影《阿凡達》大獲成功，3D技術在電影中的應用越來越廣泛。近些年來，中國的3D電影逐漸發展。從2011年12月上映的首部國產3D武俠片《龍門飛甲》起，香港導演徐克已經連續導演了多部3D影片，每一部都在國內獲得了票房與口碑的雙豐收。2014年上映的《智取威虎山》中精心設計的一組“打虎上山”的鏡頭，凸顯了國內3D制作技術的高水平，但與2013年上映的好萊塢3D大片《地心引力》相比，其3D立體技術仍然有所欠缺。經過幾年的時間，3D電影撐起了電影市場的半壁江山。在2015年的3D電影《西游記之大圣歸來》中，當齊天大圣孫悟空的披風出現時，帶給觀眾的是披風仿佛躍出屏幕飄到臉上的感覺。在動畫影片《大魚海棠》中，一條條大魚在水中游動，當觀眾伸出手時，仿佛一條條大魚在手邊游過，視覺效果震撼，這些都是依靠3D技術完成的，3D技術的發展為電影技術的更新提供了強大的科技支撐。

1.2 3D技術在生活中的應用

3D技術除了在電影領域的廣泛應用外，還在醫學領域有著廣泛的應用。圖像視頻處理及傳輸一直是醫學領域比較前沿的技術。借助原始圖像及視頻處理技術，能幫助醫生更好地處理疾病。目前，許多疾病的診斷主要依靠B超、CT和MR等無創性影像學檢查，但由于人體內部結構復雜，加之上述各種影像學檢查手段各有優勢和不足,常需多種影像學檢查方法的綜合運用,才能做出較為全面的診斷。而利用3D三維技術對病變部位進行三維立體重構，能較大程度地彌補影像學技術的不足，使醫生對病變部位的分析更加全面、準確。

2 3 D視頻傳輸技術

2.1 3D立體視頻傳輸方式

3D圖像常見編碼傳輸有4種格式：

(1)色差方式：又稱分色立體成像技術，用兩個不同視角拍攝的影像，分別以兩種不同的顏色印刷在同一幅畫面中。用肉眼觀看會呈現模糊的重影圖像，只有通過對應的紅藍等立體分色眼鏡才可以看到立體效果。

(2)基于圖像幀兼容模式的立體視頻格式：一個圖像幀數據里面含有左右幀圖像數據，通常有左右格式、上下格式、交錯格式3種，分別為(A)、(B)、(C)。

(A)左右格式圖像幀

(B)上下格式圖像幀

(C)交錯格式圖像幀

(3)基于圖像幀序列模式

圖像幀：是一次概念的革新，它打破常規，完全沒有 I 幀、P幀、B 幀的概念，也沒有 IDR 幀的概念。對于 H.264 中出現的一些概念從大到小排序依次是：序列、圖像、片組、片、NALU、宏塊、亞宏塊、塊、像素。

(4)Multi-View Code(MVC)標準中采用的方式即2D圖像加景深MAP的模式 ：這種模式，景深數據的內容雖然少了，但是數據的分辨率以及像素沒有少，在進行圖像壓縮時，需要的網絡帶寬和左右兩幀單獨壓縮占用的帶寬一樣。

2.2 3D視頻傳輸技術面臨的挑戰

現在從網絡上下載一部高清的1080P畫質的電影可能就需要1～2G的內存大小，甚至更高達十幾個G。而一部高清的3D電影，如果想從網絡上下載，或者直接在線觀看，對于目前的網速來說都是不太可能的。一部電影不關電腦下載要七八個小時或者一兩天，我想很多人會直接放棄的。3D在帶給人無與倫比的視覺體驗的同時，也因其巨大的信息量為視頻的保存和傳輸帶來新的壓力。如何在盡量保證視頻質量的前提下占用更小的傳輸帶寬是3D視頻壓縮領域亟待解決的問題；如何讓3D視頻有較高的分辨率，減少信號的失真，增強濾波效果是信號領域有待解決的問題。為此，需要有與3D視頻特點相適應的壓縮和編碼方法以提高壓縮效率，考慮現有壓縮標準間的兼容性，同時利用基于特征值和特征向量的多維正弦信號頻率估計的失真技術也需要被充分考慮。

2.3 解決方法

2.3.1 獨立視點編碼

目前的研究主要集中在基于深度信息和深度圖特征的ROI壓縮，除此之外，還采用新的編碼方式，如基于HEVC的3D視頻編碼3D-HEVC方案。如上圖所示，圖中所有輸入的視頻圖像和深度圖像是同一時刻、不同拍攝位置的場景，這些圖像組成一個存取層。在同一個存取層中，首先對獨立視點(基準視點)編碼，接著是該視點的深度圖，再編碼其他視點視頻圖像和深度圖。從原理角度，每個視點的圖像，包括視頻圖像和深度圖像，均可以利用HEVC編碼框架進行編碼，輸入的所有比特流復合形成3D比特流。

對于獨立視點，利用未修正的HEVC編碼結構，由于該視點的編碼是獨立的，不依賴于其他視點，因此其對應的比特流可以單獨提取出來形成2D比特流，從而恢復出2D視頻。由此可見，3D-HEVC兼容了2D視頻的編解碼，而其他視點和深度圖采用修正的HEVC編碼結構。如圖中紅色箭頭表明，可以利用視點間相似信息去除視點間冗余，提高編碼性能。

3D-HEVC編碼結構是對HEVC的擴展，每個視點紋理及深度圖編碼主要采用HEVC編碼框架，但在其基礎上增加了一些新的編碼技術，使其更有利于深度圖和多視點的編碼，能夠保證視頻的質量。

2.3.2 非獨立視點編碼技術

3D-HEVC在編碼非獨立視點時，除了使用獨立視點編碼所用的所有工具外，還用到了HEVC關于3D擴展的編碼技術，使其更有利于多視點的編碼。如利用已編碼的獨立視點的信息來預測當前編碼視點的信息，從而降低視點間冗余，提高編碼效率。其中涉及的擴展技術主要是視差補償預測、視點間運動預測和視點間冗余預測。

3 結語

當前，3D技術進入了發展的黃金期，接下來的發展還有待于技術人員在應用中不斷探索。但可以預見的是3D數字處理技術將會給人類帶來一場前所未有的技術風暴，為人類的生活和社會科技進步帶來不可預估的價值。

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].清華大學，2001.

[2]陳后金，薛健.數字信號處理[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]唐志偉.數字信號處理技術在電視機中的應用[J].數組技術與應用，2011(7).

(編輯 文新梅)

Discussion on 3D Digital Signal Processing Technology

WANG Ying

(Liaoning Institute of Technology of Profession of Rail Transit in Shenyang, Shenyang 110000, China)

The information technology of our country is in the fast development and changing stage, and some of the digital signal processing technology has been widely used in people’s lives. This article is mainly on the current development of the digital signal processing technology research. The 3D signal transmission mode and the problems are analyzed in the paper, and the ways to solve the problems are put forward.

3D technology; digital signal transmission processing; discussion

2017-04-10

王盈(1977-)，女。講師，工程碩士。研究方向：電工電子技術。

TN911.72

A

1672-0601(2017)06-0121-03