全面認(rèn)知3D視頻——從技術(shù)概念到監(jiān)測(cè)與測(cè)量

        電視的發(fā)展有兩個(gè)很重要的趨勢(shì)：從標(biāo)清到高清的高清化，分辨率會(huì)越來(lái)越高;實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)體念的3D技術(shù)。特別是3D技術(shù)，是將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)電視技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

　　3D如果拍攝、制作精良，看起來(lái)會(huì)感覺(jué)非常好，現(xiàn)場(chǎng)感很強(qiáng)和畫(huà)面非常有沖擊力。有些3D電影是通過(guò)后期制作實(shí)現(xiàn)的，如果制作得不好還不如2D的電影，因?yàn)橥ㄟ^(guò)軟件把二維轉(zhuǎn)成三維，如果轉(zhuǎn)的時(shí)候沒(méi)有保證質(zhì)量，從觀看角度來(lái)說(shuō)效果不一定比2D好。因此，必須通過(guò)一些技術(shù)手段確保制作的3D立體內(nèi)容非常符合感官感受。

　　人眼怎樣感知3D?

　　3D很重要的效果就是立體感，因?yàn)樽笥已壑g的視差產(chǎn)生了所謂的3D效果，視差有一定的范圍，視差如果超過(guò)范圍的話就會(huì)產(chǎn)生很不好的視覺(jué)感受，甚至看3D電影時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)頭暈或者不舒服。拍攝和后期制作3D的電影電視的時(shí)候，如果沒(méi)有把握好視差或者景深，就會(huì)產(chǎn)生類似的不適體驗(yàn)，當(dāng)然現(xiàn)在沒(méi)有很好的證據(jù)說(shuō)看了3D會(huì)有什么傷害，但會(huì)有不適的感覺(jué)。

　　最傳統(tǒng)的3D眼鏡看3D效果，如果不戴眼鏡就會(huì)產(chǎn)生很虛的畫(huà)面，青色在紅色的前面，或者紅的在青的前面，紅色代表了左眼看到的畫(huà)面，青的代表了右眼看到的畫(huà)面。正是因?yàn)樗鼈冊(cè)谒缴嫌幸欢ǖ奈徊詈鸵暡畈艑?dǎo)致有3D的感覺(jué)，3D畫(huà)面如果沒(méi)有做好給人的感覺(jué)會(huì)很差。大家在電影院看到的3D都不是紅跟青的眼鏡來(lái)看。家里的電視會(huì)有主動(dòng)式的3D眼鏡，通過(guò)隔行掃描，第一場(chǎng)傳的是左眼的畫(huà)面，第二場(chǎng)傳的是右眼的畫(huà)面，來(lái)了左眼相當(dāng)于把右眼閉上，大家會(huì)獲得左眼的畫(huà)面，來(lái)了右眼會(huì)把左眼閉上，通過(guò)主動(dòng)式的眼鏡可以獲得左眼和右眼的圖像，最后到腦子里就是3D的感覺(jué)，現(xiàn)在市面上有比較多的3D電視。在電影院看到的，左眼通過(guò)水平、右眼通過(guò)垂直的把視頻畫(huà)面?zhèn)鹘o大家，不管哪種方式，最基本的會(huì)有左眼和右眼兩個(gè)畫(huà)面，依據(jù)是人眼睛瞳孔之間有一定的差距，左眼和右眼之間的距離是60-65毫米之間。

　　圖1：裸眼3D效果。

　　左眼和右眼看到兩個(gè)畫(huà)面有一定的差距，人的雙眼解析畫(huà)面，通過(guò)人的視網(wǎng)膜的判斷，把左右眼獲得的信號(hào)通過(guò)大腦的解析形成立體的感覺(jué)，解析到它們之間位置的關(guān)系和立體的關(guān)系，最后出來(lái)的就是3D效果，這是人的眼睛通過(guò)感覺(jué)感知到3D的過(guò)程。原來(lái)有人提出一個(gè)問(wèn)題，如果閉上一只眼睛能不能感到3D的效果?事實(shí)上，圖像深度是需要兩只眼睛感知的，有些時(shí)候通過(guò)一只眼睛也可以感知到它的立體信息，這種信息通過(guò)2D會(huì)透露出距離，它會(huì)提供一些信息給我們，圖像顯露和掩蓋的部分，通過(guò)這個(gè)來(lái)判斷誰(shuí)在前面誰(shuí)在后面。看3D電影時(shí)常常有圖像往屏幕后面跑的效果，《里約大冒險(xiǎn)》里面有幾個(gè)場(chǎng)景，鸚鵡學(xué)飛的時(shí)候它會(huì)往你這邊沖，那個(gè)效果不是經(jīng)常有的，那是通過(guò)后期制作專門(mén)做出來(lái)的。北京臺(tái)做了一些3D的試驗(yàn)，得出一些經(jīng)驗(yàn)，圖像往屏幕走接受比較容易，如果往外走出現(xiàn)的效果不是很能接受，大家在做3D效果的時(shí)候也要考慮到往外沖擊的畫(huà)面有一定的比例，即不能做的太多。

　　有些信息單只眼就可以感知出它的立體深度，我們可以通過(guò)明暗的變化去看3D的效果，包括紋理的變化。例如，花朵遠(yuǎn)一點(diǎn)看就是一片，看近景就比較能分得清，越遠(yuǎn)的地方畫(huà)面會(huì)越小，通過(guò)這些信息都可以感知2D的深度。通過(guò)物體的大小判斷或尺寸大小的變化我們也可以感知到2D的深度。運(yùn)動(dòng)視差，坐在車(chē)上的時(shí)候，近的物體跟我們反方向，這些通過(guò)一只眼睛就可以感知到深度。通過(guò)兩只眼睛看這個(gè)物體的位置不一樣，這個(gè)必須通過(guò)兩只眼睛才能感覺(jué)得到，通過(guò)這些就可以很好地把立體距離感跟深度感知出來(lái)。

　　3D視頻拍攝

　　怎么樣還原到人能看到的東西?通過(guò)兩臺(tái)攝像機(jī)，以前通過(guò)一臺(tái)攝像機(jī)看到的是兩維的，通過(guò)兩臺(tái)攝像機(jī)模擬人的眼睛，拍左眼和右眼的畫(huà)面。目前兩個(gè)攝像機(jī)的排列方式是兩種，一種是水平的并排，另一種是垂直上下的方式，根據(jù)不同的系統(tǒng)自己可以做一些試驗(yàn)。到底哪種好，它們之間的距離一般跟人的眼睛瞳孔差不多，60-65毫米，拍的時(shí)候可以根據(jù)近景或者遠(yuǎn)景調(diào)整兩個(gè)攝像機(jī)之間的距離。很重要的問(wèn)題是確保兩個(gè)攝像機(jī)之間的光圈、焦距和亮度一致，否則拍出來(lái)的兩個(gè)畫(huà)面人眼看起來(lái)會(huì)有很多不適的感覺(jué)。當(dāng)然現(xiàn)在很多攝像機(jī)都通過(guò)電纜機(jī)械自動(dòng)調(diào)節(jié)，但很難保證兩個(gè)完全一致?，F(xiàn)在有些研究，比如說(shuō)兩臺(tái)攝像機(jī)之間位移差多少可以接受，亮度差多少可以允許，這也是將來(lái)做3D測(cè)試測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)和主要的內(nèi)容，還有雙眼垂直之間的差別和亮度的差別有多少對(duì)人的感覺(jué)不會(huì)那么明顯。另一個(gè)問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)的物體要確認(rèn)拍的時(shí)候左眼和右眼都有，如果運(yùn)動(dòng)物體拍的時(shí)候左眼或右眼沒(méi)有，再合成的時(shí)候物體看起來(lái)就很奇怪了，疊加不上。一般來(lái)說(shuō)背景可以左右眼之間有差異，但運(yùn)動(dòng)的物體要確保落在左右攝像機(jī)拍攝的區(qū)域之內(nèi)。

　　另一種是垂直攝像機(jī)的擺放， 3D左眼信號(hào)直接進(jìn)入攝像機(jī)，右眼通過(guò)分光鏡分過(guò)來(lái)，分過(guò)來(lái)的時(shí)候是倒像的，需要利用旋轉(zhuǎn)電路把它翻過(guò)來(lái)，因?yàn)殡娐分g處理的不一樣，要確保拍的圖像時(shí)間一致，如果時(shí)間上差了一幀或者兩幀，最后出來(lái)的畫(huà)面就完全亂掉了。曾經(jīng)有一篇文章說(shuō)明了為什么要垂直的，因?yàn)樗降脑捰捎趦蓚€(gè)機(jī)器本身的尺寸太大，很難保證它們之間的距離是60-65毫米，因?yàn)闄C(jī)器比較寬，用垂直的方式可以很好的調(diào)整左右攝像機(jī)之間的間距。

　　攝像機(jī)水平和垂直都會(huì)有角度的問(wèn)題，到底是并行拍還是用擴(kuò)散的方式來(lái)做?并行可以很好的保證水平方向，但是有一個(gè)問(wèn)題：人看東西一般來(lái)說(shuō)有匯聚點(diǎn)，如果前期并行拍，后期制作的時(shí)候可以匯聚，調(diào)整之間的畫(huà)面，匯聚會(huì)比較難，要算拍的位置跟攝像機(jī)的距離，需要把它定位到畫(huà)面是朝屏幕外還是朝里，會(huì)有很多的計(jì)算在里面，比較麻煩。

　　所謂的3D是視差產(chǎn)生的左右位移，最后才會(huì)有3D的效果出來(lái)。視差有四種(見(jiàn)下圖)：零視差，左眼和右眼看到的距離一樣;正視差是右眼在左眼之前，一般畫(huà)面在屏幕的后面;負(fù)視差是右眼看到的畫(huà)面在左眼的左邊，負(fù)視差看到的畫(huà)面應(yīng)該是在屏幕的前方;正常的兩眼不能有分散的視覺(jué)，要避免拍的時(shí)候出現(xiàn)散的視差狀況出現(xiàn)。零視差一般是電影或者電視的屏幕，到底哪個(gè)算屏幕?零視差的點(diǎn)就是電影屏幕和電視的屏幕，如果畫(huà)面要出屏得以這個(gè)為參考，入屏也得以這個(gè)為參考。正視差是右眼在左眼的右邊，它的點(diǎn)落在屏幕的后方，畫(huà)面呈現(xiàn)出來(lái)的效果是在屏幕的后面位置。負(fù)視差畫(huà)面是在零視差定義的屏幕前方，右眼看的畫(huà)面是在左眼的左方，物體全在屏幕的外面，會(huì)產(chǎn)生懸空的感覺(jué)，朝視覺(jué)方向飛過(guò)來(lái)。分散的視差人眼不會(huì)散開(kāi)，真正拍的話不會(huì)有這種畫(huà)面出來(lái)。

　零視差                                                               正視差

　　                                負(fù)視差                                                           分散視差

　　圖2：四種不同類型的視差效果。

　　拍的時(shí)候會(huì)有一個(gè)平面軸，所謂的負(fù)視差我們建議往眼睛這邊飛過(guò)來(lái)的時(shí)候不要太靠眼睛，如果突然一個(gè)子彈打過(guò)來(lái)，如果打的太靠近對(duì)人的眼睛適應(yīng)性不是很好，畫(huà)面到哪個(gè)位置比較合適?有些研究說(shuō)到手臂長(zhǎng)的位置是比較合適的負(fù)視差，但不能為了追求效果匯聚點(diǎn)非常多，這樣效果不一定好，分散的地方也不需要太大，目前大家都只是在做研究課題，還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的定義到底什么樣的范圍我們能接受，這里會(huì)有很多的實(shí)驗(yàn)，包括數(shù)據(jù)。

　　因?yàn)槭莾膳_(tái)攝像機(jī)拍，要保證之間的亮度和色度是一致，如果有一定的差異，看起來(lái)也很難受?？吹臅r(shí)候要把左眼和右眼疊加在一起，到底我們能允許多少垂直上的色差、亮度跟色度的差異?雖然我們有很多的軟件和工具保證兩個(gè)攝像機(jī)之間的光圈和對(duì)焦，但不可能保證完全一致，目前沒(méi)有很權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義到底多大范圍可以接受。如果左眼跟右眼沒(méi)有完全分開(kāi)，即雖然是左眼的信息，但也可以看到右眼的東西，這會(huì)對(duì)我們的視覺(jué)造成很混亂的效果，會(huì)產(chǎn)生非常難受的感覺(jué)。

　　定一個(gè)零視差的屏，如果拍的時(shí)候總轉(zhuǎn)換視差屏，對(duì)我們的沖擊也很大。不建議大家變化零視差，同一個(gè)場(chǎng)景零視差的屏應(yīng)該是固定的，不能同樣一個(gè)產(chǎn)品變來(lái)變?nèi)?，眼睛要不斷地調(diào)節(jié)焦距對(duì)焦，眼睛會(huì)很累。如果變化的話，建議從一個(gè)屏面過(guò)渡到另一個(gè)屏面的時(shí)候最好是2D的，在另一個(gè)屏面上再建立立體的感覺(jué)，這樣人的眼睛會(huì)有適應(yīng)的過(guò)程，看起來(lái)就不會(huì)特別難受，不要在同一類場(chǎng)景中變化零視差屏。

　　3D視頻監(jiān)視和測(cè)量

　　對(duì)3D拍出來(lái)的亮度、色度、焦距的測(cè)試，泰克也有些相關(guān)的解決方案。如果左右兩個(gè)畫(huà)面亮度差異很大，大家看3D效果會(huì)非常糟糕。利用棋盤(pán)的檢驗(yàn)方式，可以很輕易的看到左右眼之間的畫(huà)面亮度有多大差別，如果亮度和色度差別不大，左右不會(huì)有很大的過(guò)渡，亮度和色度看起來(lái)會(huì)有比較平滑的感覺(jué)，通過(guò)調(diào)光圈和燈光，確保亮度和色度在同樣的范圍之內(nèi)。下圖是左右眼的圖像誤差示意圖，右邊因?yàn)橐暡畹年P(guān)系陽(yáng)光透進(jìn)來(lái)，如果把兩個(gè)畫(huà)面合成3D效果看起來(lái)就很別扭，如果做二維拍攝光暈不允許，3D拍的時(shí)候也要避免這種效果出來(lái)，左邊沒(méi)有太陽(yáng)，右邊有太陽(yáng)，這樣合成畫(huà)面的話會(huì)有非常大的問(wèn)題。從測(cè)試波形可以看出，右眼亮度明顯比左眼高，要調(diào)節(jié)光圈，不要出現(xiàn)光暈的現(xiàn)象。

　　圖3：左眼和右眼的圖像誤差：亮度電平不同，色彩不同。

　　圖4：利用泰克WFM8300進(jìn)行視頻電平調(diào)整。

　　兩個(gè)鏡頭要同時(shí)調(diào)，如果它們之間的焦距或者光圈不一樣，出來(lái)的畫(huà)面也是非常糟糕的，通過(guò)左眼減右眼的效果，會(huì)有一定的差，這個(gè)是正確的，我們希望看到的立體感覺(jué)，本身左眼和右眼看起來(lái)就會(huì)有差別，在水平位移上有一定的差別，往里面的畫(huà)面，遠(yuǎn)處的海邊天空遠(yuǎn)景差別沒(méi)有立體感，這邊我們有差別，看起來(lái)是比較理想的立體感覺(jué)。如果軸距沒(méi)有調(diào)好，左邊會(huì)比右邊大，它們的差異除了水平，垂直的也有位移差，這是不允許的，所以要調(diào)整光圈，確保調(diào)焦，保證它們?cè)诖怪鄙蠜](méi)有任何差異。

　　示波器可以把左右眼之間疊加起來(lái)，打上右眼或者左眼的顏色，直接戴上眼鏡去看它的效果，這種眼鏡可以打上紅跟青或者綠跟品紅，這樣可以簡(jiǎn)單判斷畫(huà)面情況，如果想知道立體深度有多少，比如有多少像素，這邊可以打上視覺(jué)差的柵格，每一個(gè)是129個(gè)像素，位移差就代表著立體的深度，垂直方面可以是50%、25%或者10%。左右眼之間還有另一種方式就是光標(biāo)，直接把光標(biāo)打上，顯示屏下方會(huì)直接告訴你目標(biāo)水平視差是多少，大概多少像素，通過(guò)這種方式可以看到到底左眼在前面還是右眼在前面，畫(huà)面到底是出屏還是入屏，立體深度是多少。

　　3D拍好了到底怎么樣傳輸?目前有幾種方式，一種是兩個(gè)都是高清的SDI傳輸，將來(lái)要用3G的方式，1080 50p只是3G中的一種方式。用兩路傳輸會(huì)碰到傳輸時(shí)延問(wèn)題和爭(zhēng)議問(wèn)題，現(xiàn)在的方式是通過(guò)兩個(gè)SDI的方式，一個(gè)是左眼的信號(hào)，一個(gè)是右眼的信號(hào)，會(huì)出來(lái)兩個(gè)測(cè)試的信號(hào)。建好系統(tǒng)和檢測(cè)設(shè)備以后，通過(guò)左右眼的信號(hào)檢測(cè)整個(gè)通道。需要注意有沒(méi)有把左右眼的信號(hào)搞混，包括有沒(méi)有通道之間的延時(shí)，如果通道之間有延時(shí)會(huì)造成錯(cuò)位，3D的效果就會(huì)有很大的問(wèn)題。

　　3D視頻傳輸對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀器是最新的波形監(jiān)測(cè)儀——WFM8300，可以同時(shí)看兩路信號(hào)。通過(guò)波形可以判斷到底是左眼的畫(huà)面在右邊還是右眼的畫(huà)面在右邊，這樣就可以立體感覺(jué)到是往內(nèi)還是往外?？梢园褍陕沸盘?hào)合成一路信號(hào)，真正在傳輸里看到，如果你能接到投影或者通道的話可以監(jiān)看，這就是偵測(cè)3D信號(hào)。

　　圖5：可同時(shí)監(jiān)測(cè)兩路信號(hào)的波形監(jiān)測(cè)儀——WFM8300。

　　前不久美國(guó)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)傳輸?shù)囊?guī)范，傳3D的信號(hào)有兩種方式，一種是3D的左眼右眼并列傳，通過(guò)壓縮。這種方式適用于1080i隔行掃描格式，左眼在水平方面壓縮一半，右眼在水平方向壓縮一半，類似于1080i的畫(huà)面，通過(guò)MPEG2和H.264去傳輸，經(jīng)過(guò)解碼器把左眼跟右眼信號(hào)分別解碼出來(lái)，這時(shí)的水平只有一半，再做上變換，得到的畫(huà)面就是1080i，出來(lái)的即是左右眼的信號(hào)。720p的方式是上下的，上部分是左眼，下部分是右眼，這樣出來(lái)的還是720p的畫(huà)面，現(xiàn)有的系統(tǒng)同樣可以傳左右眼的信號(hào)，定義多少行到多少行是左眼，多少行到多少行是右眼，接收的解碼器同樣可以把左右眼解出來(lái)，通過(guò)電視機(jī)顯示出來(lái)。

　　圖6：立體視圖測(cè)量——邊緣檢測(cè)。

　　可以利用泰克視頻質(zhì)量分析儀VQS1000做傳輸3D信號(hào)的監(jiān)測(cè)，能看到左眼跟右眼之間的邊緣，區(qū)分到底誰(shuí)在右邊，誰(shuí)在左邊。綠色的代表右眼，藍(lán)色代表左眼，如果右眼在左眼的右邊表示這個(gè)畫(huà)面是往外的效果，還有更細(xì)的，可以告訴你到底哪些畫(huà)面屬于參考，零視差的，哪些畫(huà)面位置是正視差，在畫(huà)面內(nèi)部，哪些是出屏的負(fù)視差。當(dāng)然會(huì)給出一個(gè)百分比——大概有多少像素點(diǎn)是出屏的、立體深度有多少、有多少是入屏的、深度有多少。通過(guò)這種方式可以幫你判斷做好的文件或者是實(shí)實(shí)在在傳輸3D視頻的立體效果，從拍攝到制作到傳輸監(jiān)測(cè)的方案。

　　本文小結(jié)

　　3D畢竟是比較新的技術(shù)，大家都在摸索的過(guò)程之中。因此，怎么樣利用工具做好的3D畫(huà)面，怎么樣確保3D的深度多少合適，這些問(wèn)題可能需要大家通過(guò)工具去摸索。泰克作為全球測(cè)試測(cè)量解決方案領(lǐng)先提供商，除了提供領(lǐng)先的測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，還希望與大家共同合作，大家有什么測(cè)試測(cè)量相關(guān)的信息歡迎給我們反饋，包括怎么樣做好的3D畫(huà)面，讓我們共同促進(jìn)3D技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。