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全面認知3D 視頻——從技術概念到監測與測量
作者:  來源:  更新時間:2013-08-16  點擊率:1857
  電視的發展有兩個很重要的趨勢:從標清到高清的高清化,分辨率會越來越高;實現立 體視覺體念的3D 技術。特別是3D 技術,是將來很長一段時間內電視技術發展的一個重要趨勢。
    3D 如果拍攝、制作精良,看起來會感覺非常好,現場感很強和畫面非常有沖擊力。有 些3D 電影是通過后期制作實現的,如果制作得不好還不如2D 的電影,因為通過軟件把二維 轉成三維,如果轉的時候沒有保證質量,從觀看角度來說效果不一定比2D 好。因此,必須 通過一些技術手段確保制作的3D 立體內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,因為左右眼之間的視差產生了所謂的3D 效果,視差有一 定的范圍,視差如果超過范圍的話就會產生很不好的視覺感受,甚至看3D 電影時間長了會 頭暈或者不舒服。拍攝和后期制作3D 的電影電視的時候,如果沒有把握好視差或者景深, 就會產生類似的不適體驗,當然現在沒有很好的證據說看了3D 會有什么傷害,但會有不適 的感覺。
    最傳統的3D眼鏡看3D 效果,如果不戴眼鏡就會產生很虛的畫面,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面,青的代表了右眼看到的畫面。正是因為 它們在水平上有一定的位差和視差才導致有3D 的感覺,3D 畫面如果沒有做好給人的感覺會 很差。大家在電影院看到的3D 都不是紅跟青的眼鏡來看。家里的電視會有主動式的3D 眼鏡, 通過隔行掃描,第一場傳的是左眼的畫面,第二場傳的是右眼的畫面,來了左眼相當于把右 眼閉上,大家會獲得左眼的畫面,來了右眼會把左眼閉上,通過主動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,現在市面上有比較多的3D 電視。在電影院看 到的,左眼通過水平、右眼通過垂直的把視頻畫面傳給大家,不管哪種方式,最基本的會有 左眼和右眼兩個畫面,依據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。

    左眼和右眼看到兩個畫面有一定的差距,人的雙眼解析畫面,通過人的視網膜的判斷, 把左右眼獲得的信號通過大腦的解析形成立體的感覺,解析到它們之間位置的關系和立體的 關系,最后出來的就是3D 效果,這是人的眼睛通過感覺感知到3D 的過程。原來有人提出 一個問題,如果閉上一只眼睛能不能感到3D 的效果?事實上,圖像深度是需要兩只眼睛感 知的,有些時候通過一只眼睛也可以感知到它的立體信息,這種信息通過2D 會透露出距離, 它會提供一些信息給我們,圖像顯露和掩蓋的部分,通過這個來判斷誰在前面誰在后面???3D 電影時常常有圖像往屏幕后面跑的效果,《里約大冒險》里面有幾個場景,鸚鵡學飛的時 候它會往你這邊沖,那個效果不是經常有的,那是通過后期制作專門做出來的。北京臺做了 一些3D 的試驗,得出一些經驗,圖像往屏幕走接受比較容易,如果往外走出現的效果不是 很能接受,大家在做3D 效果的時候也要考慮到往外沖擊的畫面有一定的比例,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,我們可以通過明暗的變化去看3D 的效果, 包括紋理的變化。例如,花朵遠一點看就是一片,看近景就比較能分得清,越遠的地方畫面 會越小,通過這些信息都可以感知2D 的深度。通過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。運動視差,坐在車上的時候,近的物體跟我們反方向,這些通過 一只眼睛就可以感知到深度。通過兩只眼睛看這個物體的位置不一樣,這個必須通過兩只眼 睛才能感覺得到,通過這些就可以很好地把立體距離感跟深度感知出來。
3D 視頻拍攝
    怎么樣還原到人能看到的東西?通過兩臺攝像機,以前通過一臺攝像機看到的是兩維 的,通過兩臺攝像機模擬人的眼睛,拍左眼和右眼的畫面。目前兩個攝像機的排列方式是兩 種,一種是水平的并排,另一種是垂直上下的方式,根據不同的系統自己可以做一些試驗。 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,拍的時候可以根據 近景或者遠景調整兩個攝像機之間的距離。很重要的問題是確保兩個攝像機之間的光圈、焦 距和亮度一致,否則拍出來的兩個畫面人眼看起來會有很多不適的感覺。當然現在很多攝像 機都通過電纜機械自動調節,但很難保證兩個完全一致。現在有些研究,比如說兩臺攝像機 之間位移差多少可以接受,亮度差多少可以允許,這也是將來做3D 測試測量的標準和主要 的內容,還有雙眼垂直之間的差別和亮度的差別有多少對人的感覺不會那么明顯。另一個問 題,運動的物體要確認拍的時候左眼和右眼都有,如果運動物體拍的時候左眼或右眼沒有, 再合成的時候物體看起來就很奇怪了,疊加不上。一般來說背景可以左右眼之間有差異,但 運動的物體要確保落在左右攝像機拍攝的區域之內。
    另一種是垂直攝像機的擺放, 3D 左眼信號直接進入攝像機,右眼通過分光鏡分過來, 分過來的時候是倒像的,需要利用旋轉電路把它翻過來,因為電路之間處理的不一樣,要確 保拍的圖像時間一致,如果時間上差了一幀或者兩幀,最后出來的畫面就完全亂掉了。曾經 有一篇文章說明了為什么要垂直的,因為水平的話由于兩個機器本身的尺寸太大,很難保證 它們之間的距離是60-65 毫米,因為機器比較寬,用垂直的方式可以很好的調整左右攝像 機之間的間距。
    攝像機水平和垂直都會有角度的問題,到底是并行拍還是用擴散的方式來做?并行可以 很好的保證水平方向,但是有一個問題:人看東西一般來說有匯聚點,如果前期并行拍,后 期制作的時候可以匯聚,調整之間的畫面,匯聚會比較難,要算拍的位置跟攝像機的距離, 需要把它定位到畫面是朝屏幕外還是朝里,會有很多的計算在里面,比較麻煩。
    所謂的3D 是視差產生的左右位移,最后才會有3D 的效果出來。視差有四種(見下圖): 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,一般畫面在屏幕的后面; 負視差是右眼看到的畫面在左眼的左邊,負視差看到的畫面應該是在屏幕的前方;正常的兩 眼不能有分散的視覺,要避免拍的時候出現散的視差狀況出現。零視差一般是電影或者電視 的屏幕,到底哪個算屏幕?零視差的點就是電影屏幕和電視的屏幕,如果畫面要出屏得以這 個為參考,入屏也得以這個為參考。正視差是右眼在左眼的右邊,它的點落在屏幕的后方, 畫面呈現出來的效果是在屏幕的后面位置。負視差畫面是在零視差定義的屏幕前方,右眼看 的畫面是在左眼的左方,物體全在屏幕的外面,會產生懸空的感覺,朝視覺方向飛過來。分 散的視差人眼不會散開,真正拍的話不會有這種畫面出來。

   拍的時候會有一個平面軸,所謂的負視差我們建議往眼睛這邊飛過來的時候不要太靠眼 睛,如果突然一個子彈打過來,如果打的太靠近對人的眼睛適應性不是很好,畫面到哪個位 置比較合適?有些研究說到手臂長的位置是比較合適的負視差,但不能為了追求效果匯聚點 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 沒有標準的定義到底什么樣的范圍我們能接受,這里會有很多的實驗,包括數據。
    因為是兩臺攝像機拍,要保證之間的亮度和色度是一致,如果有一定的差異,看起來也 很難受??吹氖焙蛞炎笱酆陀已鄣釉諞黃?,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攝像機之間的光圈和對焦,但不可能保 證完全一致,目前沒有很權威的標準來定義到底多大范圍可以接受。如果左眼跟右眼沒有完 全分開,即雖然是左眼的信息,但也可以看到右眼的東西,這會對我們的視覺造成很混亂的 效果,會產生非常難受的感覺。
定一個零視差的屏,如果拍的時候總轉換視差屏,對我們的沖擊也很大。不建議大家變 化零視差,同一個場景零視差的屏應該是固定的,不能同樣一個產品變來變去,眼睛要不斷 地調節焦距對焦,眼睛會很累。如果變化的話,建議從一個屏面過渡到另一個屏面的時候最 好是2D 的,在另一個屏面上再建立立體的感覺,這樣人的眼睛會有適應的過程,看起來就 不會特別難受,不要在同一類場景中變化零視差屏。
    3D 視頻監視和測量
     對3D 拍出來的亮度、色度、焦距的測試,泰克也有些相關的解決方案。如果左右兩個 畫面亮度差異很大,大家看3D 效果會非常糟糕。利用棋盤的檢驗方式,可以很輕易的看到 左右眼之間的畫面亮度有多大差別,如果亮度和色度差別不大,左右不會有很大的過渡,亮 度和色度看起來會有比較平滑的感覺,通過調光圈和燈光,確保亮度和色度在同樣的范圍之 內。下圖是左右眼的圖像誤差示意圖,右邊因為視差的關系陽光透進來,如果把兩個畫面合 成3D 效果看起來就很別扭,如果做二維拍攝光暈不允許,3D 拍的時候也要避免這種效果 出來,左邊沒有太陽,右邊有太陽,這樣合成畫面的話會有非常大的問題。從測試波形可以 看出,右眼亮度明顯比左眼高,要調節光圈,不要出現光暈的現象。

    兩個鏡頭要同時調,如果它們之間的焦距或者光圈不一樣,出來的畫面也是非常糟糕的, 通過左眼減右眼的效果,會有一定的差,這個是正確的,我們希望看到的立體感覺,本身左 眼和右眼看起來就會有差別,在水平位移上有一定的差別,往里面的畫面,遠處的海邊天空 遠景差別沒有立體感,這邊我們有差別,看起來是比較理想的立體感覺。如果軸距沒有調好, 左邊會比右邊大,它們的差異除了水平,垂直的也有位移差,這是不允許的,所以要調整光 圈,確保調焦,保證它們在垂直上沒有任何差異。
    示波器可以把左右眼之間疊加起來,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,這樣可以簡單判斷畫面情況,如果想知道立 體深度有多少,比如有多少像素,這邊可以打上視覺差的柵格,每一個是129 個像素,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,直接把光標打上,顯示屏下方會直接告訴你目標水平視差是多少,大概多少 像素,通過這種方式可以看到到底左眼在前面還是右眼在前面,畫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,一種是兩個都是高清的SDI 傳輸,將來 要用3G 的方式,1080 50p 只是3G 中的一種方式。用兩路傳輸會碰到傳輸時延問題和爭 議問題,現在的方式是通過兩個SDI 的方式,一個是左眼的信號,一個是右眼的信號,會 出來兩個測試的信號。建好系統和檢測設備以后,通過左右眼的信號檢測整個通道。需要注 意有沒有把左右眼的信號搞混,包括有沒有通道之間的延時,如果通道之間有延時會造成錯 位,3D 的效果就會有很大的問題。
3D 視頻傳輸對應的測試儀器是最新的波形監測儀——WFM8300,可以同時看兩路信號。通過波形可以判斷到底是左眼的畫面在右邊還是右眼的畫面在右邊,這樣就可以立體感 覺到是往內還是往外??梢園蚜鉸沸藕藕銑梢宦沸藕?,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看,這就是偵測3D 信號。

    前不久美國實驗室有一個傳輸的規范,傳3D 的信號有兩種方式,一種是3D 的左眼右 眼并列傳,通過壓縮。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 的畫面,通過MPEG2 和H.264 去傳輸,經過解碼 器把左眼跟右眼信號分別解碼出來,這時的水平只有一半,再做上變換,得到的畫面就是 1080i,出來的即是左右眼的信號。720p 的方式是上下的,上部分是左眼,下部分是右眼, 這樣出來的還是720p 的畫面,現有的系統同樣可以傳左右眼的信號,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,通過電視機顯示 出來。

   可以利用泰克視頻質量分析儀VQS1000 做傳輸3D 信號的監測,能看到左眼跟右眼之 間的邊緣,區分到底誰在右邊,誰在左邊。綠色的代表右眼,藍色代表左眼,如果右眼在左 眼的右邊表示這個畫面是往外的效果,還有更細的,可以告訴你到底哪些畫面屬于參考,零 視差的,哪些畫面位置是正視差,在畫面內部,哪些是出屏的負視差。當然會給出一個百分 比——大概有多少像素點是出屏的、立體深度有多少、有多少是入屏的、深度有多少。通過 這種方式可以幫你判斷做好的文件或者是實實在在傳輸3D 視頻的立體效果,從拍攝到制作 到傳輸監測的方案。
本文小結 
    3D 畢竟是比較新的技術,大家都在摸索的過程之中。因此,怎么樣利用工具做好的3D 畫面,怎么樣確保3D 的深度多少合適,這些問題可能需要大家通過工具去摸索。泰克作為 全球測試測量解決方案領先提供商,除了提供領先的測試設備和技術,還希望與大家共同合 作,大家有什么測試測量相關的信息歡迎給我們反饋,包括怎么樣做好的3D 畫面,讓我們 共同促進3D 技術的發展與應用。

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