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3D视频全接触——从技术概念到监测与测量

我爱方案网| 3D视频,3D,3D电视| 2011-10-17
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中心议题:

  • 人眼感知3D的原理
  • 3D视频拍摄技术
  • 3D视频监视和测量技术


电视的发展有两个很重要的趋势:从标清到高清的高清化,分辨率会越来越高;实现立体视觉体念的3D技术。特别是3D技术,是将来很长一段时间内电视技术发 展的一个重要趋势。3D如果拍摄、制作精良,看起来会感觉非常好,现场感很强和画面非常有冲击力。有些3D电影是通过后期制作实现的,如果制作得不好还不 如2D的电影,因为通过软件把二维转成三维,如果转的时候没有保证质量,从观看角度来说效果不一定比2D好。因此,必须通过一些技术手段确保制作的3D立 体内容非常符合感官感受。

人眼怎样感知3D?

3D很重要的效果就是立体感,因为左右眼之间的视差产生了所谓的3D效果,视差有一定的范围,视差如果超过范围的话就会产生很不好的视觉感受,甚至看3D 电影时间长了会头晕或者不舒服。拍摄和后期制作3D的电影电视的时候,如果没有把握好视差或者景深,就会产生类似的不适体验,当然现在没有很好的证据说看 了3D会有什么伤害,但会有不适的感觉。

最传统的3D眼镜看3D效果,如果不戴眼镜就会产生很虚的画面,青色在红色的前面,或者红的在青的前面,红色代表了左眼看到的画面,青的代表了右眼看到的 画面。正是因为它们在水平上有一定的位差和视差才导致有3D的感觉,3D画面如果没有做好给人的感觉会很差。大家在电影院看到的3D都不是红跟青的眼镜来 看。家里的电视会有主动式的3D眼镜,通过隔行扫描,第一场传的是左眼的画面,第二场传的是右眼的画面,来了左眼相当于把右眼闭上,大家会获得左眼的画 面,来了右眼会把左眼闭上,通过主动式的眼镜可以获得左眼和右眼的图像,最后到脑子里就是3D的感觉,现在市面上有比较多的3D电视。在电影院看到的,左 眼通过水平、右眼通过垂直的把视频画面传给大家,不管哪种方式,最基本的会有左眼和右眼两个画面,依据是人眼睛瞳孔之间有一定的差距,左眼和右眼之间的距 离是60-65毫米之间。


图1:裸眼3D效果

左眼和右眼看到两个画面有一定的差距,人的双眼解析画面,通过人的视网膜的判断,把左右眼获得的信号通过大脑的解析形成立体的感觉,解析到它们之间 位置的关系和立体的关系,最后出来的就是3D效果,这是人的眼睛通过感觉感知到3D的过程。原来有人提出一个问题,如果闭上一只眼睛能不能感到3D的效 果?事实上,图像深度是需要两只眼睛感知的,有些时候通过一只眼睛也可以感知到它的立体信息,这种信息通过2D会透露出距离,它会提供一些信息给我们,图 像显露和掩盖的部分,通过这个来判断谁在前面谁在后面。看3D电影时常常有图像往屏幕后面跑的效果,《里约大冒险》里面有几个场景,鹦鹉学飞的时候它会往 你这边冲,那个效果不是经常有的,那是通过后期制作专门做出来的。北京台做了一些3D的试验,得出一些经验,图像往屏幕走接受比较容易,如果往外走出现的 效果不是很能接受,大家在做3D效果的时候也要考虑到往外冲击的画面有一定的比例,即不能做的太多。

有些信息单只眼就可以感知出它的立体深度,我们可以通过明暗的变化去看3D的效果,包括纹理的变化。例如,花朵远一点看就是一片,看近景就比较能分得清, 越远的地方画面会越小,通过这些信息都可以感知2D的深度。通过物体的大小判断或尺寸大小的变化我们也可以感知到2D的深度。运动视差,坐在车上的时候, 近的物体跟我们反方向,这些通过一只眼睛就可以感知到深度。通过两只眼睛看这个物体的位置不一样,这个必须通过两只眼睛才能感觉得到,通过这些就可以很好 地把立体距离感跟深度感知出来。

3D视频拍摄

怎么样还原到人能看到的东西?通过两台摄像机,以前通过一台摄像机看到的是两维的,通过两台摄像机模拟人的眼睛,拍左眼和右眼的画面。 目前两个摄像机的排列方式是两种,一种是水平的并排,另一种是垂直上下的方式,根据不同的系统自己可以做一些试验。到底哪种好,它们之间的距离一般跟人的 眼睛瞳孔差不多,60-65毫米,拍的时候可以根据近景或者远景调整两个摄像机之间的距离。很重要的问题是确保两个摄像机之间的光圈、焦距和亮度一致,否 则拍出来的两个画面人眼看起来会有很多不适的感觉。当然现在很多摄像机都通过电缆机械自动调节,但很难保证两个完全一致。现在有些研究,比如说两台摄像机 之间位移差多少可以接受,亮度差多少可以允许,这也是将来做3D测试测量的标准和主要的内容,还有双眼垂直之间的差别和亮度的差别有多少对人的感觉不会那 么明显。另一个问题,运动的物体要确认拍的时候左眼和右眼都有,如果运动物体拍的时候左眼或右眼没有,再合成的时候物体看起来就很奇怪了,叠加不上。一般 来说背景可以左右眼之间有差异,但运动的物体要确保落在左右摄像机拍摄的区域之内。

另一种是垂直摄像机的摆放, 3D左眼信号直接进入摄像机,右眼通过分光镜分过来,分过来的时候是倒像的,需要利用旋转电路把它翻过来,因为电路之间处理的不一样,要确保拍的图像时间 一致,如果时间上差了一帧或者两帧,最后出来的画面就完全乱掉了。曾经有一篇文章说明了为什么要垂直的,因为水平的话由于两个机器本身的尺寸太大,很难保 证它们之间的距离是60-65毫米,因为机器比较宽,用垂直的方式可以很好的调整左右摄像机之间的间距。

摄像机水平和垂直都会有角度的问题,到底是并行拍还是用扩散的方式来做?并行可以很好的保证水平方向,但是有一个问题:人看东西一般来说有汇聚点,如果前 期并行拍,后期制作的时候可以汇聚,调整之间的画面,汇聚会比较难,要算拍的位置跟摄像机的距离,需要把它定位到画面是朝屏幕外还是朝里,会有很多的计算 在里面,比较麻烦。

所谓的3D是视差产生的左右位移,最后才会有3D的效果出来。视差有四种(见下图):零视差,左眼和右眼看到的距离一样;正视差是右眼在左眼之前,一般画 面在屏幕的后面;负视差是右眼看到的画面在左眼的左边,负视差看到的画面应该是在屏幕的前方;正常的两眼不能有分散的视觉,要避免拍的时候出现散的视差状 况出现。零视差一般是电影或者电视的屏幕,到底哪个算屏幕?零视差的点就是电影屏幕和电视的屏幕,如果画面要出屏得以这个为参考,入屏也得以这个为参考。 正视差是右眼在左眼的右边,它的点落在屏幕的后方,画面呈现出来的效果是在屏幕的后面位置。负视差画面是在零视差定义的屏幕前方,右眼看的画面是在左眼的 左方,物体全在屏幕的外面,会产生悬空的感觉,朝视觉方向飞过来。分散的视差人眼不会散开,真正拍的话不会有这种画面出来。


                    零视差                                           正视差

                     负视差                                      分散视差
图2:四种不同类型的视差效果

拍的时候会有一个平面轴,所谓的负视差我们建议往眼睛这边飞过来的时候不要太靠眼睛,如果突然一个子弹打过来,如果打的太靠近对人的眼睛适应性不是 很好,画面到哪个位置比较合适?有些研究说到手臂长的位置是比较合适的负视差,但不能为了追求效果汇聚点非常多,这样效果不一定好,分散的地方也不需要太 大,目前大家都只是在做研究课题,还没有标准的定义到底什么样的范围我们能接受,这里会有很多的实验,包括数据。

因为是两台摄像机拍,要保证之间的亮度和色度是一致,如果有一定的差异,看起来也很难受。看的时候要把左眼和右眼叠加在一起,到底我们能允许多少垂直上的 色差、亮度跟色度的差异?虽然我们有很多的软件和工具保证两个摄像机之间的光圈和对焦,但不可能保证完全一致,目前没有很权威的标准来定义到底多大范围可 以接受。如果左眼跟右眼没有完全分开,即虽然是左眼的信息,但也可以看到右眼的东西,这会对我们的视觉造成很混乱的效果,会产生非常难受的感觉。

定一个零视差的屏,如果拍的时候总转换视差屏,对我们的冲击也很大。不建议大家变化零视差,同一个场景零视差的屏应该是固定的,不能同样一个产品变来变 去,眼睛要不断地调节焦距对焦,眼睛会很累。如果变化的话,建议从一个屏面过渡到另一个屏面的时候最好是2D的,在另一个屏面上再建立立体的感觉,这样人 的眼睛会有适应的过程,看起来就不会特别难受,不要在同一类场景中变化零视差屏。

3D视频监视和测量

对3D拍出来的亮度、色度、焦距的测试,泰克也有些相关的解决方案。如果左右两个画面亮度差异很大,大家看3D效果会非常糟糕。利用棋盘的检验方式,可以 很轻易的看到左右眼之间的画面亮度有多大差别,如果亮度和色度差别不大,左右不会有很大的过渡,亮度和色度看起来会有比较平滑的感觉,通过调光圈和灯光, 确保亮度和色度在同样的范围之内。下图是左右眼的图像误差示意图,右边因为视差的关系阳光透进来,如果把两个画面合成3D效果看起来就很别扭,如果做二维 拍摄光晕不允许,3D拍的时候也要避免这种效果出来,左边没有太阳,右边有太阳,这样合成画面的话会有非常大的问题。从测试波形可以看出,右眼亮度明显比 左眼高,要调节光圈,不要出现光晕的现象。

   
图3:左眼和右眼的图像误差:亮度电平不同,色彩不同

图4:利用泰克WFM8300进行视频电平调整


两个镜头要同时调,如果它们之间的焦距或者光圈不一样,出来的画面也是非常糟糕的,通过左眼减右眼的效果,会有一定的差,这个是正确的,我们希望看到的立 体感觉,本身左眼和右眼看起来就会有差别,在水平位移上有一定的差别,往里面的画面,远处的海边天空远景差别没有立体感,这边我们有差别,看起来是比较理 想的立体感觉。如果轴距没有调好,左边会比右边大,它们的差异除了水平,垂直的也有位移差,这是不允许的,所以要调整光圈,确保调焦,保证它们在垂直上没 有任何差异。

示波器可以把左右眼之间叠加起来,打上右眼或者左眼的颜色,直接戴上眼镜去看它的效果,这种眼镜可以打上红跟青或者绿跟品红,这样可以简单判断画面情况, 如果想知道立体深度有多少,比如有多少像素,这边可以打上视觉差的栅格,每一个是129个像素,位移差就代表着立体的深度,垂直方面可以是50%、25% 或者10%。左右眼之间还有另一种方式就是光标,直接把光标打上,显示屏下方会直接告诉你目标水平视差是多少,大概多少像素,通过这种方式可以看到到底左 眼在前面还是右眼在前面,画面到底是出屏还是入屏,立体深度是多少。

3D拍好了到底怎么样传输?目前有几种方式,一种是两个都是高清的SDI传输,将来要用3G的方式,1080 50p只是3G中的一种方式。用两路传输会碰到传输时延问题和争议问题,现在的方式是通过两个SDI的方式,一个是左眼的信号,一个是右眼的信号,会出来 两个测试的信号。建好系统和检测设备以后,通过左右眼的信号检测整个通道。需要注意有没有把左右眼的信号搞混,包括有没有通道之间的延时,如果通道之间有 延时会造成错位,3D的效果就会有很大的问题。

3D视频传输对应的测试仪器是最新的波形监测仪——WFM8300,可以同时看两路信号。通过波形可以判断到底是左眼的画面在右边还是右眼的画面在右边, 这样就可以立体感觉到是往内还是往外。可以把两路信号合成一路信号,真正在传输里看到,如果你能接到投影或者通道的话可以监看,这就是侦测3D信号。


图5:可同时监测两路信号的波形监测仪——WFM8300

前不久美国实验室有一个传输的规范,传3D的信号有两种方式,一种是3D的左眼右眼并列传,通过压缩。这种方式适用于1080i隔行扫描格式,左眼 在水平方面压缩一半,右眼在水平方向压缩一半,类似于1080i的画面,通过MPEG2和H.264去传输,经过解码器把左眼跟右眼信号分别解码出来,这 时的水平只有一半,再做上变换,得到的画面就是1080i,出来的即是左右眼的信号。720p的方式是上下的,上部分是左眼,下部分是右眼,这样出来的还 是720p的画面,现有的系统同样可以传左右眼的信号,定义多少行到多少行是左眼,多少行到多少行是右眼,接收的解码器同样可以把左右眼解出来,通过电视 机显示出来。


图6:立体视图测量——边缘检测

可以利用泰克视频质量分析仪VQS1000做传输3D信号的监测,能看到左眼跟右眼之间的边缘,区分到底谁在右边,谁在左边。绿色的代表右眼,蓝色 代表左眼,如果右眼在左眼的右边表示这个画面是往外的效果,还有更细的,可以告诉你到底哪些画面属于参考,零视差的,哪些画面位置是正视差,在画面内部, 哪些是出屏的负视差。当然会给出一个百分比——大概有多少像素点是出屏的、立体深度有多少、有多少是入屏的、深度有多少。通过这种方式可以帮你判断做好的 文件或者是实实在在传输3D视频的立体效果,从拍摄到制作到传输监测的方案。

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