3D电视的原理与技术.docx

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3D电视的原理与技术

3D电视原理与技术

一．立体电视的发展

1.3D成像技术的发展

随着科技的发展，人民生活水准的提高，3D电视的普及必将是一个不可阻挡的历史趋势。

正如时代华纳公司的副总裁艾尔沃斯所言，3D将是下一个电视圈盛事。

3D电视节目以更加多元化、更具真实感的内容必将吸引更多的观众。

拍下最早3D照片的立体镜

最早的3D电影

3D影像原理，最早是1839年由英国科学家温特斯顿发现的。

人的两眼间距约5公分，看任何物体时，两只眼睛的角度不尽相同，即存在两个视角。

要证明这点很简单，请举起右手，做“阿弥陀佛”姿势，将拇指紧贴鼻尖，其余四指抵住眉心。

闭上左眼，只见手背不见手心；而闭上右眼则恰恰相反。

这种细微的角度差别经由视网膜传至大脑里，就能区分出景物的前后远近，进而产生强烈的立体感。

这就是3D的秘密———“偏光原理”。

并于1922年，世界上第一部3D电影《爱情的力量》诞生了，遗憾的是，影片很早之前就已经遗失了。

MJ主演的3D影片

3D巨作《阿凡达》

80年代中期，IMAX开始制作首部3D纪实片。

1986年，迪士尼主题公园和环球影城上映了迈克尔杰克逊的3D影片。

2008年，日本有线BS11频道开始播送3D节目，3D高清电视业务进入实用化。

2009年耗资5亿美元的电影巨作《阿凡达》同时以2D、3D、3DIMAX等多种版本在全球公映。

2010年，天空传媒开办3D电视频道。

2010年，ESPN开设3D体育频道，一年内进行85项赛事的3D转播。

2010年6月，南非世界杯称为史上首次进行3D转播的世界杯比赛。

2012年1月，由央视牵头，联合多家电视台开办的国内首个3D电视试验频道正式开始播出节目。

国内首个3D频道

3D成像技术发展史

从1890年第一份3D电影的专利的出现，到现在的上百年间里，3D技术逐渐发展壮大，已经受到越来越多人的欢迎。

索尼公司预计，2014年所生产的一般的电视都将会支持3D模式。

2010年，3D电视浪潮开始席卷全球。

从最初的3D科幻电影《阿凡达》引爆，到年初的美国电子展，各大彩电厂家竞相亮相3D电视，再到年中的世界杯和近期的3D亚运营销，彩电厂家们各显神通上演3D电视的大战，可以把2010年定义为“3D电视元年”。

2.立体电视的分类

用全真立体电视技术制作的节目具有很强的景深立体效果，画面中景物富有层次与空间感，画面透明、细腻，画质优良。

在传送立体电视节目时，必须采取频带压缩或码率压缩等方法才能通过普通电视频道传送立体电视节目。

目前的立体电视按其原理可分为如下三类。

（1）视差制式立体电视

视差制式立体电视的摄制由立体摄像机完成，立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来代替人的两只眼睛摄取图像，两个图像信号需用2个通路传送到显像端。

两个镜头之间的距离及其光轴之间的夹角和距离必须模仿人的两个眼球动作，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以保证拍摄的两个图像的视差与人眼直接观看的视差相同。

立体电视节目可以利用现有的电视设备（录像机，电视机）播放。

能与普通电视互换，可兼容HDTV立体电视。

在观看节目时，需要一幅立体液晶转换屏与一副检偏眼镜配合完成。

转换屏放在电视机荧屏前部，由电视机内场同步扫描信号控制，将普通电视机显示的重叠立体图像分离。

通过检偏眼镜就可看到清晰的立体图像。

但这种方式并非主流。

（2）时差式立体电视

1982年，美国南卡罗莱纳大学最先提出时差立体电视概念。

根据闭上一只眼睛也能获得立体感的特性，将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，从而使人获得立体感觉。

时差制式立体电视在发送端也是利用两部摄像机获得一对视差图像信号，用一条信道以适当速率顺序交替传送。

在接收端使这一对视差信号所形成的两幅图像，按发送端传送的顺序，先后轮流地出现在屏幕上，人眼就能看到立体彩色图像。

与视差式立体电视不同，时差式立体电视在接收端不需要附加任何装置，用普通彩色电视机就可以看到立体彩色图像。

为了实现时差制式立体电视，只需要在前端系统进行必要的改造和添置设备。

（3）全息制式立体电视

全息制式立体电视以全息影像技术为基础，利用电视技术摄取，传送和显示全息图来重现空间三维立体像。

它可以让一幅静止画面以立体方式呈现，观看者可

以从各个角度看立体电视，甚至围成一个圈看电视。

全息成像技术正在成为立体电视的发展趋势，开篇提及的那一幕就是依托全息立体电视技术实现的。

随着科技的发展，全息立体技术将颠覆传统观念，人类将进行一场视觉革命。

3.制约立体电视发展的因素

就目前的立体电视系统而言,与人们理想的立体电视模式有着一定的距离,并不是真正意义上的3D电视,主要存在两个问题:

1）当获取立体图像时,左摄像机和右摄像机是固定在空间的,因此,左视和右视只能从一个特定的视角来描述三维场景,如果不是从这一特定的角度来观察立体图像对,就会导致场景的不自然表达。

当观看者头部移动时,应根据视角改变而生成相应的视点场景。

当观看者头部移动时,应产生相应的显示图像,这个效果叫做运动视差（motionparallax）,这种系统通常需要一个头部位置跟踪器来决定视角位置。

2）由于两摄像机基线距离是固定的（约64mm）,这意味着获取的立体图像仅适合于具有相似瞳孔距离的人。

显然固定的摄像机基线距离不能保证适合每一位观察者的视觉特性,而观察中的不适感往往由此产生。

理想的情况是每个观看者能够根据需要调节立体感。

一.研究结果显示，观众在观看立体影像时，由于眼睛会迅速地来回移动，因而容易造成眼睛疲劳。

二.3D电视一般还需要匹配3D影视碟片、3D碟机和立体眼镜，才能组建成一个家庭3D影视系统。

如果把这些全加起来，成本投入势必更大，普通家庭难以承受。

三.3D片源问题是制约3D电视发展的重要因素，未来两三年内3D电视还难以普及。

二．立体电视成像原理

1.立体视觉原理

人类从各种各样的线索中获取三维信息，其中最重要的两种是双目视差和运动视差。

双目视差始于CharlesWheatstone1838年的研究工作，指的是双眼看到同一物体的不同映像;运动视差始于Helmholtz1866年的研究工作，指的是头部运动时看到同一物体的不同映像。

1833年，wheatstone用世界上第一台三维显示装置科学地验证了视差和立体感之间的联系。

从此，研究者们就不断地致力于开发新的立体图像技术。

所谓的“视差创造立体”的原理，是指人的两只眼睛从不同的角度观看世界，即左眼看到的物体与右眼看到的同一物体之间有细微的差别，两者平均相差约65mm，因而描述场景轮廓的方式也不尽相同。

大脑根据这两个有细微差别的场景进行综合处理，产生精确的三维物体，以及该物体在场景中的定位，这就是具有深度的立体感。

立体成像系统的工作就是对每个场景至少产生两张图像，一张代表左眼所看到的，另一张代表右眼所看到的，这两张图像称为立体图像对，而立体显示系统必须使左眼只能看到左图像，右眼只能看到右图像。

2.立体图像的获取

使用立体摄像机对，分别拍摄独立的左、右视图以模拟人类双眼感知立体图像的方式。

立体摄像机对包括平行配置和会聚配置两种结构。

当平行配置立体摄像机对时:

两部摄像机模拟人的双眼，在水平方向分隔一定的距离，这两部摄像机的变焦、会聚、及视频记录都严格地同步，并对所获取的两路视频信号以某种方式进行记录。

当会聚配置立体摄像机对时:

两部摄像机的摄像机光轴相交于一个会聚点。

如图所示，一个现实世界点（X，Y，Z）在摄像机感应器上的投影要比平行配置复杂些。

当这对摄像机都处于一个平面上，且两个摄像机光轴都不平行于Z轴，则这种情况下仅有水平视差存在。

若两个摄像机既不平行于Z轴，又不处于同一水平平面，则两个摄像机获得的图像既有水平视差，又有垂直视差。

其可通过将相同w点在左、右摄像机平面中映射的x，y坐标，分别相减求得。

一个摄像机对可获得一个立体图像对，其产生双视点的立体图像。

如果将多个摄像机对在同一平面内线性排列，则可产生同处一个平面的多个视点。

如果将多个摄像机在空间内以某种特定阵列方式排列，则可产生空间上的多视点。

其中，线性排列的摄像机拍摄的多幅不同视点的图像仅携带水平视差信息，区域排列的摄像机拍摄的多幅不同视点的图像同时携带水平和垂直视差信息。

阵列中的摄像机特性完全相同，以相等的距离，按照特定的形式排列，使得摄像机的光轴相互平行或者会聚在一个公共点。

3.立体电视节目的拍摄

3D电视节目的获取主要包括两种方式：

一种方式是直接进行3D内容的获取，如立体拍摄，3D蓝光盘节目和3D动画片；另一种是将原有的2D视频转成3D视频。

目前存在的问题：

前者拍摄与制作设备价格昂贵，复杂三维场景的实时获取与表示能力不足，已有视频内容利用程度低。

后者技术不够成熟，立体效果较差。

立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来模仿人的两只眼睛摄取图像。

两个镜头的间距及其光轴的汇聚夹角等参数须模仿人的两个眼球的动作，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以使拍摄的两个图像信息与人眼直接观看的信息相同。

目前高清摄像机技术已经成熟，所以立体电视摄像可直接利用高清技术。

如今年足球世界杯采用SONY高清多格式便携式3D摄像机HDC-1500便是证明。

目前日本SONY与松下等公司相继推出专业级立体电视摄像机，为立体电视前期拍摄提供保证。

松下的全整合型高清3D摄录一体机AG-3DA1MC使用了双镜头、双感光元件、汇聚点调整、双记录单元等新技术，其中的两个镜头,机头和半导体录像机都是安装在一个紧凑的机身里面的。

不同于大型3D摄像机系统，这个摄录一体机允许视频拍摄可以从多种角度以更大的幅度来移动；大大的减少了调整和设置的时间,因此可以使用更多的可能性和时间来创作拍摄动作。

配以BT-3DL2550MC3D监视器，由于支架式3D摄像机在现场有众多的调整步骤，

并且调整结果需要非常精确，所以该款监视器的图像调整功能可以对支架的偏差进行监看和修正，对于现场拍摄有很大的指导作用。

利用AG-HMX100MC3D数字视音频切换台，可以将两路SDI合并为双链路SDI，以完成对3D节目的制作。

SONY推出单镜头3D数字摄像机，能够以240fps记录自然平滑的3D影像。

该项技术结合了为单镜头3D摄影新开发的可同时捕捉左侧和右侧图像的光学系统，以及现有的高帧率记录技术来实现240fps3D摄影。

单镜头系统的引入解决了可能导致双眼光学特征差异的任何问题。

并且，通过使用反射镜替代快门，入射光线可以同时被分离进入左侧和右侧的影像，并在到达中继镜头的平行光区域（在此区域目标物体焦点处发出的分离光线变成平行光线）时被记录下来。

分离的左侧和右侧影像随后被左右影像传感器分别处理和记录。

由于左右的影像被捕捉时没有时间差异，记录自然平滑的3D影像成为可能，甚至是快速运动的场景。

4.立体电视节目的制作

立体影像系统采用双路画面实时操作方式，可以实时看到左右眼画面，也可以戴上眼睛实时观看最终放映的效果，便于对两个画面的同步、色彩、曝光、景深等进行匹配，便于修饰闪烁、畸变等各种立体瑕疵，便于调整两个画面之间的视觉夹角。

SONY立体电视后期制作设备为多画面处理系统MPE-200，它的作用就是利用Cell处理器的强大处理能力，修正两台摄像机在位置、转动方向、光轴、色彩上的偏差，实时合成准确的3D影像，简化拍摄准备过程中的摄像机调整工作，并对摄制完成的影像进行处理。

5.立体电视节目的传输

主动式立体信号传输主要针对采用快门式眼镜的立体电视收看方式。

快门式眼镜立体电视主要原理是需要在显示屏幕上交替地显示左右眼图像,这就要求立体信号作为左右眼视图的交替帧进行编码。

由于立体电视传输的是左右眼双路视频信号,为了实现每只眼睛都可收看50Hz的高清信号,高清立体电视信号的传输就需要达到100Hz。

该信号可以像传统的二维100Hz高清电视信号那样被编码,为了减少传输比特率