3D電視實驗室建設探討

劉瑞梅

(山東師范大學傳媒學院,山東濟南 250014)

3D電視實驗室建設探討

劉瑞梅

(山東師范大學傳媒學院,山東濟南 250014)

3D電視因具有縱深感和立體視覺效果而比平面電視更有吸引力,故3D電視的發展成為數字電視的一個重要發展方向,3D電視的制作和實驗教學也成為一些高校數字媒體藝術、廣播電視等專業新的教學與實訓內容。論述了3D電視的原理,列舉了幾種常用的3D電視拍攝、編輯與播放設備,從數字媒體、廣播電視相關專業培訓3D電視人才的角度,提出了一種多通道3D電視投影系統實驗室建設方案,為相關高校建設3D電視實驗室提供參考。

3D電視;立體顯示;實驗室建設

隨著現代信息技術和數字媒體藝術的發展,3D電視、3D電影在技術和藝術2方面都得到了空前的發展。從廣播電影電視領域看,3D電影、3D電視的技術、市場研究是當前該領域的研究熱點之一[1-3]。隨著廣播電影電視領域對3D電影、3D電視人才的需求,高等學校廣播電視編導、數字媒體藝術等專業應承擔起3D電影、3D電視創作人才培養的任務,相應地3D電視實驗室建設也成為高等學校傳媒類實驗室建設不可缺少的一部分[4-6]。本文從高等學校廣播電視編導、數字媒體藝術、動畫等專業的3D電視實驗教學與實訓角度,介紹3D電視實驗室的建設方案。

1 立體顯示原理

人的兩眼間有4～6 cm的距離,因而人的2只眼睛看到的視覺場景是不一樣的,2只眼睛看到的視差圖像經視覺神經網絡傳送到人腦后產生具有縱深感的立體圖像。那么,利用2臺攝像機模擬人的2只眼睛,產生不同的圖像信號,保存或傳輸,再在終端由顯示設備還原成2路有差異的圖像信號,分別由人的2只眼睛觀看,在人腦中就會產生原來的立體感覺。這是目前信息技術模擬產生3D電視的基本原理[7-8]。

目前將2幅不同的圖像分別送入人的左右眼的方法有2類:佩戴眼鏡法和不佩戴眼鏡法。

佩戴眼鏡法即在觀看3D電視時需要佩戴特殊技術制作的眼鏡,采用的技術主要有分色技術、分光技術、分時技術和光譜分割技術。分色技術即將2幅圖像分成不同顏色(如紅藍、綠紅),對應眼鏡的相應濾色片分別送入人的左右眼;分光技術,即將2幅圖像分成垂直和水平方向或右旋轉和左旋轉偏振的2種光,對應眼鏡的相應偏振片分別送入人的左右眼;分時技術即將2幅圖像分時顯示,在眼鏡上安置透明控制電子開關,與顯示圖像時間同步,分時透過2幅圖像,分別送入人的左右眼;光譜分割技術,即將2幅圖像分成2種不同光譜的光,通過相應光譜的眼鏡分別送入人的左右眼。這些技術均需要佩戴相應的立體眼鏡,使人的左右眼看到不同的圖像,產生視覺差,生成立體感。

不佩戴眼鏡法即在觀看3D電視時無需佩戴特殊的眼鏡,又稱裸眼觀看法,采用的3D顯示方式主要有柱狀透鏡方式、視差屏障方式、指向性背光分時方式等。這些3D顯示方式能產生2個或多個不同方向的圖像,裸眼即能看到立體的圖像。

根據不同的立體生成原理制造的3D電視設備也不同,目前應用最多、效果較好、技術相對成熟的立體圖像顯示設備有偏振光顯示設備、分時顯示設備和裸眼顯示設備等。

2 3D電視拍攝、編輯與播放設備

3D電視的制作流程包括策劃、編劇、拍攝、編輯和發行、播放[9]。策劃、編劇、發行因不在實驗室內進行,這里不做介紹。這里簡要介紹在實驗室中制作和播放3D電視需要的主要設備。

2.1 3D電視拍攝設備

2.1.1 2臺高清數字攝像機

利用2臺高清數字攝像機,采用水平排列或垂直排列(經反射鏡將光路轉換為水平排列),可以根據拍攝對象的遠近,調整2臺攝像機的間距,模擬人的左右2眼獲取2路高清視頻信號,分別存儲或合成為2路立體信號,如圖1所示。

圖1 利用兩臺數字攝像機拍攝3D電視

采用2臺攝像機獲取2路視頻信號,可以自由地調節2臺攝像機的間距,從而獲得比較理想的視差信號,但需要保證2臺攝像機水平或垂直排列方向一致,保證聚焦、色溫一致和拍攝同步,通常用于固定機位的專業拍攝,效果好但操作技術難度較高。在實驗教學中,利用2臺高清攝像機水平或垂直排列,拍攝2路模擬人的左右眼視頻信號,可以很方便地展示3D電視的拍攝原理,觀察2臺攝像機的間距、聚焦與3D深度的關系,充分鍛煉學生的綜合操作能力。

2.1.2 雙鏡頭一體立體攝像機

目前,一些公司推出了雙鏡頭一體的立體電視攝像機,為拍攝3D電視提供了極大的方便。這類雙鏡頭一體的3D攝像機,使用了雙鏡頭、雙感光元件、雙記錄單元等新技術,2個鏡頭和半導體感光、記錄單元安裝在一個緊湊的機身內,軸間距比雙攝像機短得多。2鏡頭的光軸方向、光圈、變焦、聚焦、色溫等高度精確一致,很容易調整,避免了使用2臺攝像機容易造成色溫、光圈等攝像機參數不一致的問題。在移動機位拍攝時可以從多種角度以更大的幅度來移動機位,極大地減少了拍攝時調整和設置的時間,更容易實現對移動目標的跟蹤拍攝和場景變化。雙鏡頭一體機的缺點是軸間距固定,拍攝大場景時,3D效果不如平行支架雙攝像機拍攝的效果好。

這類3D攝像機有中、高檔類型。在實驗教學中可以配備少量的高檔專業級雙鏡頭一體的3D攝像機,例如,松下全整合型高清3D攝錄一體機AG-3DA1MC、索尼PMW-TD300。這類高清3D攝錄一體機具有較高的技術指標和性能,價格也較高,可以拍攝高品質的3D立體視頻,分辨率能夠達到1920× 1080p的全高清級別。在教學實驗室中配置幾臺,可以作為教師或學生拍攝高質量的3D電視或創作使用。作為學生拍攝3D電視實驗教學練習使用,可以選用中低檔3D攝像機,如松下的HDC-Z10000GK、索尼的HXR-NX3D1C等,這類3D攝像機具有較高的性價比,而且便攜,在校園內應用非常方便。

2.1.3 單鏡頭3D攝像機

此外,SONY公司推出的單鏡頭3D數字攝像機,能夠以240 fps記錄自然平滑的3D影像。該攝像機用單鏡頭通過分光鏡將左右圖像分離,用左右影像傳感器分別感光存儲,形成3D圖像,解決了雙鏡頭光學差異造成的任何問題和時間同步問題,能夠自然平滑地記錄快速運動的3D場景。

2.2 3D電視編輯設備

目前國內外主流的非線性編輯系統都支持3D電視節目的后期編輯,如Autodesk Smoke 2011、Sony Vegas Pro10、AVIDmedia composer 6、EDIUS 3D、索貝的Editmax 3.0等[10]。利用這些非線性編輯系統可以對3D電視節目進行剪輯、3D調整(包括水平/垂直補償、變焦調整、梯形畸變校正、旋轉調整、色彩校正)、插入立體字幕和立體特效等。專業的非線性編輯系統價格往往較高,采用高配置的PC機,在Adobe Premiere和APPLE Final Cut Pro中通過CineForm公司的Neo3d插件也能進行3D電視節目編輯,在3D電視實驗室中應用不失為一種經濟的方法。

2.3 3D電視顯示設備

3D電視的顯示設備有多種類型,可以是3D電視機、監視器或計算機顯示器。根據3D電視的顯示原理,3D電視的顯示設備可以分為分色顯示設備、分時顯示設備、偏振光顯示設備、裸眼立體顯示設備和3D投影顯示系統。

裸眼立體顯示設備根據不同的光學和結構原理,主要分為狹縫光柵技術、柱狀陣列透鏡技術和指向性背光分時技術,有相應的裸眼立體顯示器,但技術指標和價格不同[11]。狹縫光柵顯示器和柱狀陣列透鏡顯示器,相對背光指向性顯示器的分辨率減少一半,而狹縫光柵顯示器亮度也減少一半。目前裸眼立體顯示技術還不夠成熟,大尺寸的顯示設備多在技術展示階段,產品價格比較昂貴,難以普及應用。

分色顯示設備采用普通顯示器和廉價的紅藍或綠紅眼鏡觀看即可,但因顏色損失立體效果差,可以僅作為學生實驗立體效果感受使用。分時顯示設備、偏振光顯示設備技術比較成熟,產品比較多,價格相對低廉,在3D電視實驗室中作為教學設備比較合適。相對而言,分時顯示設備配備的電子開關眼鏡價格較貴,且易損壞,不利于大批學生在實驗室中應用,而偏振片眼鏡價格低廉,使用方便,在3D電視實驗室中配備偏振光式非線性3D電視編輯機顯示器較為合適,偏振片眼鏡作為易耗品可以配備多些。

對于眾人觀看的3D電視顯示系統,應采用大屏幕立體投影系統。根據實驗室空間大小和觀看學生的人數考慮建立單通道、3通道或5通道環形大屏幕立體投影系統。單通道大屏幕立體投影系統采用單臺3D投影儀,如愛普生TW8500或2臺投影儀加濾色片方式較好。3D投影儀是利用分時顯示方式顯示3D電視,配備開關式電子眼鏡,因觀眾不會太多,眼鏡成本也不會太高。利用2臺投影儀分別顯示3D電視的左右圖像,在每對投影儀前加垂直和水平方向偏振片或右旋轉和左旋轉偏振片,投影屏幕采用高對比度的金屬幕效果較好。

3 多通道3D電視投影系統建設

多通道3D電視投影系統能創造更寬闊的視覺場景,產生更大視角的立體顯示環境,觀眾的臨場感更強[12]。多通道3D電視投影系統通常有3通道、5通道、7通道和9通道等。下面以3通道偏振式立體顯示系統為例說明多通道3D電視投影系統的構建方法。

3通道偏振式3D電視投影系統的設備結構如圖2所示,能夠產生120°的視場。3通道偏振式3D電視投影系統采用柱面環形金屬幕,能夠產生120°視角的超大寬屏幕,結合重低音5.1環繞立體音響,會給觀眾強烈的3D感受效果。圖3是3通道偏振式3D電視投影系統的實驗室布局。

圖2 3通道偏振式立體顯示系統構成

圖3 3通道3D電視投影系統布局

圖2中計算機應具有較高的配置,雙CPU、4 GB以上內存、磁盤1 TB或以上、配有雙顯示卡、能夠輸出左右2路視頻信號。計算機利用3D電視播放軟件(如暴風影音、3D影音、Stereoscopic Player等),通常采用Side by Side的雙拼方式,將3D電視節目轉換為左右視頻信號,經雙路顯卡輸出到視頻矩陣。視頻矩陣將2路視頻信號分別傳給多通道融合機和雙顯示器。雙顯示器平時作為單屏擴展使用。當播放3D電視時分別顯示左右2路視頻信號,作為3D電視信號監視使用。多通道融合機按通道數將2路3D電視信號分配相應通道的顯示區域,并進行畸形矯正和通道間的邊緣融合,輸出3通道雙路視頻3D電視信號,通過6臺高亮度投影儀投出。在每個通道的2臺投影儀前分別安裝2片相互垂直的偏振濾光片,這樣每個通道的2路左右視頻信號變成2路偏振方向垂直的光線同時投射到具有高反射率的環形金屬幕上。環形金屬幕反射2種偏振光,在環幕前的觀眾帶著相應的偏振光眼鏡,左右眼分別看到2種相互垂直的偏振光,對應2路具有視覺差的視頻影像,而使觀眾在頭腦中產生立體場景畫面。觀眾若不帶偏振光眼鏡,只能看到具有重影效果的視頻影像。

4 結束語

3D電視的發展離不開優秀的3D電視創作人員, 3D電視的人才培養離不開良好的實驗教學條件建設。本文給出了高校廣播電視編導、數字媒體藝術等相關專業3D電視實驗室的建設方案,用于3D電視實驗教學和實訓,也可用于虛擬現實技術3D立體顯示[13]和3D虛擬實驗室展示虛擬實驗等[14]。隨著3D電影電視新技術、新設備發展,3D電視實驗教學條件和設備會相應改善,高校3D電視實驗室建設會逐漸完善,對培養3D電視人才具有積極作用。

References)

[1]洪艷,陳佩怡.3D電影的現狀與問題研究[J].重慶郵電大學學報:社會科學版,2012(3):93-99.

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[3]孔彬.3D電視市場研究報告:20113D立體電視市場概述[J].中國數字電視,2012(2):54-58.

[4]范浩明.3D電視技術及其未來展望[J].電視工程,2012(9):31-33.

[5]劉航.實驗室中基于視景仿真的立體成像與顯示技術[J].實驗室研究與探索,2007,26(3):32-35.

[6]龐碩,張遠,曲熠.3D電視系統的構成及發展[J].電視技術,2013 (1):51-56.

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[9]陳镠汀.立體電視攝取、制作、傳輸與顯示[J].影視制作,2011(1): 28-32.

[10]許立峰.3D電視節目后期制作[J].現代電視技術,2012(增刊): 7-1.

[11]何蘭平.淺析3D顯示技術與3D電視[J].影視制作,2011(12):34-35.

[12]高子涵,張岳,王銀河.數字及3D電影放映技術[J].電影評介, 2014(4):67-68.

[13]馬萍,孟祥增.基于VRP的中小學虛擬科技館的設計和實現[J].現代教育技術,2013(4):114-118.

[14]方利偉.基于Virtools的三維虛擬實驗室研究與實現[J].實驗技術與管理,2010,27(5):83-86.

Discussion on construction of 3D TV laboratory

Liu Ruimei
(School of Communication,Shandong Normal University,Jinan 250014,China)

3D TV is more attractive than the usual TV due to its depth and three-dimensional visual effect.3D TV becomes an important direction of digital TV development.The practice and experiment of making 3D TV become the new important teaching and training contents in digital media art,broadcast and television art of some universities.A kind of construction scheme of 3D TV laboratory with a 3-channel 3D TV projection system is proposed to be used in the experiments of 3D TV for the students in relevant careers such as the digital media,broadcasting and television after the principle of 3D TV and the equipment of shooting,editing and displaying 3D TV is introduced,which is useful to provide references for the construction of 3D TV laboratory in the relevant universities.

3D TV;stereo display;construction of laboratory

G482

A

1002-4956(2015)4-0256-04

2014-11-14修改日期：2014-12-16

中央財政支持地方高校發展專項資金“三維動畫與立體影視制作實驗室”建設項目

劉瑞梅(1964—),女,山東青州,理學學士,實驗師,研究方向為數字媒體藝術、教育教學系統設計應用.

E-mail:mxz＠sdnu.edu.cn