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

發(fā)布時(shí)間:2011-07-28

中心議題:

  • 人眼感知3D的原理
  • 3D視頻拍攝技術(shù)
  • 3D視頻監(jiān)視和測(cè)量技術(shù)


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?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)傳的是左眼的畫面,第二場(chǎng)傳的是右眼的畫面,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)畫面有一定的差距,人的雙眼解析畫面,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???D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。現(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。
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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,一般畫面在屏幕的后面;負(fù)視差是右眼看到的畫面在左眼的左邊,負(fù)視差看到的畫面應(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,畫面呈現(xiàn)出來(lái)的效果是在屏幕的后面位置。負(fù)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(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)ィ劬σ粩嗟卣{(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)畫面亮度差異很大,大家看3D效果會(huì)非常糟糕。利用棋盤的檢驗(yàn)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(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

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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面在右邊還是右眼的畫面在右邊,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)畫面是往外的效果,還有更細(xì)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(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。

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