3D电视实验室建设探讨

刘瑞梅

(山东师范大学传媒学院,山东济南 250014)

3D电视实验室建设探讨

刘瑞梅

(山东师范大学传媒学院,山东济南 250014)

3D电视因具有纵深感和立体视觉效果而比平面电视更有吸引力,故3D电视的发展成为数字电视的一个重要发展方向,3D电视的制作和实验教学也成为一些高校数字媒体艺术、广播电视等专业新的教学与实训内容。论述了3D电视的原理,列举了几种常用的3D电视拍摄、编辑与播放设备,从数字媒体、广播电视相关专业培训3D电视人才的角度,提出了一种多通道3D电视投影系统实验室建设方案,为相关高校建设3D电视实验室提供参考。

3D电视;立体显示;实验室建设

随着现代信息技术和数字媒体艺术的发展,3D电视、3D电影在技术和艺术2方面都得到了空前的发展。从广播电影电视领域看,3D电影、3D电视的技术、市场研究是当前该领域的研究热点之一[1-3]。随着广播电影电视领域对3D电影、3D电视人才的需求,高等学校广播电视编导、数字媒体艺术等专业应承担起3D电影、3D电视创作人才培养的任务,相应地3D电视实验室建设也成为高等学校传媒类实验室建设不可缺少的一部分[4-6]。本文从高等学校广播电视编导、数字媒体艺术、动画等专业的3D电视实验教学与实训角度,介绍3D电视实验室的建设方案。

1 立体显示原理

人的两眼间有4～6 cm的距离,因而人的2只眼睛看到的视觉场景是不一样的,2只眼睛看到的视差图像经视觉神经网络传送到人脑后产生具有纵深感的立体图像。那么,利用2台摄像机模拟人的2只眼睛,产生不同的图像信号,保存或传输,再在终端由显示设备还原成2路有差异的图像信号,分别由人的2只眼睛观看,在人脑中就会产生原来的立体感觉。这是目前信息技术模拟产生3D电视的基本原理[7-8]。

目前将2幅不同的图像分别送入人的左右眼的方法有2类:佩戴眼镜法和不佩戴眼镜法。

佩戴眼镜法即在观看3D电视时需要佩戴特殊技术制作的眼镜,采用的技术主要有分色技术、分光技术、分时技术和光谱分割技术。分色技术即将2幅图像分成不同颜色(如红蓝、绿红),对应眼镜的相应滤色片分别送入人的左右眼;分光技术,即将2幅图像分成垂直和水平方向或右旋转和左旋转偏振的2种光,对应眼镜的相应偏振片分别送入人的左右眼;分时技术即将2幅图像分时显示,在眼镜上安置透明控制电子开关,与显示图像时间同步,分时透过2幅图像,分别送入人的左右眼;光谱分割技术,即将2幅图像分成2种不同光谱的光,通过相应光谱的眼镜分别送入人的左右眼。这些技术均需要佩戴相应的立体眼镜,使人的左右眼看到不同的图像,产生视觉差,生成立体感。

不佩戴眼镜法即在观看3D电视时无需佩戴特殊的眼镜,又称裸眼观看法,采用的3D显示方式主要有柱状透镜方式、视差屏障方式、指向性背光分时方式等。这些3D显示方式能产生2个或多个不同方向的图像,裸眼即能看到立体的图像。

根据不同的立体生成原理制造的3D电视设备也不同,目前应用最多、效果较好、技术相对成熟的立体图像显示设备有偏振光显示设备、分时显示设备和裸眼显示设备等。

2 3D电视拍摄、编辑与播放设备

3D电视的制作流程包括策划、编剧、拍摄、编辑和发行、播放[9]。策划、编剧、发行因不在实验室内进行,这里不做介绍。这里简要介绍在实验室中制作和播放3D电视需要的主要设备。

2.1 3D电视拍摄设备

2.1.1 2台高清数字摄像机

利用2台高清数字摄像机,采用水平排列或垂直排列(经反射镜将光路转换为水平排列),可以根据拍摄对象的远近,调整2台摄像机的间距,模拟人的左右2眼获取2路高清视频信号,分别存储或合成为2路立体信号,如图1所示。

图1 利用两台数字摄像机拍摄3D电视

采用2台摄像机获取2路视频信号,可以自由地调节2台摄像机的间距,从而获得比较理想的视差信号,但需要保证2台摄像机水平或垂直排列方向一致,保证聚焦、色温一致和拍摄同步,通常用于固定机位的专业拍摄,效果好但操作技术难度较高。在实验教学中,利用2台高清摄像机水平或垂直排列,拍摄2路模拟人的左右眼视频信号,可以很方便地展示3D电视的拍摄原理,观察2台摄像机的间距、聚焦与3D深度的关系,充分锻炼学生的综合操作能力。

2.1.2 双镜头一体立体摄像机

目前,一些公司推出了双镜头一体的立体电视摄像机,为拍摄3D电视提供了极大的方便。这类双镜头一体的3D摄像机,使用了双镜头、双感光元件、双记录单元等新技术,2个镜头和半导体感光、记录单元安装在一个紧凑的机身内,轴间距比双摄像机短得多。2镜头的光轴方向、光圈、变焦、聚焦、色温等高度精确一致,很容易调整,避免了使用2台摄像机容易造成色温、光圈等摄像机参数不一致的问题。在移动机位拍摄时可以从多种角度以更大的幅度来移动机位,极大地减少了拍摄时调整和设置的时间,更容易实现对移动目标的跟踪拍摄和场景变化。双镜头一体机的缺点是轴间距固定,拍摄大场景时,3D效果不如平行支架双摄像机拍摄的效果好。

这类3D摄像机有中、高档类型。在实验教学中可以配备少量的高档专业级双镜头一体的3D摄像机,例如,松下全整合型高清3D摄录一体机AG-3DA1MC、索尼PMW-TD300。这类高清3D摄录一体机具有较高的技术指标和性能,价格也较高,可以拍摄高品质的3D立体视频,分辨率能够达到1920× 1080p的全高清级别。在教学实验室中配置几台,可以作为教师或学生拍摄高质量的3D电视或创作使用。作为学生拍摄3D电视实验教学练习使用,可以选用中低档3D摄像机,如松下的HDC-Z10000GK、索尼的HXR-NX3D1C等,这类3D摄像机具有较高的性价比,而且便携,在校园内应用非常方便。

2.1.3 单镜头3D摄像机

此外,SONY公司推出的单镜头3D数字摄像机,能够以240 fps记录自然平滑的3D影像。该摄像机用单镜头通过分光镜将左右图像分离,用左右影像传感器分别感光存储,形成3D图像,解决了双镜头光学差异造成的任何问题和时间同步问题,能够自然平滑地记录快速运动的3D场景。

2.2 3D电视编辑设备

目前国内外主流的非线性编辑系统都支持3D电视节目的后期编辑,如Autodesk Smoke 2011、Sony Vegas Pro10、AVIDmedia composer 6、EDIUS 3D、索贝的Editmax 3.0等[10]。利用这些非线性编辑系统可以对3D电视节目进行剪辑、3D调整(包括水平/垂直补偿、变焦调整、梯形畸变校正、旋转调整、色彩校正)、插入立体字幕和立体特效等。专业的非线性编辑系统价格往往较高,采用高配置的PC机,在Adobe Premiere和APPLE Final Cut Pro中通过CineForm公司的Neo3d插件也能进行3D电视节目编辑,在3D电视实验室中应用不失为一种经济的方法。

2.3 3D电视显示设备

3D电视的显示设备有多种类型,可以是3D电视机、监视器或计算机显示器。根据3D电视的显示原理,3D电视的显示设备可以分为分色显示设备、分时显示设备、偏振光显示设备、裸眼立体显示设备和3D投影显示系统。

裸眼立体显示设备根据不同的光学和结构原理,主要分为狭缝光栅技术、柱状阵列透镜技术和指向性背光分时技术,有相应的裸眼立体显示器,但技术指标和价格不同[11]。狭缝光栅显示器和柱状阵列透镜显示器,相对背光指向性显示器的分辨率减少一半,而狭缝光栅显示器亮度也减少一半。目前裸眼立体显示技术还不够成熟,大尺寸的显示设备多在技术展示阶段,产品价格比较昂贵,难以普及应用。

分色显示设备采用普通显示器和廉价的红蓝或绿红眼镜观看即可,但因颜色损失立体效果差,可以仅作为学生实验立体效果感受使用。分时显示设备、偏振光显示设备技术比较成熟,产品比较多,价格相对低廉,在3D电视实验室中作为教学设备比较合适。相对而言,分时显示设备配备的电子开关眼镜价格较贵,且易损坏,不利于大批学生在实验室中应用,而偏振片眼镜价格低廉,使用方便,在3D电视实验室中配备偏振光式非线性3D电视编辑机显示器较为合适,偏振片眼镜作为易耗品可以配备多些。

对于众人观看的3D电视显示系统,应采用大屏幕立体投影系统。根据实验室空间大小和观看学生的人数考虑建立单通道、3通道或5通道环形大屏幕立体投影系统。单通道大屏幕立体投影系统采用单台3D投影仪,如爱普生TW8500或2台投影仪加滤色片方式较好。3D投影仪是利用分时显示方式显示3D电视,配备开关式电子眼镜,因观众不会太多,眼镜成本也不会太高。利用2台投影仪分别显示3D电视的左右图像,在每对投影仪前加垂直和水平方向偏振片或右旋转和左旋转偏振片,投影屏幕采用高对比度的金属幕效果较好。

3 多通道3D电视投影系统建设

多通道3D电视投影系统能创造更宽阔的视觉场景,产生更大视角的立体显示环境,观众的临场感更强[12]。多通道3D电视投影系统通常有3通道、5通道、7通道和9通道等。下面以3通道偏振式立体显示系统为例说明多通道3D电视投影系统的构建方法。

3通道偏振式3D电视投影系统的设备结构如图2所示,能够产生120°的视场。3通道偏振式3D电视投影系统采用柱面环形金属幕,能够产生120°视角的超大宽屏幕,结合重低音5.1环绕立体音响,会给观众强烈的3D感受效果。图3是3通道偏振式3D电视投影系统的实验室布局。

图2 3通道偏振式立体显示系统构成

图3 3通道3D电视投影系统布局

图2中计算机应具有较高的配置,双CPU、4 GB以上内存、磁盘1 TB或以上、配有双显示卡、能够输出左右2路视频信号。计算机利用3D电视播放软件(如暴风影音、3D影音、Stereoscopic Player等),通常采用Side by Side的双拼方式,将3D电视节目转换为左右视频信号,经双路显卡输出到视频矩阵。视频矩阵将2路视频信号分别传给多通道融合机和双显示器。双显示器平时作为单屏扩展使用。当播放3D电视时分别显示左右2路视频信号,作为3D电视信号监视使用。多通道融合机按通道数将2路3D电视信号分配相应通道的显示区域,并进行畸形矫正和通道间的边缘融合,输出3通道双路视频3D电视信号,通过6台高亮度投影仪投出。在每个通道的2台投影仪前分别安装2片相互垂直的偏振滤光片,这样每个通道的2路左右视频信号变成2路偏振方向垂直的光线同时投射到具有高反射率的环形金属幕上。环形金属幕反射2种偏振光,在环幕前的观众带着相应的偏振光眼镜,左右眼分别看到2种相互垂直的偏振光,对应2路具有视觉差的视频影像,而使观众在头脑中产生立体场景画面。观众若不带偏振光眼镜,只能看到具有重影效果的视频影像。

4 结束语

3D电视的发展离不开优秀的3D电视创作人员, 3D电视的人才培养离不开良好的实验教学条件建设。本文给出了高校广播电视编导、数字媒体艺术等相关专业3D电视实验室的建设方案,用于3D电视实验教学和实训,也可用于虚拟现实技术3D立体显示[13]和3D虚拟实验室展示虚拟实验等[14]。随着3D电影电视新技术、新设备发展,3D电视实验教学条件和设备会相应改善,高校3D电视实验室建设会逐渐完善,对培养3D电视人才具有积极作用。

References)

[1]洪艳,陈佩怡.3D电影的现状与问题研究[J].重庆邮电大学学报:社会科学版,2012(3):93-99.

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[3]孔彬.3D电视市场研究报告:20113D立体电视市场概述[J].中国数字电视,2012(2):54-58.

[4]范浩明.3D电视技术及其未来展望[J].电视工程,2012(9):31-33.

[5]刘航.实验室中基于视景仿真的立体成像与显示技术[J].实验室研究与探索,2007,26(3):32-35.

[6]庞硕,张远,曲熠.3D电视系统的构成及发展[J].电视技术,2013 (1):51-56.

[7]孟祥增,马萍,刘瑞梅.三维虚拟场景的创设与立体播放[J].中国电化教育,2011(8):28-32.

[8]路晓俐.3D电视关键技术与标准[J].现代电视技术,2012(9): 26-27.

[9]陈镠汀.立体电视摄取、制作、传输与显示[J].影视制作,2011(1): 28-32.

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[11]何兰平.浅析3D显示技术与3D电视[J].影视制作,2011(12):34-35.

[12]高子涵,张岳,王银河.数字及3D电影放映技术[J].电影评介, 2014(4):67-68.

[13]马萍,孟祥增.基于VRP的中小学虚拟科技馆的设计和实现[J].现代教育技术,2013(4):114-118.

[14]方利伟.基于Virtools的三维虚拟实验室研究与实现[J].实验技术与管理,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

中央财政支持地方高校发展专项资金“三维动画与立体影视制作实验室”建设项目

刘瑞梅(1964—),女,山东青州,理学学士,实验师,研究方向为数字媒体艺术、教育教学系统设计应用.

E-mail:mxz＠sdnu.edu.cn