一种帧兼容双层架构的3D编码

姚健平，梁宁，陆军锋

（康佳集团股份有限公司，广东深圳518053）

一种帧兼容双层架构的3D编码

姚健平，梁宁，陆军锋

（康佳集团股份有限公司，广东深圳518053）

分析了杜比实验室发明的一种双层3D编码解决方案，该方案包括基本层和增强层，基本层采用帧兼容格式，可以解决3D分辨率下降、基础设施投资高等问题，还能使用现有的2D基础设施，未来投入少量资金即可实现全分辨率3D显示。最后，介绍了康佳与杜比实验室合作研制的支持杜比3D格式的裸眼3D超高清智能电视样机情况。

帧兼容；视频编解码；3D电视；杜比3D编码

【本文献信息】姚健平，梁宁，陆军锋.一种帧兼容双层架构的3D编码［J］.电视技术，2015，39（10）.

随着《阿凡达》等3D电影的热播，3D热潮也迅速扩散到电视领域［1］。目前，世界上已开播25个3D频道，我国在2012年开播首个3D电视试验频道［2］，节目信号采用高清帧兼容格式，其优点是可以使用当前的网络基础设施和已安装的机顶盒，缺点是接收端只能获得半分辨率3D图像。采用左右眼信号独立传输，即传输双路高清带宽同步视频信号，在接收端可以获得全分辨率3D图像，缺点是传输带宽增加一倍，成本过高。在目前以2D收视为主的情况下，采用价格高昂的左右眼视频独立传输的方案来满足比例极小的3D收视需求，显然是很不划算的。

杜比实验室发明了一种双层3D编码解决方案［3］，方案构建在一个帧兼容基本层之上，可以使用现有的网络基础设施，使广播公司可以快速简单地部署此项技术。

杜比3D系统的第二层是增强层，用于提供升级到全分辨率3D的途径，将来投入少量资金即可实现全分辨率3D显示。

1　帧兼容

帧兼容是一个重要概念，是为了解决3D内容传输带宽增加的问题而提出的。我国早已开播高清晰度电视（HDTV）广播，从传输通道到家庭的机顶盒都已具备，我国传送的HDTV的帧格式为1 920×1 080，隔行扫描模式。

2012年，我国开播首个3D电视试验频道，原始的3D电视内容包含左右眼视频，它具有左右眼两个视频码流，即两个HDTV码流，用现在传输一个HDTV码流的条件，是无法传输3DTV内容的。如果用全新的方式来传输3DTV两个左右眼视频码流，代价太大，很难推动3DTV的初期发展，为此人们想到用现在传输HDTV的条件来传输3DTV内容。最好的办法是把3DTV两个左右眼的视频码流，变成一个HDTV码流，换句话说，把3DTV两个左右眼视频帧变成HDTV的“帧”格式，称为帧兼容格式。这样一来，目前传输条件不变，家庭机顶盒也不变，只要用相应的3D电视机就可收看3DTV了。

把3DTV的两个左右眼视频码流，变成一个HDTV码流，需要经过“像素抽取”和“封装”操作。像素抽取和封装是很成熟的技术，本文不再赘述。图1给出了常用的像素抽取方法和封装方法，以及两者常用的组合（见图1中的双箭头线段）。

图1　抽取方法和封装方法及其组合

测试结果表明，3DTV的左右眼视频码流采用并排（side by side）抽取和并排封装组合，与其他组合相比，其编码性能好，编码效率高，而且特别适合我国的3DTV隔行扫描信号。

2　杜比双层3D系统

如前所述，如果在传输领域实现真正的3D高清电视，就需要对整个广播电视的播出系统进行全面的升级改造，而这种改造对传输成本的大幅度提高成为目前3D电视推广当中最大的阻碍。为此，杜比实验室发明了一种双层3D编码方案，包含帧兼容基本层和增强层。帧兼容基本层应用于现有网络基础设施，无须改造即可实现全分辨率2D内容和半分辨率3D内容传输与显示，可应用于目前开播的3DTV广播系统。对于高端用户，可以追加使用增强层，只需要提供额外10%的传输带宽（大大低于传统方法需要提高一倍的传输带宽）来传输增强层数据，通过3D电视内部的杜比3D解码器，就可获得缺失的另一半分辨率，实现全分辨率3D显示。

2.1帧兼容基本层

如前所述，帧兼容格式需要对3DTV左右眼视频实施像素抽取并封装成一路HDTV信号。并排抽取和并排封装组合方式，视频的编码效率最高，而且还便于处理隔行扫描信号。

杜比3D帧兼容基本层采用的正是并排抽取和并排封装组合。图2是帧兼容基本层封装架构图。由于MPEG的高效率编码特性［4］，封装后的基本层视频数据，采用MPEG-4 AVC（即H.264）编码形成码流。

图2　帧兼容基本层封装架构图

2.2增强层

杜比3D编码的第二层是增强层，用于提供升级到全分辨率3D的途径。增强层作为一个压缩码流伴随基本层提供。对于不具有杜比3D解码器的传统3D电视，其解码器应该忽略增强层而只解码基本层，就像对标准的视频码流一样，输出并排图像，经后续电路合成为半分辨率3D图像并显示。

具有杜比3D解码器的电视称为杜比3D-Ready电视。杜比3D解码器除了解码基本层输出并排图像外，还解码增强层，输出互补的另一半并排图像，经后续电路合成为全分辨率3D图像并显示。

图3是杜比3D编码系统架构图。左右眼图像同时输入到两个复用器：上复用器和下复用器，形成两个帧兼容图像，这两个图像使用互补的像素集。上复用器形成的帧兼容图像与常规视频图像相同，使用MPEG-4 AVC（即H.264）方式进行压缩编码。下复用器形成的图像用作生成增强层的基础。增强层编码器使用来自基本层编码过程的信息预测增强层，利用基本层内的冗余信息，可以大大减少增强层内的数据总量，这是杜比3D编码系统的精华所在。主观测试显示，杜比3D全分辨率方式所需的额外码率只有基本层使用码率的10%。大大降低了广播设施升级到全分辨率3D所需要的投资。

图3　杜比3D编码系统架构图

2.3高效率、兼容性和灵活性

杜比3D系统充分利用基本层内的冗余信息，大大减少增强层内的数据总量，使得整个系统的压缩编码效率非常高。视频压缩系统的效率越高，以相同的码率可以传输更高质量的图像，对于内容发布商来说是个重要的优点。

兼容性是另一个主要优点。具有杜比3D解码器的接收设备（如电视机或机顶盒）会同时解码基本层和增强层，从而实现全分辨率3D显示，而传统的接收设备只能解码基本层，实现半分辨率3D显示。

杜比3D系统非常灵活。如图4所示，杜比3D系统即可以兼容当前设备（机项盒或电视机），也可以满足下一代设备对全分辨率3D显示的要求。

图4　杜比3D系统的兼容性和灵活性

3　杜比3D-Ready电视

目前的3D信号或2D转3D信号只包含图像的灰度数据，没有包含场景的深度数据。而3DTV显示需要这些深度数据，现行的做法是根据左右眼图像的灰度数据计算出深度数据，计算出来的深度数据与真实的深度数据难免有差别，大大影响3DTV显示效果。为了解决这一问题，杜比发明了一种3D信号格式，称为杜比3D格式。

杜比3D格式信号本身就包含了真实的深度数据，这些深度数据从片源制作摄像机拍摄开始采集，是真实的深度数据。深度数据经过压缩编码后嵌入在灰度数据当中，再经过传输通道最后进入接收装置，如果接收装置中包含杜比3D解码器，该解码器能还原出真实的深度数据，实现3DTV完美显示。如果是普通的接收装置，因为没有杜比3D解码器而无法还原出真实的深度数据，只能计算出深度数据，造成3DTV显示层次感不强，甚至出现位置失真。图5给出了杜比3D格式信号，左图为灰度图像，右图为对应的深度图像，可以看出，深度图像的数据量很少。

图5　杜比3D格式信号

康佳与杜比实验室合作，开发出了全球首款杜比3D-Ready电视机。电视机内部的杜比3D解码器具有3D信号格式自动识别功能，对于普通（不含深度数据）的3D信号，采用计算深度数据进行3D显示；对于杜比3D格式信号，通过解码器还原出深度数据。因此，该电视机即能满足目前的3D显示要求，同时也支持未来的杜比3D片源，这些片源可能来自蓝光DVD或者网络视频流，甚至有可能是电视广播信号。

4　结论

杜比3D系统在解决家庭3D娱乐的近期和远期难题方面有独特的见解。杜比3D的优势是重用传统的网络基础设施，以及未来投入少量资金即可具备升级到全分辨率3D显示的能力。后续的研究重点和方向是进一步优化算法代码，并将优化后的算法IP集成到新一代数字电视芯片当中。

［1］薛楠，丁颐，乔维.我国3D电视产业发展现状研究［J］.电视技术，2012，36（24）：14-15.

［2］于利华.让机顶盒遥控电视机——3D篇［J］.电视技术，2012，36（24）：41-42.

［3］杜比公司.杜比3D为各类设备带来高品质裸眼3D视频体验［J］.现代电影技术，2014（4）：51.

［4］张强，盖明耀.多层视频的发展趋势［J］.广播与电视技术，2014，41（4）：46-49.

Frame Compatible Dual Layer 3D Coding

YAO Jianping，LIANG Ning，LU Junfeng
（Konka Group Co.，Ltd.，Guangdong Shenzhen 518053，China）

Dual layer 3D coding solution invented by Dolby Laboratories is analyzed.The solution consists of a base layer and an enhancement layer，and can solve the issues of 3D resolution reduction and high infrastructure investment to support full resolution 3D.It also can transmit full resolution 2D or half resolution 3D，and small future investment is required to achieve full resolution 3D.Finally，the building situation of glasses-free 3D UHD Smart TV made by Konka and Dolby Laboratories is introduced.

conventional frame compatible；video codec；3DTV；Dolby 3D coding

TN931.1

A

10.16280/j.videoe.2015.10.007

许盈

2015-04-08