浅析3D电视播出系统

1、 浅析3D电视播出系统 摘要：3D是电视技术的又一次革命，它改变了人们传统的观赏体验，让观众仿佛身临其境地去感受强大的震撼力。3D电视技术还处于起步发展阶段，许多规律还需要去摸索和完善。本文介绍了3D电视的基本原理并初步分析了一个兼容传统电视的3D电视播出系统组成。关键词：3D电视技术、基本原理、播出系统早在二十世纪二十年代，电视产业先锋约翰布莱德（John Logie Baird）就梦想实现高质量的3D 电视制作和播出，但是其梦想由于技术的原因一直未能成为现实。随着技术的发展，3D电视逐渐成为可能。二十世纪九十年代末期美国开始播出3D电视剧，从此拉开了3D电视时代的序幕。2009 年底在全球

2、上映的阿凡达采用了3D技术，使3D技术和3D电视再度受到关注。2012元旦，我国第一个3D电视频道在央视开播，标志着我国电视开始步入3D时代，是继黑白电视、彩色电视、高清晰度电视开播以后的又一个里程碑。一、3D电视技术原理3D电视的原理是人观察物体时，由于人的左眼和右眼之间存在约65mm的视差距离，使得左眼和右眼会产生两个不同的图像，正是这个差异通过大脑皮层的感知后使物体有了立体感和远近感。3D技术便是利用人脑在处理视差图像时可以产生物体深度感的特性，将有视差的两个2D图像通过一定的方法实现3D视觉图像。二、3D电视播出系统的难点现阶段在3D电视节目采集、制作、播出、发送、传输和接收的过程中还

3、存在一些现实困难。首先，3D 电视信号的数据量是2D电视信号数据量的两倍。新的播出系统，尤其是高清系统，必须能够应付全3D信号的高码率、高数据量的特点。其次，由于3D电视信号包含一个左眼图像和一个右眼图像，所以还需要保证两个信号严格同步。新的制播系统必须能够可靠的保证两路信号同步，保证图像质量。最后，为了节约成本，还需要使3D信号最大程度上兼容现有2D信号发送设备、传输网络和接收装置。新的播出系统必须找到一种兼容的方式对播出信号进行处理。三、3D电视播出系统的设计需求3D电视播出系统主要承担3D节目播出、2D节目转换、3D字幕（台标）、以及外来信号的直播和收录等多项播出任务，是3D播出链的最后

4、环节，3D电视自动播出系统，是指与播出节目信号的产生、处理、传输、监听监看等环节相关的系统及设备，包括视音频及周边、监听监看、字幕等部分，稳定性直接影响播出的安全。简单、有效的系统设计对于今后的安全播出具有十分重要的意义。3D电视播出系统提供以下系统功能，以确保各项播出任务高质量有序完成。包括：正确实现播出节目信号源的选切；播出信号视音频进行分别处理或调整，并适配传输系统的需要，提供所需的节目播出信号；监视信号源、播出末级节目信号是否正常及检查信号处理各环节技术质量情况。四、3D播出系统的设计方案与选择搭建一套3D播出系统以原有的2D播出系统为基础，在2D构架、工作流程、播出格式上进行必要的3

5、D设计，保持技术和设备的自然过渡，尽可能考虑2D和3D的同播。目前有两套设计方案分别是：即双链路（Daul Link）播出方案和单链路（Single Link）播出方案的设想。Daul Link方式是将左右两路高清信号码流同时送入切换台、矩阵等系统，系统内的设备都采用双视频独立处理，左右两路信号必须严格保证精确的同步。Single Link方式是将左右两路高清信号先通过格式转换成一个3G格式的高清码流。对于一套3D播出系统，最终的信号输出应该兼顾画面质量与传输通道的兼容性。现在最常用的方法是通过空间压缩将两路信号压缩成一路HD SDI信号传输，其中有三种方法：Side-by-Side、Top-

6、over-bottom、Fram sequential。现常常采用Side-by-Side方式（图1），将左右眼信号水平方向各压缩一半，组成一路HD SDI信号进行传输，接收端进行分拆、重排，得到半分辨率的左右路信号，然后再上变换重构左右路高清信号。Side-by-Side“左右拼接”格式，它与现行的播放主流编码格式MPEG-2的兼容性好，具有帧兼容性。可以利用现有的高清电视传输系统和设备，观众不必更换新的调谐器或机顶盒(STB)，仅需要购买一台3D电视，带上3D眼镜即可观看3D节目。 图1 左右拼接方式预处理形成左右拼接3D电视视频帧的过程下面是两方案介绍及方案比较：1、双链路播出系统设计方

7、案该方案采用双路独立的HD-SDI信号分别传输左右眼信号进入切换台（Dual-Link方式）；3D录像机，垫片服务器，字幕机等信源设备采用双链路方式输入播出切换台及净切换开关和技监矩阵设备；播出切换台及净切换开关和技监开关也采用双链路方式；播出切换台及净切换开关分别送出双链路信号至3D编码板卡后，采用单链路 (1.5G Side By Side)方式主、备路送至总控；总控反送播出信号采用单链路方式送播出后，在播出系统中使用3D解码板卡拆分为双链路方式送入系统； 该方案要求除直播信号采用单路左右拼接HD-SDI信号直接送入播出系统以外，其他节目通过录像机或者硬盘服务器同时播放左右眼两路HD-SD

8、I信号送入3D电视信号处理设备，由该设备完成左右拼接信号处理。该播出方案需在现有高清播出系统基础上增加3D播放设备和3D信号处理设备及显示设备，且播放设备须做到完全同步播放。1、 单链路播出系统设计方案该方案采用空间压缩的方法将左右眼的两个图像压缩在一路HD-SDI信号进入切换台（1.5G Side By Side），3D录像机,服务器,字幕机等信源设备经过3D编码卡将双链路(左右)信号进行合并后送播出切换台及净切换开关和技监矩阵设备；播出切换台及净切换开关和技监开关也采用单链路方式；播出切换台及净切换开关分别送出单链路信号送至总控；总控反送播出信号采用单链路方式送播出后,在播出系统中经过视分

9、卡直接送入播出系统；该方案要求所有信号均采用左右拼接信号送入播出系统进行播出，可兼容现有高清播出系统。2、 单链路和双链路播出系统设计方案比较由于两种方案各有优缺点，因此，我们对单链路和双链路播出系统进行了深入的比较和论证，比较后的结果如表1项目单链路方式双链路方式系统结构系统结构简单，与目前的播出系统架构相同系统结构相对复杂，图像质量高信号延时信号合并后没有左右眼信号延时问题可能会存在左右眼延时问题3D效果显示单链路把左右眼合成一个画面信号，送到分割器到大屏，不能看分屏的3D效果左右眼分别进入两个分割器（或有双输出），输出再经合成进入大屏，可以看分屏的3D效果系统链路故障点故障点少，容易排查

10、故障在链路上故障点多，不好排查故障控制精度采用现有控制方式控制系统的精度要求比较高，如控制切换时间有误差可能会影响播出效果2D混合播出可实现3D和2D混合播出对于3G的支持系统改动少就可以支持系统改动比较大表1 两种播出方式比较明细鉴于第二种方案系统结构简单，与目前的播出系统架构相同，信号处理单一，同时系统故障点少，容易排查故障，系统的安全性、稳定性和灵活性比较高，适合采用输入左右拼接信号的3D播出系统方案。五、3D电视播出系统的组成3D电视播出系统采用空间压缩的方法将左右眼的两个图像压缩在一路HD-SDI信号进入切换台（Side-By-Side），3D录像机、服务器、字幕机等信源设备经过3D

11、编码卡将双链路(左右眼)信号进行合并后送播出切换台及净切换开关和技监矩阵设备，总控送播出信号采用单链路方式送播出，在播出系统中经过视分卡直接送入播出系统。该系统包括播出节目信号的产生、处理、传输、监听监看等环节相关的系统及设备。播出系统框图如图2所示：信号切换VTR SBS上载编码编码封装存储系统服务器解码信源编码画面监 看SbSSBSSBS磁带文件(Side by Side) HD-SDI 图2 播出系统框图3D电视信号传输链路包括3D电视音视频预处理、信源编码、业务信息处理、复用、信道传输、接收解码等。如图3所示：业务信息处理信源编码接收解码信道传输复用3D电视音视频预处理 图3 3D电视

12、信号传输链路包含以下子系统：1、 播出前端压缩传输系统3D播出前端压缩系统包括编码器、复用器、网络适配器、nCC软件控制平台和监看监听设备等。3D高清前端压缩系统采用1+1编码复用系统构架。系统3D信号源是播出系统提供的1.5Gbps Side by Side“左右拼接”单路高清信号，没有沿用MPEG-2视频压缩编码，首次采用了H.264/AVC编码标准。2、3D信号播出子系统为确保3D播出信号与现有的2D传输系统和接收系统兼容，播出工作站需要将3D节目素材转换成左眼信号和深度信号。通过左眼信号和右眼信号计算出深度信号，再将左眼信号和这个深度信号分别送至编码器进行编码。使用立体图像模式的高清3

13、D电视信号在播出过程中使用的码率等效于两路高清2D电视信号之和，播出用3D电视信号码率即19.5Mbps2=39Mbps。而使用“2D+ 深度”模式的高清3D电视信号播出用码率约为34.125Mbps。使用立体图像进行3D电视信号播出时，用户设备无法2D-3D兼容。使用立体图像模式播出3D电视信号不利于2D-3D兼容现有2D系统，采用“2D+ 深度”模式进行播出，既可以减少25%的带宽使用，同时还可以很好的支持2D-3D兼容。编码器将左眼信号进行 MPEG-2编码，深度信号以 MPEG4-AVC/H.264 进行压缩后附加数据的形式附加到TS流中。如图4所示：编码器传输系统播出工作站节目素材左

14、眼信号左眼信号MPEG-2信号右眼信号 深度信号附加数据 图4 3D信号播出子系统框图 3、视音频及周边子系统接收播出控制系统的控制信号，实现正确播出节目信号源的选切，可对播出信号视音频进行处理或调整，并适配传输系统的需要，提供所需的节目播出信号。主要设备包括切换台系统（含输入矩阵、视音频处理器、下游键等）、应急切换矩阵、3D编解码器、视频分配放大器、2D及3D转换、键混器等（如图5)。信号监看主控净切换开关切换台3D编解码字幕机文件服务器2D转3DVTR 主控信号3D信号源图5 系统流程4、监看监听子系统对3D电视信号进行实时的监看是保证3D电视节目高质量制作和播出的重要途径。3D电视信号的

15、监看不同于传统2D电视信号的监看，除了使用示波器对左右眼信号分别进行波形监视之外，还需要对原始码率的3D电视信号进行3D监看。在制作过程中以及播出前对3D电视信号进行监看均采用以下模式：分别左眼信号和右眼信号通过两条 HD-SDI 接口的线缆传送至3D编码器（立体图像模式）,以HDMI连接至3D监视器进行监看。在3D电视播出系统中，将3D素材转换成左眼信号和深度信号（记录和左眼信号区别的信号）后，分别将左眼信号和深度信号通过3D解码器将信号还原成左眼信号和右眼信号，通过HDMI 线缆传送至3D监视器进行监看。最后，由传输系统回传一路低码率的MPEG-2 TS流至一台3D监视器，进行最终的监看。5、存储子系统由于3D电视信号数据量和码率均很大，需要存储系统能够应付大容量存储、读取、写入的需求。所以系统适合采用FC存储矩阵进行存储。6、同步及时钟子系统同步系统为系统设备提供同步基准信号，使信号处理定时准确并使播出控制达到帧精确度。时钟系统为参与控制和管理的系统设备提供校时信号，通过显示钟报告准确的时间信息。时钟信号主要供给显示钟、播出控制机、授时服务器等。六、