帧兼容平面立体电视及其接收设备

2012-03-15李桂苓许树檀

电视技术 2012年14期

李桂苓，王军，许树檀

（1.天津大学电子信息工程学院，天津 300072；2.中国联合网络通信有限公司天津分公司，天津 300020）

我国立体电视（3DTV）试验频道已于2012年元旦试播、春节开播。该频道播出帧兼容平面立体3DTV视频信号[1]和编码的音频信号，加密后经卫星传输，由各地有线电视网前端接收，再送当地有线电视网传送。

本文简要讲述试验频道采用的帧兼容传送方式的工作原理，说明其与常规高清晰度电视（HDTV）的兼容性，指出传送的左右视图分辨力均非HDTV标准，常规HDTV接收器（STB）不能兼容接收3DTV节目，3DTV STB和3DTV显示器的高清多媒体接口（HDMI）均需达1.4a版本才能自动识别[1-2]。

1 帧兼容平面立体电视

1.1 并排视频帧的合成

图1为帧兼容平面立体电视并排帧的合成过程。如图所示，为了合成与1 920×1 080 HDTV格式“帧兼容”的并排视频帧信号，先将1 920×1 080 HDTV分辨力的左右视图源图像序列分别下变换成960×1 080格式，再左右水平拼接（SbS）下变换后的左右视图对应帧。为了减小左右视图间的冗余度，通常基于并排帧的左视图信号，按H.264/AVC（或AVS）标准进行压缩编码，并将左视图的立体声或多声道音频信号按MPEG-1层2（或AC-3）标准压缩。为了使终端能识别和解码3DTV信号，将音视频数据流按MPEG-2系统层复用成传送流（TS）时，需在节目专用信息（PSI）中置相应的标志位，并在业务信息（SI）中引入规范的3DTV描述符。完成上述信源编码后，还需采用条件接收（CA）技术加密，按卫星数字电视（DTV）传输标准进行信道编码等处理，成为卫星传输上行信号。

图1表明，“帧兼容”指拼接帧与HDTV图像帧二者的格式相同，原有的一路HDTV传输通道和常规HDTV STB可传输、接收和解码这种3DTV信号。实际上传输的左右视图水平分辨力都已下降到一半，不是高清图像，本文后面还会说明，常规HDTV STB也不能兼容地正确重显3DTV节目，即“兼容”是对信号而言。

1.2 并排视频帧的分解

图2为并排视频帧的分解过程。如图所示，解码的并排帧先拆分成半水平分辨力的左右视图，再分别上变换成1 920×1 080格式，显示于电视屏或投影幕同一平面。立体视正常的观众需佩戴3DTV眼镜，将二维（2D）左右视图分送左右眼，经视觉系统处理，才能产生立体感[3]。这就是“平面立体”的含意。

由图2可知，若用常规HDTV接收设备收视帧兼容平面立体电视节目，则只能显示左右视图拼接，画面均完整但都缩窄为1/2的畸变图像，如图3所示。从原有2D HDTV STB能否正确获取视频内容的角度衡量，SbS方式帧兼容平面立体电视系统不具后向兼容性。

1.3 帧兼容平面立体电视的图像分辨力

除图1所示的左右视图SbS空间排列方式外，还有上下（TaB）、隔行和棋盘方式。与SbS方式类似的TaB方式不降低左右视图的水平分辨力，但传输的左右视图之垂直分辨力均降到1/2，若用无源偏振光眼镜观看，重显的左右视图之垂直分辨力还要再降1/2。

目前3DTV普遍采用SbS方式，经有源快门或无源偏振光眼镜分离的左右视图的水平分辨力均降到源图像的1/2，后者的垂直分辨力也降到1/2，二者重建的左右视图的分辨力均达不到HDTV标准。

综上所述，这种帧兼容方式只有源图像可达HDTV图像分辨力，而传输和重显的视频帧只具有HDTV格式，左右视图均非HDTV分辨力，因而不是真正意义的“高清帧兼容立体电视”。

2 接收设备类型及其兼容性

常用的立体电视接收设备有立体电视接收器（立体电视机顶盒）和立体电视接收机（立体电视一体机）两种。前者不具显示能力，输出的重建视频信号需立体电视显示设备；后者使用较方便，但设备组合和升级等不够灵活。

除直视型立体电视接收、显示设备外，也可采用立体电视投影显示方式，或将立体电视信号的接收和解码等功能也集成于其内。投影方式设备较复杂、调整较困难，但利于提高重显图像的质量。

3DTV试验频道开播后，拟收视3D节目，但原有HDTV接收器不能升级或配接附加装置的用户，可选购帧兼容平面立体电视接收器（3DTV STB）。这种接收器须符合相应标准，除能接收标准清晰度电视（SDTV）和高清晰度电视（HDTV）节目外，还具有接收、识别、解码和输出重建3DTV信号的能力。新生产这类接收器时，还应使输出音视频信号的高清多媒体接口达到1.4a版本（HDMI V1.4a），这样在其配接达同样版本HDMI接口的3DTV显示器时，显示器可自动切换2D/3D显示模式，否则需要用户手动切换。

对只需以2D形式收视3DTV广播节目的用户，可用认知型帧兼容平面立体电视接收器或接收机。这种接收设备能识别3DTV信号，解析3DTV描述符，并将解码的左视图上变换为HDTV图像格式，输出节目内容兼容的2D电视信号或重显2D图像，当然重显图像的分辨力未达HDTV标准。

如上文所述，常规HDTV接收器或接收机对帧兼容平面立体电视为非认知型。它们不能识别和解析帧兼容平面立体电视业务，也不能正确提供3DTV视频节目的2D版。服务于这些已有HDTV用户，若原接收器或接收机可软件升级，或为之开发附加装置，则有可能获得对3DTV的某种程度兼容性。

由于需求和设备的多样性，上述电视接收、显示设备的搭配会出现多种情况。

3 档次和级别

图4为国际电信联盟2011年11月发布的ITU-R BT.2160-2报告中对3DTV信号格式发展途径的判断[2]。图中，横坐标为档次（代），从左至右提高；纵坐标为兼容性级别，从上到下对2D HDTV的兼容性逐级提高。笔者特别提请注意的是，“兼容性”是对信号而言，请不要等同于对业务（内容）兼容。

图4划分的立体电视档次表明，立体电视将从需戴立体眼镜的第一代单视点立体视，发展为无需眼镜并允许头部在较大范围内移动的第二代多视点，再达基于全息成像技术的第三代自然视。

对现有HDTV终端设备兼容性最高的3DTV信号格式是第1级。常规HDTV STB和2D显示器可接收和解码该级3DTV信号，佩戴相应的左右眼互补色眼镜，可分离左右视图，它们靠眼睛的生理功能和大脑中视神经的融合能力，可产生立体感。这种级别的3DTV信号属显示兼容级（CDC），其重显的立体图像在亮度、清晰度、色域等方面较差。

第2级为帧兼容级（CFC），本文第2，3节所述帧兼容平面立体电视即属这级。如前所述，传输该级3DTV信号的系统，左右视图源图像的分辨力均为高清，终端分解并排帧，上变换后的重显左右视图虽达不到高清分辨力，但为高清格式。

第3级左右视图占用的频谱兼容常规高清，是第2级的扩展，增强了视图下变换所损失的信息。该级3DTV信号需用相应的STB和显示器解码和显示，是帧兼容兼容级（FCC）。

第4级是常规高清业务兼容级（CSC）。第一代第4级的左右视图均完整，需相应STB和显示器解码和显示，但常规STB可解码部分码流，获2D图像。第二代第4级信号需用可解带深度等增强信息并能解第一代第1，2，4级信号的STB解码，显示需用多视角立体显示器。

4 结束语

自然界景物存在于三维空间，人类视觉可感受立体世界，电视科技工作者多年来致力于构建三维电视系统。2012年春节我国3DTV试验频道终于开播，标志3DTV在我国开始进入实用化阶段。这对提高电视节目的观赏性、促进3DTV节目制作和发展3DTV产业等，均具重要意义。

试播频道播出帧兼容平面立体电视。该系统将水平下变换的左右视图按SbS方式拼接成HDTV画面格式，在常规HDTV通道以很高的兼容性传输。在终端，左右视图按时间分割或空间分割方式，显示于同一平面，靠佩戴相应的眼镜，使左右眼分别看到左右视图，诱发立体感。

实验频道的兼容性主要体现于图像格式和传输信道，原有HDTV接收设备不能兼容接收其播出的节目，好在国内常规HDTV接收设备数量还不多。但实验频道播出的左右视图均非HDTV分辨力，尚处3DTV发展历程的低档次，今后仍存在3DTV设备及设备组合以及与3D蓝光DVD等周边技术和设备的兼容问题，应及早考虑赋予终端产品较强的升级能力。

帧兼容平面立体电视系统基于双目视差构建，借助两眼的生理功能、大脑的融合能力和视觉经验积累等产生立体感。目前对立体视觉机制研究尚不充分，电视系统难以从工程上加以模拟，更难适应广大观众个体间在生理、心理和神经活动等方面的差异，在相当长的时期内难以摄制和制作适合不同人群、众多观众长时间观看的3DTV节目，今后长时期内，2D电视节目依然会是电视节目的主流。笔者认为，在节目制作、观众接受程度和设备兼容等方面，对发展3DTV广播事业，既要积极，又需理智。