3D演播室视频系统设计

【摘 要】 以中央电视台新址唯一的3D演播室——E16演播室的视频系统设计为例，结合3D电视成像的关键技术和3D影像拍 摄的基本方法，详细阐述了3D演播室视频系统设计思路和具体实现方案。

【关键词】 双眼立体视觉；并发拼合方式；双链路；3D拍摄支架；3D QC检测

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.012

【Abstract】This study is based on the video system design of the sole 3D television studio in the new headquarters of China Central Television， the Studio E16. This article introduces the fundamentals of 3D TV imaging system and presents the basic approach to 3D filming. It provides a thorough explanation of the design theories for a 3D studio video system and the detailed implementation plans.

【Key Words】binocular stereopsis； Side by Side； Dual-link； 3D RIG； 3D QC checking

电影《阿凡达》上映后，这部只有透过3D眼镜才能感受得到蓝色风情的影片点燃了全球3D影视的激情。直至今日要想取得好的票房，无论是大制作还是小成本电影都争相出版3D版。与3D视频技术在电影中的普遍应用不同，3D视频技术只在近年才在电视领域有了长足的发展。作为新技术应用的排头兵，中央电视台在新址49层E16演播室开辟了全台唯一的3D演播室。

1 3D电视关键技术

1.1 3D立体视觉

人类的立体视觉分为单眼和双眼两种。双眼立体视觉的第一个描述参数是会聚角，当观看近距离物体时双眼视线向内侧会聚，大脑通过左右眼视线会聚角度得到空间深度信息，如图1所示。

双眼立体视觉的第二个描述参数是视差。由于人的两眼之间存在距离，左右眼看到的图像是不同的，正是通过这种差异人脑才能获得空间深度信息，从而产生立体视觉。

1.2 摄像机垂直排列

在演播室进行3D影像拍摄时，两台摄像机的排列方式选择垂直式排列。

要实现两台摄像机之间的垂直式分布，需依靠垂直型3D支架。两台摄像机以90°的垂直夹角方式安装在3D支架上，通过一片特殊玻璃的折射，将进入的光线分离，一路透射给水平放置的摄像机，而另一路垂直折射给垂直放置的摄像机。采用3D支架可以实现两台摄像机在机身不接触的情况下，任意调整双机的间距大小。当两台摄像机在同一条垂直轴线上，即零点位置，即可实现双机影像重合。离开零点位置，就可以形成不同的轴间距，从而在拍摄时双镜头摄取到带有视差的影像，获得3D效果。

2 E16演播室视频系统综述

2.1 视频系统架构

3D演播室的视频系统设计是在普通2D演播室设计的基础上加入了3D层的系统设计，与2D层并行组成完整的视频系统，如图2所示。由于篇幅所限笔者只对3D层进行阐述。

2.2 信号传输链路

E16演播室视频系统内所有信号均为 Dual-Link（双链路）的左右眼信号，系统外的输入输出信号均为1.5 G Side by Side（并发拼合方式）高清信号。主控送来的1.5 G Side by Side高清信号通过演播室内的解码器，解码为Dual-Link信号后进入切换台、矩阵、画面分割器、视分、监视器等设备，在演播室视频系统内经过处理后输出Dual-Link信号给末端编码器，编码成1.5 G Side by Side高清信号送往台内总控机房。

E16演播室的PGM信号经过音频加嵌处理之后编码成1.5 G的Side by Side信号以光缆传输方式经台内总控系统送往播出系统，Side by Side信号为左右拼接的1 920×1 080 50i信号，幅型比为16：9。在播出系统内采用H.264中的HP@ L4信源压缩编码方式将视频信号进行压缩，压缩后通过卫星传送至全国各地的有线网，用户在家中通过数字高清机顶盒接收Side by Side信号，再通过具有3D功能的电视机配合3D眼镜来收看3D电视节目。传输链路如图3所示。

3 3D层系统设计方案

3D层的设计是3D演播室不同于传统演播室设计的重要部分。根据各部分功能的不同，3D演播室视频系统的3D层的系统主要包括3D信号采集、3D信号调整、3D切换处理和3D QC检测四个部分，3D层的系统结构如图4所示。

3.1 3D信号采集

3D信号采集主要是指视频系统内的3D摄像机对演播室景物和人物的拍摄。

根据前期对台内不同类型3D节目录制需求的调研，结合E16演播室演播区面积只有150 m2的实际情况，确定了为E16演播室配置3信道的摄像机。

由于E16演播室是中央电视台新址第一个也是唯一一个3D演播室，在摄像机方案的设计上更多地偏重于实验目的，即通过E16演播室摄像机的试用来对比各种3D摄像机方案的优缺点，同时考虑到减少设备费用的因素，最终在3信道摄像机的选择上采用了两种方式：其中两信采用SONY TD-300 一体式3D便携摄像机，每台TD-300作为一个完整独立的3D信道来使用；另一个信道采用了2台2D摄像机安装在一个3D RIG（3D拍摄支架）上，既可以实现水平排列也可实现垂直排列的方案。

3.1.1 一体式3D摄像机

一体式3D摄像机将两个镜头、两个摄像单元以水平并列的方式安装在一个机身内，镜头间距不可调，但它具备视差调整等功能，其外观、重量、体积和操作方式与普通2D摄像机相似，实际上它是一款3D ENG（Electronic News Gathering，电子新闻采集）设备，通常用于室外移动拍摄。

之所以把一体式3D便携摄像机作为演播室备选摄像机方案的一种，主要是因为它与3D支架摄像机相比有自身的特点。由于3D支架的体积较大，设备成本较高，且移动性相对较差，而3D演播室内相当一部分节目都有移动机位的需求，单纯靠3D支架式摄像机无法满足需求，而一体式3D便携摄像机就能很好地解决这个问题。而且它在前期基本不需要太多调整和误差矫正，可以提升制作效率。如果配备电池和存储介质，它还可在演播室和外拍之间灵活使用。

3.1.2 支架式3D摄像机

对3D节目的制作而言，如果节目对机位的移动性要求较低而对画面质量要求较高，双机位支架式3D摄像机就是最佳的选择方案。双机位支架式3D摄像机方案就是2台独立的2D摄像机以水平或垂直的方式安装在3D立体支架上进行拍摄。这种方式可以通过3D立体支架对摄像机位置的精密调整来控制拍摄间距和会聚角。它可以选择小体积、高质量的广播级摄像机，而且可以根据节目需要更换镜头，成像质量很高，通过支架还可以精确调整摄像机夹角，让3D拍摄立体效果更加真实。但它的安装调试时间比较长，操作起来比较复杂。

3.2 3D信号调整

在3D信号的制作过程中，3D信号调整和3D QC（Quality Control，质量控制）检测是两个必不可少而又相辅相成的环节。3D信号调整简单地说，是将两个2D摄像机组成的3D摄像机信道拍摄出来的信号进行各种3D参数调整，以获得良好的3D效果。这和传统虚拟演播室的虚拟设备对摄像机信号进行再处理的过程类似。

3D信号调整主要包括3D支架调整和安装在MPE-200多画面处理器上的软件调整两部分。

3.2.1 3D支架调整

E16演播室的节目制作中有很大一部分都是直播。为了适应电视直播工作快速便捷的需求，要求整个3D支架系统安装快捷而简便。因此在E16演播室3D支架选型时选用了KRONOMOV的 IN3D RIG调整系统。

在3D支架安装结束后，首先必须通过调整来达到双眼影像的一致性。

以垂直支架为例，当2台摄像机安装完成后，从镜箱正面观察玻璃上反射出的两支镜头的投影，如果两支镜头的投影上下左右前后完全重合，则不需对3D支架做调整；如果不重合则需采用物理手段，调整2台摄像机的前后位置和俯仰、高低位置，获得基本重合效果，此时3D支架的基本调试完成。

3.2.2 3D软件调整

当3D支架基本调试完成后，需要使用MPES-3D01软件对其他参数做进一步调整，主要调整参数如下。

（1）镜头光轴校正

理论上，镜头在推拉变焦过程中，镜头光轴应稳定保持在画面中心不变，但在实际操作过程中尤其是变焦镜头经常会出现光轴中心漂移。对于3D拍摄来说，两支镜头的光轴如果在变焦中出现位置偏移，会导致双眼看到的影像出现垂直误差或者不正常的水平视差，造成观看不适感。由于广播级镜头本身并不具备光轴自我校正能力，所以这个环节通过MPE-200的MPES-3D01调整软件，以数字的方式，对于镜头光轴进行补偿。

如图5所示，为了拍摄出正确的3D画面必须保持镜头光轴始终在画面中心。

当镜头推到最长焦端后，通过拍摄测试卡中间的十字标记，将光轴中心（打开寻象器中间的十字标记）对准测试卡中心十字，然后慢慢拉开，在MPE-200的MPES-3D01调整软件上通过画面放大可以仔细检查光轴是否出现偏移，如果发现偏移，通过数字调整参数可以补偿偏移量，将光轴移回画面中心。由于MPE-200可以读取到来自前端摄像机传回的镜头MetaData（元数据）信息，所以可以准确获取当前镜头的焦距，通过标记可以将此调整值记录在对应的焦距位置上。通过这种方式，当镜头从最长焦拉开到最广角的过程中，就可以绘制出一条镜头光轴的偏移补偿曲线。保存后在拍摄时打开，就可以对当前拍摄画面的光轴偏移问题进行实时补偿，确保两支镜头的光轴始终保持在画面中心点。

（2）垂直误差校正

在确保光轴能够维持在画面中心后，通过镜头推拉变焦，检查左右眼画面是否在水平方向高低完全重合，如不重合就说明存在垂直误差。根据MPE-200的监看画面可以准确读取到当前画面的各种误差值。

（3）轴间距和夹角调整

3D立体效果通过两个元素来实现，一个是左右眼摄像机的轴间距（IAD），轴间距决定了立体空间的画面深度（DEPTH）；另一个参数是左右眼镜头的夹角，即会聚（CONVERGENCE），会聚决定了整个立体空间与屏幕的位置关系，即物体出入屏的状态。

在E16演播室视频系统中，使用了KRONOMOV的 IN3D RIG与索尼MPE-200联合控制的方案，即可通过摄像机（HDC-P1 使用光缆适配器HDFA-200）将支架的会聚和轴间距调整控制信号由前端通过光缆传回到MPE-200上，这样操作人员就可以在导控室后端监看MPE-200的波形提示，来直接遥控前端支架完成动作。

3.3 3D信号切换

3.3.1 3D视频切换台设计方案

考虑到3D演播室不同于传统演播室的制作特点，E16演播室选择了SONY MVS-7000X多格式切换台系统，该切换台设置在3D工作模式下能够支持3D节目制作，设置在2D模式下也可当做普通切换台使用。

在3D制作过程中，送入切换台进行切换制作的信号均为Dual-Link信号，因此左右眼Dual-Link信号在切换面板上只能设置成一个切换按键，这样左右眼Dual-Link信号才能实现同步切换，同时也方便导演完成切换动作。在开启3D模式后，可以将左右眼信号链接成一路信号并分配到交叉点按键上，此时只需按一个键就可实现左右眼Dual-Link信号的同步切换。当3D视频的左眼和右眼信号结合不正确时，可以方便地使用菜单操作进行更改。

3.3.2 系统内信号传输方式

在E16演播室系统设计初期，对其内部和外部信号传输格式做了深入的调研，在参考了传统演播室和国内外其他3D演播室的设计经验后，形成了两种方案。

方案一：演播室系统内、外所有信号均采用Dual-Link方式进行传输。

方案二：演播室外部信号采用1.5 G Side by Side高清信号传输，演播室系统内采用Dual-Link方式进行传输。

最终在综合考虑了E16演播室与现有外系统之间的连接现状以及保证系统内信号传输质量和连线简洁明了等因素后，采用了方案二。首先，如果演播室内部信号的采集及制作均是以Dual-Link方式进行，保证信号传输不压缩，信号质量在制作过程中是无损的。另外，如果所有从总控送来的外来信号和送往播出系统的PGM信号均采用单路1.5 G Side by Side HD-SDI信号进行传输，完全兼容现有2D高清信号播出系统，E16演播室与播出和总控系统间已铺设好的电缆不用增加或更换；同时，对台内播出系统的变动也较小，只需在播出系统增加3D字幕机、3D信号监测等设备即可完成3D电视节目的播出。

3.4 3D信号QC检测

前文中已经提到，在3D节目的制作过程中，3D信号调整和3D QC检测是两个相辅相成的过程。信号在经过3D调整处理后，只有在视频系统PGM输出端增加QC质量检测环节，进行实时检测和调整，才能获得合适的可以用于现场直播的3D信号。有不少人看了3D电视后觉得头晕，主要是因为某些3D图像的技术指标不符合要求，3D QC检测的作用就是为了减少这种不适感的产生。

3.4.1 3D QC工位的设置

值得注意的是，与2D制作不同，在3D演播室的工位布局设计中有一个特殊的工位叫3D QC检测工位，这个工位靠近导播和导演。 3D质检师可以称为3D技术总监，需要对3D效果进行设定并对前端的3D调整人员提出指导。3D质检师在和导演密切沟通后判断最终的3D节目是否严格符合立体安全的要求，确保观众观看的舒适性。

3.4.2 3D QC检测基本原理

3D QC检测是3D信号制作环节中至关重要的部分。E16演播室3D QC检测主要通过安装在MPE-200中的MPES-3DQC1软件来实现立体信号的全程数据分析和评判。

在3D拍摄过程中会产生各种误差，如取景过程中会产生颜色误差、光轴误差，会聚调整过程中产生的精度误差，两个镜头在RIG支架上调整时产生的图形扭曲、旋转误差、变焦误差、位置误差，这些误差会降低拍摄出来的图像质量，并且会产生3D会聚不明显从而导致3D立体效果不明显等问题，这些问题会极大地影响拍摄质量。

3D QC检测系统就是通过软件来监测这些问题并通过3D调整软件MPES-3D01作出相应调整来解决这些问题。MPES-3DQC1软件主要检测以下信息。

（1）立体深度的安全和合理性

3D QC检测的一项重要功能是可以实时显示整个节目切换过程中的深度变化曲线，即镜头切换是否存在深度跳跃，只有在3D QC的监看画面中才能获取到整个节目时间线变化的深度曲线。如果画面深度出现大范围跳跃就可能导致观看者出现不适感。

（2）误差判别

主要包括镜头焦点一致性、画面亮度与色彩一致性以及垂直、旋转和焦距误差。所有误差类型都可以以数据图形显示，也可以在3D立体输出影像中直接在错误位置用示意箭头或者方框显示。

根据前期的使用经验，通常3D QC有两种使用模式：一种是直接读取PGM信号，作为最终质量检验；另一种是通过矩阵切换面板，自由选择信号源，由3D技术总监根据实际情况更有针对性地选择需要监看的画面内容，以确定该段视频信号的图像质量能否达到播出质量。

4 总结和展望

4.1 经验总结

在E16演播室的设计、调试和运行过程中，总结了一些经验。

（1）必须保证不同类型摄像机延时的一致性。在使用支架式摄像机时，由于摄像机在通过RIG支架后有4帧延时，而另外2台3D一体机没有延时。为了让3台摄像机拍出的主持人口形一致，对2台3D一体机的输出信号进行了相应延时，保证3台摄像机的一致性。

（2）先解嵌还是先解码的问题。由于E16演播室内部信号传输采用了Dual-Link方式，而主控送来的外来信号是Side by Side格式，视频信号在经过周边板卡解嵌后会有一定的相位延迟，如果先将外来信号解码成Dual-Link信号后再将左眼或右眼信号的其中一路进行解嵌就会使左右眼信号产生相位差，所以采用的方案是先将Side by Side信号中的音频信号解嵌出来送往音频系统，然后再将Side by Side信号解码成Dual-Link信号，这样就能有效规避Dual-Link信号在传输链路中左右眼信号之间产生的不同步现象。

4.2 3D视频技术展望

由于裸眼3D技术发展尚不成熟，观看3D电视仍需佩戴3D眼镜，舒适度还有待提高等原因，目前3D视频技术的发展并不是一帆风顺；加上现有的3D电视片源依旧稀少，因此3D演播室的设计和建设依旧得不到普及。但随着裸眼3D显示设备等3D视频技术的发展，以及3D电影行业日益普及的带动效应，有理由相信3D电视技术仍然存在发展空间，希望E16 3D演播室视频系统的设计会为以后3D演播室的设计者提供良好的借鉴和有益的参考。

作者简介：

陈格平，男，1973年生人，工程硕士，中央电视台播送中心高级工程师，主要从事演播室视频系统设计和运行工作。