2009年11月,ITU-R发表了“Featuresofthree-dimensionaltelevisionvideoforbroadcasting”的报告,为3DTV发展路线图提出了建议。2011年初,DVB发布了“Digitalvideobroadcasting;Framecompatibleplano-stereoscopic3dtv”(简称DVB-3DTV)的规范,为目前3DTV的发展提出了详细的技术建议,这两个文件必将为世界3DTV的发展作出贡献。
一. ITU-R3DTV路线图
1. ITU-R3DTV路线图:如图1所示。

图1 ITU-R 3DTV路线图
从图中可以看出,横坐标表示3DTV的”代”,纵坐标表示3DTV的“级”,有点象MPEG-2中的“类”和“级”。
2. 3DTV的三代
第1代立体电视系统:传输两路画面,分别用于左右眼的观看,所传输的视觉信息中只包含有一种视差效果。第1代系统基于stereoscopic显示技术,主要包括偏振光立体显示方式以及主动快门式显示,第1代立体电视系统四个级都已填满,并且很多技术都比较成熟,但技术概念很多,如CDC、CFC、FCC、CSC等,我们将在后面加以解释。
第2代立体电视系统:传输多个视角的多路画面,因此提供了多种视差效果。第2代系统基于autostereoscopic显示技术。第2代立体电视系统将比第1代的技术质量高,观看效果好,目前正在研究和提高质量之中。
第3代立体电视系统:是全息影像系统。第3代系统基于object-waverecording(holography)等全息成像技术,其原理已与前两代完全不同,是一种理想的立体电视系统,该系统研究历史已很长,但要达到3DTV播出和家用,还有漫长的路要走。
二.帧兼容(ConventionalFrameCompatible,缩写为CFC)
1. 帧兼容概念
帧兼容是一个重要概念,是目前第1代立体电视系统经常接触的术语,所以先加以解释。
假设目前我们已经进行HDTV广播,那么从传输通道到家庭的机顶盒都已有,当然传送的HDTV的“帧”格式已确定,如我国为“1920X1080”。
现在要播出3DTV,它具有两个L、R码流,既两个HDTV码流,用现在的传输一个HDTV码流的条件,是无法完成的。如果用全新的方式来传输3DTV两个L、R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的传输HDTV的条件来传输3DTV。最好的办法是把3DTV两个L、R码流,变成一个HDTV码流,换句话说,把3DTV两个L、R帧变成HDTV的“帧”格式,达到以假乱真的效果。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,就可收到3DTV啦。你说电视台、运营公司与用户是不是都OK呢。
2. 几种方式
说了半天,可能有些人还未搞懂,好,我们举几个例子。
(1)sidebyside方式
这是目前帧兼容系统使用最多的一种方式
请看图2。这是目前HDTV的记录与显示方式,而图3是帧兼容3DTV的记录与显示方式,L、R两副图像经变换后各占HDTV帧的一半,变成了HDTV的一帧。


图2 HDTV“帧” 图3 “帧兼容”3D
为了更详细的了解,请看图4、图5。

图4 side by side 方式示意图

图5 (a)1080P(b)1080i
从图3、图4、图5宏观与微观两个层面可以清楚的看出sidebyside的机理。但它缺点也是明显的,L、R两路图像的水平清晰度减半。
(2)Top-and-Bottom(有时也叫upanddown;aboveandunder)
看图6、图7

图6 Top- and- Bottom 示意图

图7 720P50的Top-and-Bottom
从两图中可以看出该方式的奥妙,但也看出该方式的的缺点,L、R两个图像的垂直清晰度减半。看来帧兼容是要付出代价的。
从目前广播的3DTV来看,以英国的BSKYB为首采用1080i的sidebyside方式,以美国ESPN为首的采用720P的Top-and-Bottom方式。
文章开始提到的欧洲DVB提出的DVB-3DTV就是以帧兼容的3DTV系统,它对帧兼容视频格式、3DTV的信令(signalling)和立体字幕都作了详细的规范。从此可以看出第一代的3DTV多以帧兼容系统为主开始。
三.显示兼容(ConventionalDisplayCompatible,缩写为CDC)
1.CDC
刚才我们讲了CFC,虽然目前3DTV广播第一代应用较多,虽然用户家中机顶盒可以不换,但显示器要换成3D电视机。有没有连电视机都不换,用目前的电视机就可以收看3DTV的节目呢?有,这就是显示兼容CDC。
2.“anaglyph”的色分法3D
从立体电影开始,就伴随一个叫“anaglyph”的色分法3D,运用到电视的基本方法是用两部镜头前端加装滤光镜(如红、蓝)的摄像机去拍摄同一场景图像,在彩色电视机的屏幕上显示的是两副不同颜色的图像相互叠加在一起,当观众通过相应的滤光眼镜观察时就可以看到立体电视图像。这种立体电视成像技术兼容性好,在目前的电视技术体制下容易实现,甚至连电视机都不换,用户只需一副很便宜的红蓝眼镜就可以了。但存在的问题也十分明显:由于通过滤光镜去观察电视图像,相当于“戴有色眼镜看世界”,彩色信息损失大;同时彩色电视机本身的“串色”现象引起干扰,左、右眼的入射图像不一致,易引起视觉疲劳。虽然这种方式的研究成果很多,收看效果不断改善,但作为已进入HDTV的今日电视,使用这种方法是不推荐的。在3DTV启动阶段,象山东齐鲁电视台播出《吴承恩与西游记》就采用这种技术来看,它还是有一定价值的,但它在电视广播中是没有出路的。目前在电影、互联网、PC机和蓝光盘的立体显示中仍有广泛应用并还在不断发展。
四.帧兼容的兼容(FrameCompatibleCompatible;缩写为FCC)
FCC是Level2的CFC扩展,并兼容Level2CFC信号,因此ITU-R称此级别为Frame-CompatibleCompatible(FCC)。
第1代Level3级别立体电视信号是在第1代Level2信号的基础上迭加增强信号而形成。增强信号用于补全由于画面下采样所损失的频谱信息。该级别信号需采用新的机顶盒及显示设备进行解码显示,但该级别信号兼容第1代Level2信号。如果把它的信号作为基本层,把增强信号作为分辨率增强层则与可伸缩视频编码的概念吻合,所以可采用H.264SVC标准进行编码。如图8所示。在接收端,基本层可由H。264/AVC解码器解码,实现向下兼容;SVC解码器解出增强层信号,供立体电视机收看。

图8 H.264SVC编码[page]
五.服务兼容(ConventionalServiceCompatible,缩写为CSC)
1.服务兼容
前面谈了三种兼容,但有一个很重要的兼容没有谈到,这就是CSC。在电视的发展过程中,最有名的兼容就是彩色电视要与黑白电视兼容,即黑白电视机可收到彩色电视的亮度信号。目前的CSC具有与传统2D(2DHDTV)兼容的功能,即2DHDTV电视机可收到立体电视的信号,但它是一个左眼或右眼的2DHDTV的信号。这是2D向3D电视过渡中一个非常重要的步骤。
由于CSC兼容传统2D电视业务,因此ITU-R称该级别为服务兼容。
服务兼容的立体电视信号是用于左右眼观看的具有视差效果的两路完整画面。该级别信号需采用新的机顶盒及显示设备进行解码显示,同时兼容传统2D电视信号。传统机顶盒可以解码该级别信号的部分码流,获得两路画面中的一路。
那末为完成第1代服务兼容的立体电视信号怎么实现呢?目前可采用MPEG-2MultiviewProfile或H.264MVC标准。这些编码的基本思路是,对左视(或右视)画面进行传统编码,而右视(或左视)画面可以进行视间预测提高编码效率。当然完成第1代服务兼容的立体电视并非MVC编码一种。
2.目前服务兼容的系统
(1)MVC方式
作为立体电视,它是有两个角度的摄像机拍摄同一个画面或景物,因此这两个左、右图像有很多相似性,前几种兼容方式并没有考虑这种相似性。
MVC(multiviewvideocoding)方式,叫多视角视频编码方式,充分利用立体电视L、R信号相关性的编码方式,如图9所示。
MVC的基本思路如图所示。红箭头表示视角间预测,即以摄像机1(VIEW0)为参考实行的视角间预测。黑箭头表示具有I、B混合的空域预测。
MVC是对MPEG-4AVC/H.264进行的3D扩展,其主要方法:(1)基于MPEG-4AVC/H.264降低空间冗余和视点间相关性;(2)采用时域、视点间联合预测技术;(3)时域、视点间的分层B帧使用;(4)随机访问技术。

图9 MVC压缩编码
这种MVC压缩编码的特点是:
a、利用时域、视点间联合预测技术可降低立体电视码率;
b、由于VIEW0为一般H.264压缩的HD信号,可实现与2DTV的兼容;
c、利用多视角的特例(M=2),所以归类于第一代,并且比较容易实现。
(2)3D并列显示格式
为了满足3DTV市场需要,欧洲意大利广播公司已尝试用“3D并列显示格式(3DTILEFORMAT)进行3DTV广播,从而开创了世界3DTV广播的新局面。
该格式通过DVB-T标准,在一个1080p/50高清信号帧内把两个720P信号(左、右眼信号)装了进去,如图10所示。

图10 3D并列显示格式
从图中可以看出,首先一个720P的图像(如L图像)不作任何改动,仅对R图像作改动。将L图像原封不动的放入到图10所示的1080P的框架内,另外将R图像分割成三部分,即图中的R1、R2和R3,最后把R1、R2和R3装在1080P的框架内。
在用1080P进行“包装”后,再进行H.264压缩编码,形成一个TS流,就可以按在目前的DVB-T框架内进行传输。在接收端用高清机顶盒解码器可解调出720PL信号,供2D高清电视机显示,从而实现3D与2D的兼容;另一个分成三部分的R图像,在H.264编码时,利用H.264类似的“SEI”功能(DVB称为signalling),就能引导立体电视机顶盒中的解码器正确的解调出R图像,从而与L图像一起显示出3D图像。
显然该格式有以下优点:
a.L图像在1080P的“包装”中保持不变,目前的高清机顶盒(1080P可把它解调过来供2D高清电视机显示,保证3D向下2D兼容,这是一个非常好的办法;
b.利用一个高清传输频道(DVB-T)可传输一套立体电视信号,这有利于立体电视广播的低成本。
c.立体电视L、R两个图像是全高清信号(FULLHD),保证了立体电视的高质量。
从这种方式可以看出,完成第1代服务兼容的立体电视并非MVC编码一种。
(3)第二代服务兼容
从ITU-R3DTV路线图中,第二代3DTV唯一有一个第四级服务兼容立体电视,可采用H.264MVC压缩编码,它与第一代服务兼容有何不同呢?请看图11。

图11 MVC压缩编码
图11是一个五个视角的MVC示意图,可与图9进行比较,那是一个两视角的系统。虽然压缩编码都使用MVC,但从属于不同的“代”,因为第一代为两视角的代,第二代是多视角的代,但立体观看效果是不一样,更适合家庭或多人收看。