立体电视技术的原理、发展及现状

作者：杨延宁 张威虎 董小友 曹刚

欢迎访问e展厅 展厅 1 电视机/机顶盒/投影机展厅 数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机... 随着数字技术的应用，某些影视作品的特殊场景经过数字技术的录音合成（比如数字丽音），观众可得到一种身临其境的现场感，相比较而言，各类电视接收画面的清晰度虽说也有了大幅度的提高，但视频技术产品仍停留在二维画面，很少见到三维画面产品。立体电视技术是现代电视技术进入21世纪后“立体化”、“高清晰度化”、“数字化”3大发展方向之一，本文讨论立体电视技术及其进展情况。 1 立体电视技术原理 立体电视又称为三维电视（3D TV），准确的术语应该是“Stereoscopies Television”，它与现行电视的主要区别是，现行电视只传送一个平面的信息，而立体电视传送的是物体的浓度信息，立体电视与立体电影的原理大体相同，它也是利用人眼的立体视觉特性来产生立体图像的。 人眼的立体视觉特性是立体电视与立体电影的共同基础。人类在观看周围世界时，不仅能看到物体的宽度和高度，而且能知道它们的深度，能判断物体之间或观看者与物体之间的距离。这种三维视觉特性产生的主要原因是：人们通常总是双目同时观看物体，而由于两只眼睛视轴的间距（约65 mm），左眼和右眼在看一定距离的物体时，所接收到的视觉图像是不同的，因而大脑通过眼球的运动、调整，综合了这两幅图像的信息，产生立体感。在单用左眼和右眼观看物体时，所产生的图像移位感觉就叫视差。理论分析可知，在没有任何工具的情况下，人眼可看到立体物体的最远距离不超过1 km。由经验得知，人的立体视觉还不是绝对靠视差，一只眼睛的人同样能判断物体深度和距离，他们主要是靠光线明暗、物体的相对尺寸、清晰程度、运动速度等来进行判断的，把眼球视线凝视于一点或一小区域后，利用眼睛上下左右转动来对物体上下、左右、前后扫描观察，以便使物体能在眼球运动、肌肉做功过程中，获得多幅稍有差别的物体图像信息，通过长期以来所积累的观察事物的经验进行判断等就足可获得立体感，由此可见，两只眼睛观察观看同一物体的视觉信号，可以获得立体感，而用一个眼睛对同一物体从两个稍有差别的观察点来获得图像信息，也能使人获得立体感。 立体摄像机具有两个镜头和两个摄像器件，用来代替人的两只眼睛摄取图像，两个镜头之间的距离及其光轴之间的夹角和距离必须模仿人的两个眼球动作，随着拍摄物体的距离变化不断进行调整，以使拍摄的两个图像的视差与人眼直接观看的视差相同。立体摄像机输出的左右两个图像信号需用2个通路传送到显像端，一般不能简单地用一个频道传送一套立体电视节目，必须采取频带压缩或码率压缩等方法才能用普通电视频道传送立体电视节目。立体电视的显像端必须分别显示左右两个图像，并确保左眼只能看见左眼图像，右眼只能看见右眼图像。 2 立体电视的实现方式 根据人眼的立体视觉的特性，实现立体电视的方式也对应为两大类：一类是利用两眼的视差特性，使一对视差信号的两幅图像同时出现在屏幕上，让两眼分别观看这两幅图像来获得立体感觉；第二类是利用一只眼睛也能获得立体感的特性，将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，从而获得立体感觉。 2.1 第一类立体电视 第一类立体电视利用了人的两眼的视差特性来实现立体电视，其方式主要有：色分法、光分法、时分法和全息电视法等。方式虽然各异，但其基本出发点相同，而且做法大体相似：在发送端用两台摄像机，模拟人的左、右两眼进行摄像，产生一对视差图像信号，编码成一路信号进行传送。接收端解码成两路信号，在屏幕上同时显示两幅图像，由人的两眼分别观看，从而获得立体感。 2.1.1 色分法 这种方法又叫补色法，在接收机荧屏上用互补的两种颜色分别显示出供左、右两眼分看的图像，例如送到左眼的图像只有品红色，送到右眼的图像只有绿色，观看时要戴有色眼镜，使左眼只能看见品红色图像，右眼只能看见绿色图像，在大脑中融合成一个彩色立体图像，用这类色分法传送立体电视图像信号时，可以在一个电视频道内传送一套立体电视节目。 2.1.2 光分法 将用于供左、右两眼观看的图像分别用偏振方向正交的两个偏振光投射到人眼，观看时戴上一副通透过偏振光的眼镜，使两眼分别看到各自所需的图像。显示器可用两个显像管组成，在每个荧光屏前加一块只能透过一个方向偏振光的极化板，两个荧光屏的夹角为90°，它们发出的偏振光通过与两个荧光屏都成45°角的半反射镜投射到观看者的眼镜上，或者在两组电视投影管前分别加一块极化板，用互相垂直的偏振光向同一个屏幕上投射出左右两眼的图像，这是戴眼镜观看方式中图像质量最好的一种方法，但观看时不能歪头。 2.1.3 时分法 时分法以一定速度轮换地传送左右眼图像，显像端在一荧光屏上轮流显示左右两眼的图像，观看者需戴一副液晶眼镜，眼镜用一个与发送端同步的开关控制，当左眼图像出现时，左眼的液晶透光，右眼的液晶体不透光；相反，当右眼图像出现时，只有右眼的液晶透光，左右两眼只能看见各自所需的图像。 2.1.4 全息法 全息法是一种采用全息摄像的三维立体电视技术，播放这种运用全息摄像技术制作的电视节目，一家人可以从各个角度看立体电视，甚至围成一个圈看电视，想象一下电视画面上的一个活灵活现的人物在屋子中间奔跑跳跃，那是多么令人激动的场面，这种技术尚处于研究阶段。 2.2 第二类立体电视 1982年美国南卡罗来纳大学根据一只眼睛也能获得立体感的特性，提出一种新型的立体电视制式。在发送端也是利用两部摄像机获得一对视差图像信号，用一条信道以适当速率顺序地交替传送。在接收端使这一对视差信号所形成的两幅图像，按发送端传送的顺序，先后轮流地出现在屏幕上，人眼就能看到立体彩色图像。这种制式，在接收端不需要附加任何装置，用普通彩色电视机就可以看到立体彩色图像。为了实现这种立体电视，只需要在电视台进行必要的改造和添置若干装置，与千家万户的电视机无关，看来这是一种很有发展前途的新体制。 3 立体电视的发展现状 德国国际电子公司(TEL CASTINTERNATION)托马斯·侯亨赖先生发明了当今世界上最成功的全真立体电视技术，目前已在世界上50多个国家和地区得到了成功的推广和运用，并带来了巨大的商业利益。美国在第二类立体电视的研制方面走在了前面，我国对立体视频技术的研究也已有20年的历史，1999年在深圳高新技术交易会上，国内有4家单位进行视频立体显示技术的展示：天津三维技术公司、天津长城电视机厂、中国科技开发院威海分院、深圳万历投资公司。这些厂家产品的主要技术原理是把用两架摄像机在不同视角拍摄的图像，存成上下两幅显示，再佩戴左右切换的液晶眼镜观看立体效果。目前国内有十几家地方电视台播出使用这种技术的立体电视节目，北京电视台几年前也曾播出过，国内还有不少地方将这种技术用于影视厅。 北京紫金全真立体影像科技发展有限公司从德国引进了全真立体电视技术这项高科技成果，并获得中国独家专利拥有权。全真立体电视技术克服了传统双机或多机拍摄方式画面重影模糊的难题，可拍各种各样题材的节目，与各种制式的电视技术完全兼容，可以直接上播出线，观众用现有的电视机加“紫金全真立体眼镜”即可欣赏精彩的立体节目。用全真立体电视技术制作的节目具有很强的景深立体效果，画面中景物富有层次与空间感，画面透明、细腻，画质优良。 4 立体电视存在的问题 由于技术本身的局限，观众必须佩戴专用眼镜观看节目，限制了观众的自然感受。由于节目制作的成本较高，节目源很少，而对已有普通片源的转存加工又存在版权问题，再加上PAL制电视播出的场频是50 Hz，使用普通电视机观看，频闪造成画面抖动，使观众不舒服，目前这种立体电视在我国的发展仍然十分困难。 各种立体电视体制都有各自的优缺点，它们与人们理想的立体电视制式有着一定的距离。到目前为止，人们还没有找到或者确定某种最好的方式来实现立体电视。从目前视听行业的发展现状看，现阶段视频技术推进的重点还在提高清晰度上。目前全球数字电视节目的试播，画面也仍然是二维的，三维画面的真正实现应当还有相当长的路，到目前立体电视也还没有任何标准形成。从以往国内几家从事立体显示技术研究的公司看，一直存在着市场推广困难的问题，还没有产生任何市场效应，这些因素在客观上限制了立体电视技术的发展。 5 立体电视的发展方向 美国研究机构认为，就目前的立体显示技术，视频显示在40 Hz以下形成频闪，使节目不能观看，80~100 Hz将好一些，达到140 Hz将是最理想的，随着100 Hz电视机的出现，频闪问题将不复存在。国外出现了在一个掌心大小的线路卡上由3个模块、2个接转插口、5个控制钮和1个开关组成的转换卡，连接在一台普通计算机的主机与显示器之间，一个小小的发射管被固定在显示器顶上，用一张普通的VCD碟片播放出重影画面，戴上无线红外眼镜观看，立刻就成为一种具有强烈立体感的画面。这种立体显示系统能够实时将现有信号源的二维图像在显示器上转换成三维图像，它的最大特点就是对片源没有特殊要求，只要是通过光驱能够播放的，通过互联网下载的，通过电视卡接收的，都能在显示器上实时立体观看。 从长远看，立体电视是一个发展方向，立体电视的实现将是继数字电视后的又一场重大革命，它的完全实现将是从摄像到显像完全建立在数字技术、计算机技术和网络技术上的一个整体系统。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/12/2004)