摘 要： 研究了紅藍(lán)眼鏡的立體顯示原理，設(shè)計(jì)了基于紅藍(lán)眼鏡的立體視頻播放器。這個(gè)設(shè)計(jì)主要包括YUV與RGB之間的轉(zhuǎn)換、BMP文件的讀寫和立體視頻的合成等，最后通過軟件實(shí)現(xiàn)了立體視頻的播放。主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的立體視頻播放器能產(chǎn)生較好的立體效果。
關(guān)鍵詞： 立體顯示；紅藍(lán)眼鏡；立體視頻；YUV
0 引言
隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們更多地希望獲得身臨其境和交互性的全新視覺體驗(yàn)，傳統(tǒng)的二維視頻已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的觀看需求。因此，三維立體顯示技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)今顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]，并在娛樂、交通、教育和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。
人類對(duì)于立體成像技術(shù)的研究由來已久，在16世紀(jì)時(shí)，有人開始使用不同的顏色繪制具有一定規(guī)律差異的左右視點(diǎn)圖像，然后用濾光鏡來觀察并產(chǎn)生立體效果。1936年米高梅電影公司推出基于紅藍(lán)眼鏡顯示的商業(yè)電影，同年P(guān)olaroid公司創(chuàng)辦人Edwin Herbert Land也開始將其發(fā)明的偏光片用于立體電影。在1989年左右，彩虹全息照相發(fā)明人Stephen Benton開始電子全息照相技術(shù)的研究[5]，開啟了裸眼式立體顯示技術(shù)的新紀(jì)元。我國(guó)三維視頻技術(shù)雖然起步較晚，但是近幾年也發(fā)展迅猛，許多高校和企業(yè)對(duì)立體顯示開展研究并取得了豐碩的成果[6]。
三維立體視頻能夠給觀看者帶來震撼的3D特效，但是制作成本昂貴，2009年12月上映的《阿凡達(dá)》影片預(yù)算超過了5億美元。雖然各大廠商推出了一系列3D電視，但是價(jià)格昂貴，對(duì)于普通消費(fèi)者來說，在電影院才能享受這種視覺盛宴，觀看成本較高并且不便捷。本文設(shè)計(jì)了基于紅藍(lán)眼鏡的立體視頻播放器，旨在通過對(duì)多視點(diǎn)視頻進(jìn)行特殊的處理來實(shí)現(xiàn)立體效果，減少普通觀眾體驗(yàn)3D特效的成本。首先對(duì)當(dāng)前立體顯示技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，基于紅藍(lán)眼鏡顯示原理設(shè)計(jì)了一個(gè)立體視頻播放器。立體視頻播放器主要實(shí)現(xiàn)YUV與RGB色彩模型之間的轉(zhuǎn)換、BMP文件的讀寫和立體視頻的合成等，最后用軟件來實(shí)現(xiàn)立體視頻的播放。
1 立體顯示方案對(duì)比研究
立體顯示技術(shù)按照是否佩戴眼鏡分為裸眼式立體顯示與眼鏡式立體顯示[7]。其中裸眼式立體顯示分為狹縫光柵式、柱狀透鏡式以及多層式顯示技術(shù)，而眼鏡式立體顯示又分為色差式、偏光式以及快門式等。
狹縫光柵式立體顯示技術(shù)是將屏幕劃分成一條條垂直方向的柵條，柵條交錯(cuò)顯示給左眼和右眼的畫面[8]。然后，在屏幕和觀眾之間設(shè)一層“視差障礙”，它也是由垂直方向上的柵條組成的。這種技術(shù)雖然不需要佩戴眼鏡，但是由于每只眼睛只能接收到原來一半的光線，因此亮度損失一半同時(shí)水平分辨率也減半。
多層式顯示技術(shù)并不是真正意義上的立體三維技術(shù)，但它能在不使用眼鏡的情況下提供“三維”的感覺。它的實(shí)現(xiàn)方式是將兩層LCD疊在一起，之間留空一定的距離。一個(gè)二維的場(chǎng)景被分成前后景分別在前后兩層LCD上顯示。這種技術(shù)雖然在一些方面克服了以上兩種裸眼式顯示技術(shù)的缺點(diǎn)，但其生產(chǎn)成本過高，是一般大眾所不能接受的。
色差式立體顯示也可稱為分色立體成像技術(shù)，它是用兩臺(tái)在不同視角上的攝像機(jī)來拍攝不同的影像，并將不同視點(diǎn)的顏色通道融合在同一個(gè)畫面中[9]。這種3D顯示技術(shù)所需的設(shè)備簡(jiǎn)單，但不足之處在于顯示效果不是特別理想，因?yàn)榧t藍(lán)兩種色彩的提取，使部分顏色信息都丟失了。但是其偏低的成本使大眾能夠選擇使用它。
偏光式3D技術(shù)也叫偏振式3D技術(shù)，屬于被動(dòng)式顯示技術(shù)，目前3D電影院、3D液晶電視等大多采用的是偏光式3D技術(shù)。應(yīng)用于投影機(jī)行業(yè)的偏光式3D需要兩臺(tái)以上性能參數(shù)完全相同的投影機(jī)才能實(shí)現(xiàn)3D效果，而應(yīng)用于電視行業(yè)的偏光式3D技術(shù)則需要畫面具有240 Hz或480 Hz以上的刷新率。用于偏光式立體顯示的偏振光眼鏡成本很低，但對(duì)輸出設(shè)備的要求較高，光線偏振系統(tǒng)的價(jià)格不菲，對(duì)于家庭用戶來說實(shí)現(xiàn)起來并不容易。
綜上所述，基于觀看成本和家庭使用的便捷性的考慮，經(jīng)過對(duì)幾種顯示技術(shù)方法的分析和比較，選用色差式3D顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)立體視頻播放器。色差式立體顯示技術(shù)所需的設(shè)備僅為一副紅藍(lán)等色差眼鏡，佩戴后眼睛對(duì)色彩進(jìn)行了過濾，紅色的影像只能通過紅色的鏡片，藍(lán)色只能通過藍(lán)色的鏡片，雙眼所看到的影像在大腦中重疊就會(huì)呈現(xiàn)出立體的效果。
2 立體視頻播放器設(shè)計(jì)
本文基于紅藍(lán)眼鏡顯示原理設(shè)計(jì)立體視頻播放器，主要包括色彩空間轉(zhuǎn)換、顏色通道重組和立體視頻合成三個(gè)部分。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2.1 色彩空間轉(zhuǎn)換
YUV主要的采樣格式有YCbCr 4∶2∶0、YCbCr 4∶2∶2、YCbCr 4∶1∶1和YCbCr 4∶4∶4[9]，本文立體視頻播放系統(tǒng)采用的是4∶2∶0格式的YUV視頻。這種格式對(duì)于每行掃描線只有一種色度分量以2∶1的抽樣率進(jìn)行存儲(chǔ)。相鄰的掃描行存儲(chǔ)不同的色度分量，即如果一行是4∶2∶0，則下一行就是4∶0∶2，而再下一行就是4∶2∶0……以此類推。對(duì)于每個(gè)色度分量來說，水平和豎直方向的抽樣率都是2∶1，因此可以說色度的抽樣率是4∶1。
為了顏色通道重組，需要把YUV格式的視頻轉(zhuǎn)換為RGB格式，但是想要準(zhǔn)確無誤地把YUV格式的圖像轉(zhuǎn)換為RGB格式的圖像，復(fù)雜度很高[10-11]。本文通過公式（1）、（2）、（3）來進(jìn)行近似轉(zhuǎn)換。
R=1.0Y+1.402（V-128）（1）
G=1.0Y-0.344 13（U-128）-0.714 14（V-128）（2）
B=1.0Y+1.772（U-128）（3）
2.2 顏色通道重組
由于本文立體視頻播放系統(tǒng)是基于紅藍(lán)眼鏡的顯示原理，即給左眼只提供紅色的影像，而給右眼只提供藍(lán)色的影像，這樣通過眼睛的視差原理并戴上眼鏡就能觀看到立體效果了。在進(jìn)行顏色通道重組時(shí)就要將左視點(diǎn)的紅色分量和右視點(diǎn)的藍(lán)色分量以及任意一個(gè)綠色分量在顏色通道中重組并寫進(jìn)BMP文件。顏色通道重組流程圖如圖2所示。
2.3立體視頻合成
將YUV格式的視頻一幀一幀地進(jìn)行處理得到對(duì)應(yīng)的BMP文件，再將BMP文件按順序播放顯示。為了便于操作，在播放器設(shè)置了四個(gè)按鈕，如圖3所示，它們分別是輸入左視點(diǎn)YUV視頻、輸入右視點(diǎn)YUV視頻、播放立體視頻以及退出鍵。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 視頻測(cè)試序列
用MFC設(shè)計(jì)出了立體視頻播放器，為了驗(yàn)證播放器的立體效果，采用由德國(guó)HHI研究所提供的“Book Arrival”和“Alt Moabit”視頻序列，用韓國(guó)GIST研究所提供的“Newspaper”和ETRI提供的“Lovebird1”，以及日本Nagoya大學(xué)提供的“Dog”和“Kendo”視頻序列來進(jìn)行測(cè)試。由立體視頻播放器獲得的立體視頻的第一幀如圖4所示。
3.2 主觀測(cè)試結(jié)果及分析
為了測(cè)試獲得的立體視頻的觀看效果，組織15名觀看者佩戴紅藍(lán)眼鏡進(jìn)行測(cè)試，打分采用5分制：（1）無法忍受；（2）不好；（3）一般；（4）好；（5）非常好。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，15名觀看者在相同的顯示設(shè)備條件下，佩戴相同的紅藍(lán)眼鏡進(jìn)行觀看。各個(gè)視頻的主觀感知評(píng)價(jià)如表1所示。
由主觀測(cè)試結(jié)果可以看出，六個(gè)立體視頻中有五個(gè)視頻得分在4分以上，其中“Dog”的立體效果最好，“Alt Moabit”由于左右視點(diǎn)的視差小，故相比其余五個(gè)視頻觀看的立體效果稍差。六個(gè)立體視頻的整體平均分為4.27分，立體顯示效果較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于紅藍(lán)眼鏡的立體視頻播放器立體顯示效果較好，觀眾可以更便捷地享受3D技術(shù)帶來的視聽體驗(yàn)。
3.3 系統(tǒng)特色與優(yōu)勢(shì)
?。?）合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于家庭使用便捷性的考慮，采用基于紅藍(lán)眼鏡的色差式立體顯示技術(shù)進(jìn)行立體視頻播放器設(shè)計(jì)；運(yùn)用較為簡(jiǎn)潔的技術(shù)將YUV格式圖像最大程度地轉(zhuǎn)換復(fù)原為RGB格式；充分利用人的雙眼特點(diǎn)，將左右視點(diǎn)顏色分量及任意一個(gè)綠色分量在顏色通道中重組并寫進(jìn)BMP文件，簡(jiǎn)化了處理過程；根據(jù)立體視頻的合成及幀處理技術(shù)，利用MFC將原來復(fù)雜的3D動(dòng)畫處理技術(shù)簡(jiǎn)化并導(dǎo)入播放器中，便于用戶操作并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量立體視頻的播放。
?。?）簡(jiǎn)約人性化的處理
系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)約、人性化的視頻播放器按鈕界面，通過可視化界面的提示和人機(jī)交互處理，簡(jiǎn)化了以往3D視頻播放前復(fù)雜的參數(shù)設(shè)定，為體驗(yàn)用戶提供了更加舒適的使用環(huán)境。
?。?）經(jīng)濟(jì)節(jié)約的理念
基于設(shè)備費(fèi)用、觀看成本，以及家庭使用等多個(gè)因素的綜合考慮，將原本一系列的大型處理設(shè)備進(jìn)行濃縮，不僅方便了用戶觀看3D視頻，而且大大減輕了視頻處理昂貴設(shè)備的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，可為制作3D影片的攝影師創(chuàng)造便利條件。
4 結(jié)束語
為了讓普通觀眾更便捷地享受3D體驗(yàn)，基于觀看成本和設(shè)備條件的考慮，最終選定了色差式立體顯示技術(shù)（即紅藍(lán)眼鏡的顯示技術(shù)）來實(shí)現(xiàn)立體視頻播放器的設(shè)計(jì)。為了測(cè)試立體視頻播放器的性能，將國(guó)際上各類高校和科研機(jī)構(gòu)提供的標(biāo)準(zhǔn)多視點(diǎn)視頻序列經(jīng)過播放器處理獲得了相應(yīng)的立體視頻，并組織觀看者佩戴紅藍(lán)眼鏡測(cè)試了3D視頻的立體效果。測(cè)試結(jié)果表明，由立體視頻播放器獲得的3D視頻有較好的立體效果。
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