摘 要： 研究了紅藍眼鏡的立體顯示原理，設(shè)計了基于紅藍眼鏡的立體視頻播放器。這個設(shè)計主要包括YUV與RGB之間的轉(zhuǎn)換、BMP文件的讀寫和立體視頻的合成等，最后通過軟件實現(xiàn)了立體視頻的播放。主觀實驗結(jié)果表明，設(shè)計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，傳統(tǒng)的二維視頻已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的觀看需求。因此，三維立體顯示技術(shù)應(yīng)運而生，成為當今顯示領(lǐng)域的研究熱點[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]。
人類對于立體成像技術(shù)的研究由來已久，在16世紀時，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)的新紀元。我國三維視頻技術(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》影片預算超過了5億美元。雖然各大廠商推出了一系列3D電視，但是價格昂貴，對于普通消費者來說，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)計了基于紅藍眼鏡的立體視頻播放器，旨在通過對多視點視頻進行特殊的處理來實現(xiàn)立體效果，減少普通觀眾體驗3D特效的成本。首先對當前立體顯示技術(shù)進行了深入的研究，基于紅藍眼鏡顯示原理設(shè)計了一個立體視頻播放器。立體視頻播放器主要實現(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，最后用軟件來實現(xiàn)立體視頻的播放。
1 立體顯示方案對比研究
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。它的實現(xiàn)方式是將兩層LCD疊在一起，之間留空一定的距離。一個二維的場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，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)，它是用兩臺在不同視角上的攝像機來拍攝不同的影像，并將不同視點的顏色通道融合在同一個畫面中[9]。這種3D顯示技術(shù)所需的設(shè)備簡單，但不足之處在于顯示效果不是特別理想，因為紅藍兩種色彩的提取，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)用于投影機行業(yè)的偏光式3D需要兩臺以上性能參數(shù)完全相同的投影機才能實現(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，但對輸出設(shè)備的要求較高，光線偏振系統(tǒng)的價格不菲，對于家庭用戶來說實現(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)備僅為一副紅藍等色差眼鏡，佩戴后眼睛對色彩進行了過濾，紅色的影像只能通過紅色的鏡片，藍色只能通過藍色的鏡片，雙眼所看到的影像在大腦中重疊就會呈現(xiàn)出立體的效果。
2 立體視頻播放器設(shè)計
本文基于紅藍眼鏡顯示原理設(shè)計立體視頻播放器，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部分。設(shè)計框圖如圖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。這種格式對于每行掃描線只有一種色度分量以2∶1的抽樣率進行存儲。相鄰的掃描行存儲不同的色度分量，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。對于每個色度分量來說，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，但是想要準確無誤地把YUV格式的圖像轉(zhuǎn)換為RGB格式的圖像，復雜度很高[10-11]。本文通過公式（1）、（2）、（3）來進行近似轉(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。在進行顏色通道重組時就要將左視點的紅色分量和右視點的藍色分量以及任意一個綠色分量在顏色通道中重組并寫進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行處理得到對應(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)置了四個按鈕，如圖3所示，它們分別是輸入左視點YUV視頻、輸入右視點YUV視頻、播放立體視頻以及退出鍵。
3 實驗結(jié)果及分析
3.1 視頻測試序列
用MFC設(shè)計出了立體視頻播放器，為了驗證播放器的立體效果，采用由德國HHI研究所提供的“Book Arrival”和“Alt Moabit”視頻序列，用韓國GIST研究所提供的“Newspaper”和ETRI提供的“Lovebird1”，以及日本Nagoya大學提供的“Dog”和“Kendo”視頻序列來進行測試。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 主觀測試結(jié)果及分析
為了測試獲得的立體視頻的觀看效果，組織15名觀看者佩戴紅藍眼鏡進行測試，打分采用5分制：（1）無法忍受；（2）不好；（3）一般；（4）好；（5）非常好。為了保證實驗結(jié)果的客觀性和準確性，15名觀看者在相同的顯示設(shè)備條件下，佩戴相同的紅藍眼鏡進行觀看。各個視頻的主觀感知評價如表1所示。
由主觀測試結(jié)果可以看出，六個立體視頻中有五個視頻得分在4分以上，其中“Dog”的立體效果最好，“Alt Moabit”由于左右視點的視差小，故相比其余五個視頻觀看的立體效果稍差。六個立體視頻的整體平均分為4.27分，立體顯示效果較好。實驗結(jié)果表明：基于紅藍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。
3.3 系統(tǒng)特色與優(yōu)勢
?。?）合理的系統(tǒng)設(shè)計
基于家庭使用便捷性的考慮，采用基于紅藍眼鏡的色差式立體顯示技術(shù)進行立體視頻播放器設(shè)計；運用較為簡潔的技術(shù)將YUV格式圖像最大程度地轉(zhuǎn)換復原為RGB格式；充分利用人的雙眼特點，將左右視點顏色分量及任意一個綠色分量在顏色通道中重組并寫進BMP文件，簡化了處理過程；根據(jù)立體視頻的合成及幀處理技術(shù)，利用MFC將原來復雜的3D動畫處理技術(shù)簡化并導入播放器中，便于用戶操作并實現(xiàn)高質(zhì)量立體視頻的播放。
?。?）簡約人性化的處理
系統(tǒng)中設(shè)計了簡約、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交互處理，簡化了以往3D視頻播放前復雜的參數(shù)設(shè)定，為體驗用戶提供了更加舒適的使用環(huán)境。
（3）經(jīng)濟節(jié)約的理念
基于設(shè)備費用、觀看成本，以及家庭使用等多個因素的綜合考慮，將原本一系列的大型處理設(shè)備進行濃縮，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)濟負擔，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，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)（即紅藍眼鏡的顯示技術(shù)）來實現(xiàn)立體視頻播放器的設(shè)計。為了測試立體視頻播放器的性能，將國際上各類高校和科研機構(gòu)提供的標準多視點視頻序列經(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眼鏡測試了3D視頻的立體效果。測試結(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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