摘 要： 研究了紅藍(lán)眼鏡的立體顯示原理，設(shè)計了基于紅藍(lán)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(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，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(dāng)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(jì)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(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(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(lán)眼鏡的立體視頻播放器，旨在通過對多視點視頻進(jìn)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(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(jī)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(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需要兩臺以上性能參數(shù)完全相同的投影機(jī)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(lán)等色差眼鏡，佩戴后眼睛對色彩進(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(lán)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(jìn)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(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)行顏色通道重組時就要將左視點的紅色分量和右視點的藍(lán)色分量以及任意一個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(xué)提供的“Dog”和“Kendo”視頻序列來進(jìn)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(lán)眼鏡進(jìn)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(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(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。
3.3 系統(tǒng)特色與優(yōu)勢
（1）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(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；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(fù)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(jìn)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(fù)雜的3D動畫處理技術(shù)簡化并導(dǎo)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。
（2）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(jī)交互處理，簡化了以往3D視頻播放前復(fù)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(jì)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(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，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(jī)構(gòu)提供的標(biāo)準(zhǔn)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(lán)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。
參考文獻(xiàn)
[1] 周瑾，王元慶，張兆楊，等.一種面向立體顯示的實時人眼檢測方法[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（4）：5-7，96.
[2] 曾小名，田華，黃子強.跟蹤式自由立體顯示中一種降低串?dāng)_的顯示方法[J].光電子·激光，2013，24（1）：146-151.
[3] 林征，宋恩民.立體顯示技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].生命科學(xué)儀器，2013，11（2）：63-73.
[4] 劉曉林，謝佳，張永棟，等.基于電控液晶透鏡的自由立體顯示技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].液晶與顯示，2013，28（4）：552-555.
[5] PERLIN K， POULTNEY C， KOLLIN J， et al. Recent advances in the NYU autostereoscopic display[C]. Proc. of SPIE， San Jose， California， USA， 2001： 22-24.
[6] 羅洪艷，陳義安，廖彥劍，等.改進(jìn)的平行式立體顯示系統(tǒng)獲取正視差的設(shè)計[J].光子學(xué)報，2013，42（8）：924-928.
[7] 孫超.幾種立體顯示技術(shù)的研究[J].計算機(jī)仿真，2008，25（4）：213-217.
[8] 孫家廣，楊長貴.計算機(jī)圖形學(xué)（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.
[9] 許精益，黃乙白.3D立體顯示技術(shù)之發(fā)展與研究[J].光學(xué)工程，2007（6）：1-8.
[10] 楊淑瑩.VC++圖像處理程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[11] 孫超，蘇鴻根.關(guān)于Autostereoscopic 3D技術(shù)的幾點探討[J].計算機(jī)工程，2007，33（7）：204-206.