姚健平，梁寧，陸軍鋒

（康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳518053）

一種幀兼容雙層架構(gòu)的3D編碼

姚健平，梁寧，陸軍鋒

（康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳518053）

分析了杜比實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的一種雙層3D編碼解決方案，該方案包括基本層和增強(qiáng)層，基本層采用幀兼容格式，可以解決3D分辨率下降、基礎(chǔ)設(shè)施投資高等問(wèn)題，還能使用現(xiàn)有的2D基礎(chǔ)設(shè)施，未來(lái)投入少量資金即可實(shí)現(xiàn)全分辨率3D顯示。最后，介紹了康佳與杜比實(shí)驗(yàn)室合作研制的支持杜比3D格式的裸眼3D超高清智能電視樣機(jī)情況。

幀兼容；視頻編解碼；3D電視；杜比3D編碼

【本文獻(xiàn)信息】姚健平，梁寧，陸軍鋒.一種幀兼容雙層架構(gòu)的3D編碼［J］.電視技術(shù)，2015，39（10）.

隨著《阿凡達(dá)》等3D電影的熱播，3D熱潮也迅速擴(kuò)散到電視領(lǐng)域［1］。目前，世界上已開(kāi)播25個(gè)3D頻道，我國(guó)在2012年開(kāi)播首個(gè)3D電視試驗(yàn)頻道［2］，節(jié)目信號(hào)采用高清幀兼容格式，其優(yōu)點(diǎn)是可以使用當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和已安裝的機(jī)頂盒，缺點(diǎn)是接收端只能獲得半分辨率3D圖像。采用左右眼信號(hào)獨(dú)立傳輸，即傳輸雙路高清帶寬同步視頻信號(hào)，在接收端可以獲得全分辨率3D圖像，缺點(diǎn)是傳輸帶寬增加一倍，成本過(guò)高。在目前以2D收視為主的情況下，采用價(jià)格高昂的左右眼視頻獨(dú)立傳輸?shù)姆桨竵?lái)滿足比例極小的3D收視需求，顯然是很不劃算的。

杜比實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種雙層3D編碼解決方案［3］，方案構(gòu)建在一個(gè)幀兼容基本層之上，可以使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，使廣播公司可以快速簡(jiǎn)單地部署此項(xiàng)技術(shù)。

杜比3D系統(tǒng)的第二層是增強(qiáng)層，用于提供升級(jí)到全分辨率3D的途徑，將來(lái)投入少量資金即可實(shí)現(xiàn)全分辨率3D顯示。

1　幀兼容

幀兼容是一個(gè)重要概念，是為了解決3D內(nèi)容傳輸帶寬增加的問(wèn)題而提出的。我國(guó)早已開(kāi)播高清晰度電視（HDTV）廣播，從傳輸通道到家庭的機(jī)頂盒都已具備，我國(guó)傳送的HDTV的幀格式為1 920×1 080，隔行掃描模式。

2012年，我國(guó)開(kāi)播首個(gè)3D電視試驗(yàn)頻道，原始的3D電視內(nèi)容包含左右眼視頻，它具有左右眼兩個(gè)視頻碼流，即兩個(gè)HDTV碼流，用現(xiàn)在傳輸一個(gè)HDTV碼流的條件，是無(wú)法傳輸3DTV內(nèi)容的。如果用全新的方式來(lái)傳輸3DTV兩個(gè)左右眼視頻碼流，代價(jià)太大，很難推動(dòng)3DTV的初期發(fā)展，為此人們想到用現(xiàn)在傳輸HDTV的條件來(lái)傳輸3DTV內(nèi)容。最好的辦法是把3DTV兩個(gè)左右眼的視頻碼流，變成一個(gè)HDTV碼流，換句話說(shuō)，把3DTV兩個(gè)左右眼視頻幀變成HDTV的“幀”格式，稱為幀兼容格式。這樣一來(lái)，目前傳輸條件不變，家庭機(jī)頂盒也不變，只要用相應(yīng)的3D電視機(jī)就可收看3DTV了。

把3DTV的兩個(gè)左右眼視頻碼流，變成一個(gè)HDTV碼流，需要經(jīng)過(guò)“像素抽取”和“封裝”操作。像素抽取和封裝是很成熟的技術(shù)，本文不再贅述。圖1給出了常用的像素抽取方法和封裝方法，以及兩者常用的組合（見(jiàn)圖1中的雙箭頭線段）。

圖1　抽取方法和封裝方法及其組合

測(cè)試結(jié)果表明，3DTV的左右眼視頻碼流采用并排（side by side）抽取和并排封裝組合，與其他組合相比，其編碼性能好，編碼效率高，而且特別適合我國(guó)的3DTV隔行掃描信號(hào)。

2　杜比雙層3D系統(tǒng)

如前所述，如果在傳輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正的3D高清電視，就需要對(duì)整個(gè)廣播電視的播出系統(tǒng)進(jìn)行全面的升級(jí)改造，而這種改造對(duì)傳輸成本的大幅度提高成為目前3D電視推廣當(dāng)中最大的阻礙。為此，杜比實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種雙層3D編碼方案，包含幀兼容基本層和增強(qiáng)層。幀兼容基本層應(yīng)用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)須改造即可實(shí)現(xiàn)全分辨率2D內(nèi)容和半分辨率3D內(nèi)容傳輸與顯示，可應(yīng)用于目前開(kāi)播的3DTV廣播系統(tǒng)。對(duì)于高端用戶，可以追加使用增強(qiáng)層，只需要提供額外10%的傳輸帶寬（大大低于傳統(tǒng)方法需要提高一倍的傳輸帶寬）來(lái)傳輸增強(qiáng)層數(shù)據(jù)，通過(guò)3D電視內(nèi)部的杜比3D解碼器，就可獲得缺失的另一半分辨率，實(shí)現(xiàn)全分辨率3D顯示。

2.1幀兼容基本層

如前所述，幀兼容格式需要對(duì)3DTV左右眼視頻實(shí)施像素抽取并封裝成一路HDTV信號(hào)。并排抽取和并排封裝組合方式，視頻的編碼效率最高，而且還便于處理隔行掃描信號(hào)。

杜比3D幀兼容基本層采用的正是并排抽取和并排封裝組合。圖2是幀兼容基本層封裝架構(gòu)圖。由于MPEG的高效率編碼特性［4］，封裝后的基本層視頻數(shù)據(jù)，采用MPEG-4 AVC（即H.264）編碼形成碼流。

圖2　幀兼容基本層封裝架構(gòu)圖

2.2增強(qiáng)層

杜比3D編碼的第二層是增強(qiáng)層，用于提供升級(jí)到全分辨率3D的途徑。增強(qiáng)層作為一個(gè)壓縮碼流伴隨基本層提供。對(duì)于不具有杜比3D解碼器的傳統(tǒng)3D電視，其解碼器應(yīng)該忽略增強(qiáng)層而只解碼基本層，就像對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的視頻碼流一樣，輸出并排圖像，經(jīng)后續(xù)電路合成為半分辨率3D圖像并顯示。

具有杜比3D解碼器的電視稱為杜比3D-Ready電視。杜比3D解碼器除了解碼基本層輸出并排圖像外，還解碼增強(qiáng)層，輸出互補(bǔ)的另一半并排圖像，經(jīng)后續(xù)電路合成為全分辨率3D圖像并顯示。

圖3是杜比3D編碼系統(tǒng)架構(gòu)圖。左右眼圖像同時(shí)輸入到兩個(gè)復(fù)用器：上復(fù)用器和下復(fù)用器，形成兩個(gè)幀兼容圖像，這兩個(gè)圖像使用互補(bǔ)的像素集。上復(fù)用器形成的幀兼容圖像與常規(guī)視頻圖像相同，使用MPEG-4 AVC（即H.264）方式進(jìn)行壓縮編碼。下復(fù)用器形成的圖像用作生成增強(qiáng)層的基礎(chǔ)。增強(qiáng)層編碼器使用來(lái)自基本層編碼過(guò)程的信息預(yù)測(cè)增強(qiáng)層，利用基本層內(nèi)的冗余信息，可以大大減少增強(qiáng)層內(nèi)的數(shù)據(jù)總量，這是杜比3D編碼系統(tǒng)的精華所在。主觀測(cè)試顯示，杜比3D全分辨率方式所需的額外碼率只有基本層使用碼率的10%。大大降低了廣播設(shè)施升級(jí)到全分辨率3D所需要的投資。

圖3　杜比3D編碼系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3高效率、兼容性和靈活性

杜比3D系統(tǒng)充分利用基本層內(nèi)的冗余信息，大大減少增強(qiáng)層內(nèi)的數(shù)據(jù)總量，使得整個(gè)系統(tǒng)的壓縮編碼效率非常高。視頻壓縮系統(tǒng)的效率越高，以相同的碼率可以傳輸更高質(zhì)量的圖像，對(duì)于內(nèi)容發(fā)布商來(lái)說(shuō)是個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。

兼容性是另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。具有杜比3D解碼器的接收設(shè)備（如電視機(jī)或機(jī)頂盒）會(huì)同時(shí)解碼基本層和增強(qiáng)層，從而實(shí)現(xiàn)全分辨率3D顯示，而傳統(tǒng)的接收設(shè)備只能解碼基本層，實(shí)現(xiàn)半分辨率3D顯示。

杜比3D系統(tǒng)非常靈活。如圖4所示，杜比3D系統(tǒng)即可以兼容當(dāng)前設(shè)備（機(jī)項(xiàng)盒或電視機(jī)），也可以滿足下一代設(shè)備對(duì)全分辨率3D顯示的要求。

圖4　杜比3D系統(tǒng)的兼容性和靈活性

3　杜比3D-Ready電視

目前的3D信號(hào)或2D轉(zhuǎn)3D信號(hào)只包含圖像的灰度數(shù)據(jù)，沒(méi)有包含場(chǎng)景的深度數(shù)據(jù)。而3DTV顯示需要這些深度數(shù)據(jù)，現(xiàn)行的做法是根據(jù)左右眼圖像的灰度數(shù)據(jù)計(jì)算出深度數(shù)據(jù)，計(jì)算出來(lái)的深度數(shù)據(jù)與真實(shí)的深度數(shù)據(jù)難免有差別，大大影響3DTV顯示效果。為了解決這一問(wèn)題，杜比發(fā)明了一種3D信號(hào)格式，稱為杜比3D格式。

杜比3D格式信號(hào)本身就包含了真實(shí)的深度數(shù)據(jù)，這些深度數(shù)據(jù)從片源制作攝像機(jī)拍攝開(kāi)始采集，是真實(shí)的深度數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮編碼后嵌入在灰度數(shù)據(jù)當(dāng)中，再經(jīng)過(guò)傳輸通道最后進(jìn)入接收裝置，如果接收裝置中包含杜比3D解碼器，該解碼器能還原出真實(shí)的深度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)3DTV完美顯示。如果是普通的接收裝置，因?yàn)闆](méi)有杜比3D解碼器而無(wú)法還原出真實(shí)的深度數(shù)據(jù)，只能計(jì)算出深度數(shù)據(jù)，造成3DTV顯示層次感不強(qiáng)，甚至出現(xiàn)位置失真。圖5給出了杜比3D格式信號(hào)，左圖為灰度圖像，右圖為對(duì)應(yīng)的深度圖像，可以看出，深度圖像的數(shù)據(jù)量很少。

圖5　杜比3D格式信號(hào)

康佳與杜比實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)出了全球首款杜比3D-Ready電視機(jī)。電視機(jī)內(nèi)部的杜比3D解碼器具有3D信號(hào)格式自動(dòng)識(shí)別功能，對(duì)于普通（不含深度數(shù)據(jù)）的3D信號(hào)，采用計(jì)算深度數(shù)據(jù)進(jìn)行3D顯示；對(duì)于杜比3D格式信號(hào)，通過(guò)解碼器還原出深度數(shù)據(jù)。因此，該電視機(jī)即能滿足目前的3D顯示要求，同時(shí)也支持未來(lái)的杜比3D片源，這些片源可能來(lái)自藍(lán)光DVD或者網(wǎng)絡(luò)視頻流，甚至有可能是電視廣播信號(hào)。

4　結(jié)論

杜比3D系統(tǒng)在解決家庭3D娛樂(lè)的近期和遠(yuǎn)期難題方面有獨(dú)特的見(jiàn)解。杜比3D的優(yōu)勢(shì)是重用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以及未來(lái)投入少量資金即可具備升級(jí)到全分辨率3D顯示的能力。后續(xù)的研究重點(diǎn)和方向是進(jìn)一步優(yōu)化算法代碼，并將優(yōu)化后的算法IP集成到新一代數(shù)字電視芯片當(dāng)中。

［1］薛楠，丁頤，喬維.我國(guó)3D電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.電視技術(shù)，2012，36（24）：14-15.

［2］于利華.讓機(jī)頂盒遙控電視機(jī)——3D篇［J］.電視技術(shù)，2012，36（24）：41-42.

［3］杜比公司.杜比3D為各類設(shè)備帶來(lái)高品質(zhì)裸眼3D視頻體驗(yàn)［J］.現(xiàn)代電影技術(shù)，2014（4）：51.

［4］張強(qiáng)，蓋明耀.多層視頻的發(fā)展趨勢(shì)［J］.廣播與電視技術(shù)，2014，41（4）：46-49.

Frame Compatible Dual Layer 3D Coding

YAO Jianping，LIANG Ning，LU Junfeng
（Konka Group Co.，Ltd.，Guangdong Shenzhen 518053，China）

Dual layer 3D coding solution invented by Dolby Laboratories is analyzed.The solution consists of a base layer and an enhancement layer，and can solve the issues of 3D resolution reduction and high infrastructure investment to support full resolution 3D.It also can transmit full resolution 2D or half resolution 3D，and small future investment is required to achieve full resolution 3D.Finally，the building situation of glasses-free 3D UHD Smart TV made by Konka and Dolby Laboratories is introduced.

conventional frame compatible；video codec；3DTV；Dolby 3D coding

TN931.1

A

10.16280/j.videoe.2015.10.007

許盈

2015-04-08