姚健平，梁寧，陸軍鋒

（康佳集團股份有限公司，廣東深圳518053）

一種幀兼容雙層架構的3D編碼

姚健平，梁寧，陸軍鋒

（康佳集團股份有限公司，廣東深圳518053）

分析了杜比實驗室發(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層，基本層采用幀兼容格式，可以解決3D分辨率下降、基礎設施投資高等問題，還能使用現有的2D基礎設施，未來投入少量資金即可實現全分辨率3D顯示。最后，介紹了康佳與杜比實驗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情況。

幀兼容；視頻編解碼；3D電視；杜比3D編碼

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

隨著《阿凡達》等3D電影的熱播，3D熱潮也迅速擴散到電視領域［1］。目前，世界上已開播25個3D頻道，我國在2012年開播首個3D電視試驗頻道［2］，節(jié)目信號采用高清幀兼容格式，其優(yōu)點是可以使用當前的網絡基礎設施和已安裝的機頂盒，缺點是接收端只能獲得半分辨率3D圖像。采用左右眼信號獨立傳輸，即傳輸雙路高清帶寬同步視頻信號，在接收端可以獲得全分辨率3D圖像，缺點是傳輸帶寬增加一倍，成本過高。在目前以2D收視為主的情況下，采用價格高昂的左右眼視頻獨立傳輸的方案來滿足比例極小的3D收視需求，顯然是很不劃算的。

杜比實驗室發(fā)明了一種雙層3D編碼解決方案［3］，方案構建在一個幀兼容基本層之上，可以使用現有的網絡基礎設施，使廣播公司可以快速簡單地部署此項技術。

杜比3D系統(tǒng)的第二層是增強層，用于提供升級到全分辨率3D的途徑，將來投入少量資金即可實現全分辨率3D顯示。

1　幀兼容

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

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

把3DTV的兩個左右眼視頻碼流，變成一個HDTV碼流，需要經過“像素抽取”和“封裝”操作。像素抽取和封裝是很成熟的技術，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

測試結果表明，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，而且特別適合我國的3DTV隔行掃描信號。

2　杜比雙層3D系統(tǒng)

如前所述，如果在傳輸領域實現真正的3D高清電視，就需要對整個廣播電視的播出系統(tǒng)進行全面的升級改造，而這種改造對傳輸成本的大幅度提高成為目前3D電視推廣當中最大的阻礙。為此，杜比實驗室發(fā)明了一種雙層3D編碼方案，包含幀兼容基本層和增強層。幀兼容基本層應用于現有網絡基礎設施，無須改造即可實現全分辨率2D內容和半分辨率3D內容傳輸與顯示，可應用于目前開播的3DTV廣播系統(tǒng)。對于高端用戶，可以追加使用增強層，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）來傳輸增強層數據，通過3D電視內部的杜比3D解碼器，就可獲得缺失的另一半分辨率，實現全分辨率3D顯示。

2.1幀兼容基本層

如前所述，幀兼容格式需要對3DTV左右眼視頻實施像素抽取并封裝成一路HDTV信號。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。

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圖。由于MPEG的高效率編碼特性［4］，封裝后的基本層視頻數據，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圖

2.2增強層

杜比3D編碼的第二層是增強層，用于提供升級到全分辨率3D的途徑。增強層作為一個壓縮碼流伴隨基本層提供。對于不具有杜比3D解碼器的傳統(tǒng)3D電視，其解碼器應該忽略增強層而只解碼基本層，就像對標準的視頻碼流一樣，輸出并排圖像，經后續(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，還解碼增強層，輸出互補的另一半并排圖像，經后續(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)架構圖。左右眼圖像同時輸入到兩個復用器：上復用器和下復用器，形成兩個幀兼容圖像，這兩個圖像使用互補的像素集。上復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）方式進行壓縮編碼。下復用器形成的圖像用作生成增強層的基礎。增強層編碼器使用來自基本層編碼過程的信息預測增強層，利用基本層內的冗余信息，可以大大減少增強層內的數據總量，這是杜比3D編碼系統(tǒng)的精華所在。主觀測試顯示，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%。大大降低了廣播設施升級到全分辨率3D所需要的投資。

圖3　杜比3D編碼系統(tǒng)架構圖

2.3高效率、兼容性和靈活性

杜比3D系統(tǒng)充分利用基本層內的冗余信息，大大減少增強層內的數據總量，使得整個系統(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量的圖像，對于內容發(fā)布商來說是個重要的優(yōu)點。

兼容性是另一個主要優(yōu)點。具有杜比3D解碼器的接收設備（如電視機或機頂盒）會同時解碼基本層和增強層，從而實現全分辨率3D顯示，而傳統(tǒng)的接收設備只能解碼基本層，實現半分辨率3D顯示。

杜比3D系統(tǒng)非常靈活。如圖4所示，杜比3D系統(tǒng)即可以兼容當前設備（機項盒或電視機），也可以滿足下一代設備對全分辨率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信號或2D轉3D信號只包含圖像的灰度數據，沒有包含場景的深度數據。而3DTV顯示需要這些深度數據，現行的做法是根據左右眼圖像的灰度數據計算出深度數據，計算出來的深度數據與真實的深度數據難免有差別，大大影響3DTV顯示效果。為了解決這一問題，杜比發(fā)明了一種3D信號格式，稱為杜比3D格式。

杜比3D格式信號本身就包含了真實的深度數據，這些深度數據從片源制作攝像機拍攝開始采集，是真實的深度數據。深度數據經過壓縮編碼后嵌入在灰度數據當中，再經過傳輸通道最后進入接收裝置，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的深度數據，實現3DTV完美顯示。如果是普通的接收裝置，因為沒有杜比3D解碼器而無法還原出真實的深度數據，只能計算出深度數據，造成3DTV顯示層次感不強，甚至出現位置失真。圖5給出了杜比3D格式信號，左圖為灰度圖像，右圖為對應的深度圖像，可以看出，深度圖像的數據量很少。

圖5　杜比3D格式信號

康佳與杜比實驗室合作，開發(fā)出了全球首款杜比3D-Ready電視機。電視機內部的杜比3D解碼器具有3D信號格式自動識別功能，對于普通（不含深度數據）的3D信號，采用計算深度數據進行3D顯示；對于杜比3D格式信號，通過解碼器還原出深度數據。因此，該電視機即能滿足目前的3D顯示要求，同時也支持未來的杜比3D片源，這些片源可能來自藍光DVD或者網絡視頻流，甚至有可能是電視廣播信號。

4　結論

杜比3D系統(tǒng)在解決家庭3D娛樂的近期和遠期難題方面有獨特的見解。杜比3D的優(yōu)勢是重用傳統(tǒng)的網絡基礎設施，以及未來投入少量資金即可具備升級到全分辨率3D顯示的能力。后續(xù)的研究重點和方向是進一步優(yōu)化算法代碼，并將優(yōu)化后的算法IP集成到新一代數字電視芯片當中。

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

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

［3］杜比公司.杜比3D為各類設備帶來高品質裸眼3D視頻體驗［J］.現代電影技術，2014（4）：51.

［4］張強，蓋明耀.多層視頻的發(fā)展趨勢［J］.廣播與電視技術，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