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3D视频调校技术研究 寻找合适调校方法

发布时间:2015-01-06 12:10 来源:未知 阅读:

家庭影院从入门到精通

凭借显示技术方面的高速发展,3D显示已经全面进入家用市场,各大厂商最新推出的平板电视与家庭影院投影机几乎都带有3D显示功能,3D家用视频技术无疑是目前家庭影院的大热点。在今年的三月刊,我们就曾针对3D家庭影院投影机进行全面分析,从技术层面到各类机型逐一讲解当中的特性,受到了不少影音爱好者的青睐。3D立体显示技术与2D平面显示技术相比,要复杂许多。现在以主动式快门与被动式偏振技术为主流的3D显示解决方案并非最佳的3D显示实现方式,裸眼3D甚至全息3D才是立体显示技术未来发展的终极方向。不过,目前眼镜式的3D实现方式带来的立体感觉已经明显要优胜于以往任何一种立体解决方案,已经带给人带来相当真实的三维空间感,因此也获得相当高的认可度。
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  以往我们都是从如何获得3D立体影像的角度来分析3D显示技术,而本期,笔者将探索3D视频领域中一个非常容易被人忽略的环节——3D视频调校技术,让更多的读者知道应如何最大程度地发挥3D显示设备的能力,真实还原立体影像。
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以主动式快门与被动式偏振眼镜技术为基础

  简述主流3D家用显示解决方案

  关于3D显示设备画面应该如何校正,就需要先了解各种主流的3D显示设备的技术特点,从中获悉观看的最佳方法、搭配的投影幕与使用环境等方面,以展现最佳的立体效果。众所周知,最理想的3D显示解决方案是裸眼3D显示的方式。尽管近期已经有厂商推出裸眼3D方式的平板电视,但实际效果远远没达到理想,现阶段家用立体成像仍需依靠眼镜方式来实现。眼镜式立体影像实现的方式有很多种,主流的解决方案为主动式快门眼镜与被动式偏振眼镜两种。
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  主动式快门眼镜式3D技术主要是利用液晶镜片不断开合的原理来切换左右眼的图像来形成立体影像,优势在于无需改变显示设备原本的核心显示与光路结构,只要加入相关的处理芯片就能实现,令显示设备能够切换显示左右眼的图像。主动式快门眼镜能够带来左右眼均为1080p的全高清三维影像,对于主动式3D投影系统来说,选择投影幕的时候并没有特殊要求,普通的白幕即可。缺点则包括画面会有闪烁感,容易出现左右眼图像串扰的问题,内置电源的快门式3D眼镜较为沉重,不利于佩戴并且成本较高。中国家庭影院网www.hdav.com.cn

  被动式偏振眼镜式3D技术则是利用光的偏振特性令显示设备能切换左右眼的图像,再通过左右眼镜片不同的偏振光特性来接收。这种眼镜式3D解决方案的最大特点就是偏振式眼镜采用无源结构,重量非常轻,佩戴舒适度高,优势在于画面无闪烁、基本不会引发左右眼图像串扰问题,画面流畅自然,被动式3D眼镜制造成本低,价格便宜。而不足之处则包括单被动式偏振显示设备左右眼瞬间的立体图像分辨率理论上并没能达到1080p全高清的水平,若是被动式双投3D显示系统则没有这个问题。另外,针对被动式3D投影系统,选择投影幕的时候需要搭配带有偏振光特性的投影幕,例如电影院常见的银幕、带偏振光特性的白幕等。
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  以上为主动式快门与被动式偏振3D的基本技术特点,由此可以发现两者之间的立体成像画面是有所不同的。不过,值得注意的是,随着两种技术的高速发展与成熟,两者之间的差异已越来越微,特别是高端机型相比较而言。主动式快门3D技术画面上最大的问题是闪烁以及左右眼图像之间的串扰,现在大部分厂商都通过提高画面刷新率或改变刷新方式来改善,与早期的机型相比,闪烁感已大大降低,而串扰问题尽管依然存在,但已基本上不会影响观看。

  被动式偏振3D技术在画质上的问题包括两个方面,一是单被动式偏振显示设备,主要是指被动式偏振3D电视,所表现出来的画面精度并没有主动式快门系统的出色。不少国内外视频领域的资深研究人员都指出,被动式偏振式3D电视只能在同一时间获取540条垂直扫描线,即使在大脑中组合成立体影像也无法达到1080p的全高清立体影像,相对于主动式快门眼镜显示方式存在一定差距。不过,在实际观看过程中,被动式偏振3D电视表现出来的画面精度远胜于540p的标清影像,只是稍逊于主动式快门3D电视。

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主动式快门显示方式存在的最大问题在于闪烁,现在主要的解决方法是提升画面的刷新率或改变刷新方式来实现

  其二是针对被动式偏振投影系统受到偏振式光学成像的限制,投影幕方面只能选择带偏振光特性的银幕或特制幕,这类幕布不同于普通的白幕,很容易出现太阳效应,也就是画面中心的亮度最高,其他位置亮度明显降低,换言之画面的可视角度也较窄,离轴画面的质量较差。这个问题对于显示面积本身就较小的被动式偏振平板电视影响较大,而对投影系统则较小,毕竟在家用环境下观看区域并不大。

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被动式偏振投影系统对于投影幕的选择有一定限制,需要带有偏振光特性的银幕或特制幕

  由于这两种3D解决方案属于眼镜的实现方式,都会存在光损耗的问题,尤其是一般的单机式3D投影系统,实际的输出亮度恐怕只剩下原来亮度的20%~30%,严重影响了整个观感。因此,若然你要获得优秀的3D大画面投影效果,就需要选择双机式3D投影系统。

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通过改善眼镜的透光率来增强整个画面能量感是有效的解决方法

  要解决单机式3D投影系统以上所述的这个问题,一方面可以通过增加显示设备的亮度来实现。因为绝大部分的投影机厂商在研发及推出新一代机型的时候,都刻意将投影机的亮度标准指标提升了20%以上。另外一方面,还可以通过改善光传输效率来实现,其中最重要的是提升眼镜的透光率。可是,目前只有少部分厂商关注到这个问题,例如Mitsubishi(三菱)就改良了主动式快门3D眼镜中液晶镜片的类型,通过更短的液晶开合时间,提升了眼镜的透光率。不过,从目前各个厂家最新推出的多款家庭影院投影机来看,3D画面的能量感仍然不足,因此,这也说明了在画面调校过程中不能简单地照搬2D画面的调校标准与方法,必须选择3D视频调校的相关手段与准则。

  在进行深入分析3D视频调校技术之前,让我们一起思考以下两个问题:

  1. 普通非3D的平板电视与家庭影院投影机能否通过外置的处理器实现3D显示功能?

  2. 采用主动式快门3D技术的显示设备能够变换成被动式偏振的3D机型吗?


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  这两个问题都是目前家用3D显示领域的热门话题。第一个问题针对的是3D显示普及性方面。第二个问题则是探索如何获得更佳的3D显示效果。

  尽管近两年平板电视与家庭影院投影机厂商都在不断推出全新的3D机型,但依然有大部分用户还在使用不支持3D显示的机型。如果更换为全新的3D设备,将是一笔不少的花费,导致了这些用户的犹豫不决,直接拖延了整个3D显示家用市场普及的步伐。
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现在已经出现专门的3D视频处理器使得传统2D的显示设备支持3D立体显示

  于是,大家就提出了第一个问题:“普通非3D的平板电视与家庭影院投影机能否通过外置的处理器实现3D显示功能?”而答案是肯定的。事实上这个问题类似于早期的高端三枪式CRT投影机能否通过外置转换器支持HDMI接口的问题。在前面已经介绍过主动式快门3D无需改变显示设备的核心显示结构,只需加入视频处理器就能实现。如今,国外已经有不少专门研发视频处理器的厂商(如3DNOW与HDfury)推出的3D视频处理器就充分利用了主动式快门3D技术的特点,由3D视频处理器来接收各种不同信号源输出的3D信号,包括主流的蓝光3D播放机以及3D电视广播,进而控制显示设备的显示方式以匹配附带的主动式快门眼镜的刷新频率,最终让用户看到3D影像。这种3D视频处理器基本上能够支持所有的2D设备,而且在3D眼镜同步方面还采用了覆盖面最广的RF射频方式,当然也兼容普通的IR红外方式,意味着用户可以使用不同类型的3D眼镜。

  既然可以让非3D的设备支持立体显示,那么能不能让主动式快门3D显示的设备变成被动式偏振的形式以彻底消除闪烁的问题,同时也通过佩戴更加舒适、光损耗更低的被动式偏振眼镜获得更佳观感?这就是上面所提及的第二个问题。事实上,由于主动式快门3D平板电视本身制造技术的限制,是不可能利用外置的转换器将其切换成被动式偏振平板电视的。不过主动式快门3D结构的家庭影院投影机就可以通过外置的主动式偏振器转换成单一被动式偏振的显示形式。
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Volfoni带来的SmartCrystal Pro被动式偏振处理器,能够将DLP 3D的主动式快门3D投影机转换为被动式偏振的机型

  这种转换方式源自于专业电影院,将切换左右眼画面的工作由主动式快门眼镜转移到放置在镜头前方的主动式偏振控制器,为每只眼睛的画面加上不同的偏振特性,最后通过无源偏振眼镜观看到立体影像。Volfoni作为全球知名的民用或专业3D解决方案的法国提供商,所带来的SmartCrystal Pro就是一款能够将DLP 3D家庭影院投影机转换为被动式偏振方式的外置处理器。实际的工作方式正如上述所提及的,能够支持最高5000流明输出亮度的主动式快门投影机,基本上覆盖主流的机型,实用性非常高,只需搭配银幕或带偏振光特性的幕布以及被动式偏振眼镜就可实现。值得一提的是,对于采用LCoS或LCD技术的3D家庭影院投影机,Volfoni也将会在日后推出针对性的被动式偏振转换方案。不过,这种转换方案经过国外一部分玩家实际测量后发现,实际所得的画面亮度表现相比转换前使用主动式快门眼镜还要低一些,因此必须选用输出亮度较高的投影机方可获得理想的画面能量感。
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  通过上述的讨论与分析,不难发现影响整个立体画面质感的基本原因在于3D眼镜,因此在3D视频调校的过程中往往需要将调试重点放置在3D眼镜之上,而不仅仅是投影机本身。
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3D眼镜对3D视频调校带来极大限制

  探究3D视频调校的难点
  近几年,随着国际上知名的ISF与THX Video专业视频培训进入国内,使得越来越多的视频调校人员、影音从业人员以及影音发烧友了解到显示设备视频调校对于画面质量起到了决定性的作用,不仅掌握了系统的视频调校方法,同时还明白了怎样的画面才是正确的。值得一提的是,这些课程中所讲述的绝大部分都是关于2D平面影像方面的内容,只有很少的一部分谈及3D立体视频的调校。为什么会出现这种情况?最主要的原因是由于3D视频显示技术的不成熟,导致目前国际上还没有出现相关的标准,很难制定面向3D显示设备方面的调校方法。而在现阶段以眼镜式3D技术为主流的解决方案之中,3D眼镜成为了限制3D视频调校的最大因素。
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  在去年香港举行的ISF培训之中,作为视频行业调校泰斗的Joel Silver就曾经表示:“在家用3D显示领域,3D眼镜的品质对整个立体画面的成像起到至关重要的影响。”即便是光学特性最优异的3D眼镜,也会对画面亮度、对比度、分辨率与色彩等方面带来不能忽视的影响。而更为遗憾的是,目前绝大多数家庭影院投影机厂商显然没将技术研发的重点放在眼镜上,随机附带的3D眼镜质量不能保证拥有最佳的品质。
  以下为3D眼镜对于3D视频调校上产生的影响以及相应的处理方法:
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  1. 对于常规无需要搭配光学传感器进行校正的步骤,如亮度、对比度、最佳可用动态范围等,如果显示设备带有2D转3D的功能,也可以将2D的测试图案转换为立体,直接戴上3D眼镜进行校正。
  2. 如果显示设备没有2D转3D的功能,或者是利用光学传感器进行色彩管理,就需要通过左右眼镜片分别对画面进行调校。
  3. 正是由于3D影像需要分别通过左右眼镜片进行调校,两者之间调校后所得出的测量数值会因为不同镜片之间的光学参数差异性而产生不同。此时就需要进行多次测量,并取算术平均值。
  4. 如果3D眼镜左右镜片的光学特性相差甚远,在测量的时候就会发现左右眼调校后测量数值的差值非常大。此时,就需要更换眼镜。

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在对3D显示设备进行色彩管理方面调整的时候,需要将3D眼镜放置在光学传感器前面

  5. 当专业调校人员利用光学传感器进行深度测量的时候,同样需要将光学传感器透过3D眼镜进行测试。此时,具体的操作方法与人眼直接测量并没有太大的差异,但要注意光学传感器接收光线面要放置在镜片的中央。镜片中央与边缘的光学特性会有一定的差异。中国家庭影院网www.hdav.com.cn
  6. 3D眼镜会产生明显的光线损耗,因此在测量过程中应该根据投影机最大的输出亮度设定合适的目标调校数值,不应生搬硬套2D画面时的国际标准参考数值。
  7. 不同类型、不同品牌的3D眼镜对色彩会有不同的表达,因此建议选用同一品牌的3D眼镜进行观看。
  8. 对于任何3D显示设备,都必须设定相关的3D模式与2D模式。
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  上述的3D视频调校手段是现在主流的关于眼镜式3D的测量与调整的基本方法。当中出现的最大问题,就是3D眼镜的差异性对整个调校结果差生很大的影响。主流的眼镜式3D立体成像方式是让左右眼所观看到的影像重叠在一起形成视差,从而产生立体影像。假若左右眼镜片本身就存在较大的光学差异,无论对每只眼睛的镜片进行何等精准的测量与调校,都无法获得最终的立体影像调校数值。值得注意一点,上面所谈及的3D显示设备调校方法是根据传统2D测试图案来进行的。那么现在究竟有没有专门针对立体显示设备的3D测试图案?而对于普通影音爱好者应该如何利用简单的碟片工具进行3D调校等问题,都会在后面为大家讲解。

   摆脱3D眼镜的困扰

  国际专家已经着手研发3D测试图案
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  经过前面的一系列分析与讨论,当采用传统2D测试图案进行3D显示设备调校时,必须透过3D眼镜来实现,而3D眼镜自身存在着各种问题,并不利于调校过程中对画面各项参数的判断与测量,难以获得优秀的立体影像效果。不过,目前视频调校人员、影音发烧友手中的蓝光测试碟与绝大部分的视频信号发生器所发出的测试图案基本上都是针对2D画面的,必须依赖3D眼镜,这也是无奈之举。
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  为什么用2D测试图案进行视频调校的时候需要结合3D眼镜?因为现阶段主流的眼镜式3D系统,包括主动式快门与被动式偏振,都属于2视点立体显示方式,也就是在大脑中将左右眼看到的不同画面结合在一起形成立体画面。那么在调校3D画面的过程中,最佳的处理手段是将立体画面分成左右眼两幅画面进行调校。而传统的2D测试图案仅仅为单一画面,无法区分左右眼,只好利用3D眼镜来解决这个难题,当然对于一般的画面调校也可以利用显示设备中的2D转3D功能辅助调整。当引入了3D眼镜,自然就会带来各种各样的问题,正如上文所提及的。

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传统的2D测试图案在进行3D显示设备调校的时候,必须搭配3D眼镜

  于是,为了摆脱3D眼镜的限制,国际上不少知名的调校大师,当中就包括Joe Kane——高清视频标准制定者,已经着手研发无需佩戴眼镜就能进行调校的3D测试图案,并已经取得了不错的成果。其中有部分3D测试图案已经集成在Audio Video Foundry最新推出的VideoForge视频信号发生装置之中。此外,国外还有部分专业的视频信号发生器也带来其他类型的3D测试图案。对于专业的视频调校人员来说,现在已经能够利用这些3D测试图案对主动式快门眼镜与被动式偏振眼镜这两种不同的3D解决方案进行细致的调整。

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VideoForge视频信号发生器中集成了部分不含深度信息的3D测试图案

  这些3D测试图案的特点就是在同一帧画面上能够同时显示与标识左右眼两种不同的信号,无需通过3D眼镜来选择。需要解释的是,尽管此类测试图案属于3D信号,但是佩戴眼镜后观看却无法得到立体画面,因为它们属于一种没有画面的深度信息,只含左右眼平面信息的3D视频信号,使用的范围也仅仅限于3D视频调校之用。这种平面化的3D测试图案显然与分别透过左右眼镜片产生的影像所涵盖的信息基本一致,视频调校人员仅仅需要利用这类型的测试图案就能完成整个测试,避免了使用3D眼镜时出现的种种问题,从而将调校的重点回归显示设备本身。

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这些为部分平面化的3D测试图案

  作为一款优秀的3D显示设备,前提条件必须也是出色的2D设备。毕竟按照目前主流的眼镜式3D解决方案,立体影像是由两张平面影像组合而成。因此,在利用3D测试图案进行立体影像的测试之前,必须先进行常规的平面影像测试,以确保显示设备能够带来理想的3D立体成像表现。如果你的投影机或平板电视连最基本的2D画面都无法达致满意的水准,则不必对其立体效果抱有太大的期望。此外,需要注意,利用这些3D测试图案对3D显示设备进行了详细的调校之后,必须通佩戴3D眼镜来重新检查调校后的画面是否正确。可能有部分视频发烧友与影音爱好者会问现在究竟有没有集成了3D测试图案的蓝光或DVD测试碟,研发出广受玩家认可的《DVE-HD Basic》测试碟的JKP Production已表示将来会推出相关的3D测试碟,让更多的消费者可以通过简单的方式实现3D视频的调校。

   利用手中的简单工具

  将家中的3D显示设备发挥最大效能
  前面所提及的有关3D视频调校方面的内容,主要是立足于专业的视频调校技术人员以及视频发烧玩家,以获取精益求精的立体画面成像。而对于普通的3D显示设备的用家而言,应该如何利用手中仅有的工具来最大程度地发挥3D显示设备的效能,同样也是值得关注之处。

  普通家庭用户在调校3D设备的时候,首先最基础的一点就是需要弄清楚家里的3D电视与3D家庭影院投影机关于3D显示调校菜单的位置,部分投影机往往会将普通2D菜单与3D菜单分开,要进入3D设定菜单往往需要通过遥控器上的特殊按键,请大家仔细查看手中的遥控器是否带有3D菜单按键。

3D测试菜单中大部分功能都为立体深度信息方面的调整

  3D菜单中的大多数功能基本上都是用来调整立体画面的深度效果的,这些功能尽管能够让你获得更突出的立体效果,但却会令画面的边缘部分出现变形与失真,建议大家根据自身的需要进行适当的调整即可。此外,除了需要留意显示设备中的3D调整菜单,还要注意3D信号源方面的设置,例如普及率非常高的索尼Playstion3在连接3D设备之后,需要重新设置显示设备的参数,才能识别3D显示设备并获得最佳的效果。
对于家庭用户而言,打开3D信号源与投影机中的2D转3D功能,将2D的测试图案转换为3D,再通过3D眼镜进行调校,是一种非常实用的调整方法

  至于如何进行简单的调校,我们特别咨询了THX Video视频认证工程师培训讲师、美国狮子影音顾问公司主席Gregg Loewen。他表示,要进行3D显示设备校正,就需要搭配3D测试图案。对于普通的用户,可以利用蓝光播放机与显示设备上的2D转3D功能将2D测试碟片中的测试图案转换为立体测试图案,再通过佩戴3D眼镜进行观看。无论哪种类型的3D眼镜技术,都会产生75%左右的光损耗,这就要求用户必须在3D模式下将显示设备的光强输出设置为最大,以保证画面拥有充足的能量感,同时也要通过调整亮度参数来保证黑位的准确性。这两点是观看3D立体画面的时候特别容易分辨的重要因素。由于目前在3D眼镜部分并没有统一的标准,他推荐用户使用与显示设备均为同一品牌的3D眼镜,因为不同类型、不同品牌的3D眼镜会对色彩有不同的定义。如果视频发烧友想要对立体图像进行色彩管理,那么就要将3D眼镜放置在测试仪器之前进行测量。中国家庭影院网www.hdav.com.cn
画面亮度与黑位表现是影响3D立体成像最大的两个因素,必须进行细致的校正。再调校后,可以通过反映人物肤色的测试图来判断色彩是否出现问题
  正如Gregg Loewen所提及的对3D图像影响最大的两个方面为画面的能量感与黑位的准确性,对于普通用户来说,没有必要过于追求准确的色彩重现,在选择画面模式的时候,应该选择亮度输出最大的模式,同时也需要注意调整暗部的亮度尽量让画面的动态范围设置为最大,并且保证暗部细节部分不会丢失。



  综上所述,3D视频调校是目前的热点话题,但是由于3D技术上的不成熟,主流的3D显示仍然需要搭配3D眼镜,包括主动式快门与被动式偏振两种方式,因此调校过程中无可避免会涉及3D眼镜。而3D眼镜对画面的亮度、细节、色彩等方面都会产生一定的影响,使得整个调校过程变得困难。目前,对于专业的视频调校技术人员可以通过专门的3D信号发生装置进行脱离眼镜的画面调校,当然最后依然要通过3D眼镜来检阅画面的正确性。而普通的用户更是需要依赖3D眼镜来进行调校。我们期待3D显示设备技术能够尽快向着裸眼多视点3D的方向不断迈进,以摆脱眼镜的限制,真正将三维立体显示带给普罗大众。

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