摘 要： 研究了红蓝眼镜的立体显示原理，设计了基于红蓝眼镜的立体视频播放器。这个设计主要包括YUV与RGB之间的转换、BMP文件的读写和立体视频的合成等，最后通过软件实现了立体视频的播放。主观实验结果表明，设计的立体视频播放器能产生较好的立体效果。
0 引言
随着多媒体技术的不断发展，人们更多地希望获得身临其境和交互性的全新视觉体验，传统的二维视频已经无法满足人们日益增长的观看需求。因此，三维立体显示技术应运而生，成为当今显示领域的研究热点[1-2]，并在娱乐、交通、教育和医疗等领域得到了广泛的应用[3-4]。
人类对于立体成像技术的研究由来已久，在16世纪时，有人开始使用不同的颜色绘制具有一定规律差异的左右视点图像，然后用滤光镜来观察并产生立体效果。1936年米高梅电影公司推出基于红蓝眼镜显示的商业电影，同年Polaroid公司创办人Edwin Herbert Land也开始将其发明的偏光片用于立体电影。在1989年左右，彩虹全息照相发明人Stephen Benton开始电子全息照相技术的研究[5]，开启了裸眼式立体显示技术的新纪元。我国三维视频技术虽然起步较晚，但是近几年也发展迅猛，许多高校和企业对立体显示开展研究并取得了丰硕的成果[6]。
三维立体视频能够给观看者带来震撼的3D特效，但是制作成本昂贵，2009年12月上映的《阿凡达》影片预算超过了5亿美元。虽然各大厂商推出了一系列3D电视，但是价格昂贵，对于普通消费者来说，在电影院才能享受这种视觉盛宴，观看成本较高并且不便捷。本文设计了基于红蓝眼镜的立体视频播放器，旨在通过对多视点视频进行特殊的处理来实现立体效果，减少普通观众体验3D特效的成本。首先对当前立体显示技术进行了深入的研究，基于红蓝眼镜显示原理设计了一个立体视频播放器。立体视频播放器主要实现YUV与RGB色彩模型之间的转换、BMP文件的读写和立体视频的合成等，最后用软件来实现立体视频的播放。
1 立体显示方案对比研究
立体显示技术按照是否佩戴眼镜分为裸眼式立体显示与眼镜式立体显示[7]。其中裸眼式立体显示分为狭缝光栅式、柱状透镜式以及多层式显示技术，而眼镜式立体显示又分为色差式、偏光式以及快门式等。
狭缝光栅式立体显示技术是将屏幕划分成一条条垂直方向的栅条，栅条交错显示给左眼和右眼的画面[8]。然后，在屏幕和观众之间设一层“视差障碍”，它也是由垂直方向上的栅条组成的。这种技术虽然不需要佩戴眼镜，但是由于每只眼睛只能接收到原来一半的光线，因此亮度损失一半同时水平分辨率也减半。
多层式显示技术并不是真正意义上的立体三维技术，但它能在不使用眼镜的情况下提供“三维”的感觉。它的实现方式是将两层LCD叠在一起，之间留空一定的距离。一个二维的场景被分成前后景分别在前后两层LCD上显示。这种技术虽然在一些方面克服了以上两种裸眼式显示技术的缺点，但其生产成本过高，是一般大众所不能接受的。
色差式立体显示也可称为分色立体成像技术，它是用两台在不同视角上的摄像机来拍摄不同的影像，并将不同视点的颜色通道融合在同一个画面中[9]。这种3D显示技术所需的设备简单，但不足之处在于显示效果不是特别理想，因为红蓝两种色彩的提取，使部分颜色信息都丢失了。但是其偏低的成本使大众能够选择使用它。
偏光式3D技术也叫偏振式3D技术，属于被动式显示技术，目前3D电影院、3D液晶电视等大多采用的是偏光式3D技术。应用于投影机行业的偏光式3D需要两台以上性能参数完全相同的投影机才能实现3D效果，而应用于电视行业的偏光式3D技术则需要画面具有240 Hz或480 Hz以上的刷新率。用于偏光式立体显示的偏振光眼镜成本很低，但对输出设备的要求较高，光线偏振系统的价格不菲，对于家庭用户来说实现起来并不容易。
综上所述，基于观看成本和家庭使用的便捷性的考虑，经过对几种显示技术方法的分析和比较，选用色差式3D显示技术来实现立体视频播放器。色差式立体显示技术所需的设备仅为一副红蓝等色差眼镜，佩戴后眼睛对色彩进行了过滤，红色的影像只能通过红色的镜片，蓝色只能通过蓝色的镜片，双眼所看到的影像在大脑中重叠就会呈现出立体的效果。
2 立体视频播放器设计
本文基于红蓝眼镜显示原理设计立体视频播放器，主要包括色彩空间转换、颜色通道重组和立体视频合成三个部分。设计框图如图1所示。
2.1 色彩空间转换
YUV主要的采样格式有YCbCr 4∶2∶0、YCbCr 4∶2∶2、YCbCr 4∶1∶1和YCbCr 4∶4∶4[9]，本文立体视频播放系统采用的是4∶2∶0格式的YUV视频。这种格式对于每行扫描线只有一种色度分量以2∶1的抽样率进行存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，即如果一行是4∶2∶0，则下一行就是4∶0∶2，而再下一行就是4∶2∶0……以此类推。对于每个色度分量来说，水平和竖直方向的抽样率都是2∶1，因此可以说色度的抽样率是4∶1。
为了颜色通道重组，需要把YUV格式的视频转换为RGB格式，但是想要准确无误地把YUV格式的图像转换为RGB格式的图像，复杂度很高[10-11]。本文通过公式（1）、（2）、（3）来进行近似转换。
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 颜色通道重组
由于本文立体视频播放系统是基于红蓝眼镜的显示原理，即给左眼只提供红色的影像，而给右眼只提供蓝色的影像，这样通过眼睛的视差原理并戴上眼镜就能观看到立体效果了。在进行颜色通道重组时就要将左视点的红色分量和右视点的蓝色分量以及任意一个绿色分量在颜色通道中重组并写进BMP文件。颜色通道重组流程图如图2所示。
2.3立体视频合成
将YUV格式的视频一帧一帧地进行处理得到对应的BMP文件，再将BMP文件按顺序播放显示。为了便于操作，在播放器设置了四个按钮，如图3所示，它们分别是输入左视点YUV视频、输入右视点YUV视频、播放立体视频以及退出键。
3 实验结果及分析
3.1 视频测试序列
用MFC设计出了立体视频播放器，为了验证播放器的立体效果，采用由德国HHI研究所提供的“Book Arrival”和“Alt Moabit”视频序列，用韩国GIST研究所提供的“Newspaper”和ETRI提供的“Lovebird1”，以及日本Nagoya大学提供的“Dog”和“Kendo”视频序列来进行测试。由立体视频播放器获得的立体视频的第一帧如图4所示。
3.2 主观测试结果及分析
为了测试获得的立体视频的观看效果，组织15名观看者佩戴红蓝眼镜进行测试，打分采用5分制：（1）无法忍受；（2）不好；（3）一般；（4）好；（5）非常好。为了保证实验结果的客观性和准确性，15名观看者在相同的显示设备条件下，佩戴相同的红蓝眼镜进行观看。各个视频的主观感知评价如表1所示。
由主观测试结果可以看出，六个立体视频中有五个视频得分在4分以上，其中“Dog”的立体效果最好，“Alt Moabit”由于左右视点的视差小，故相比其余五个视频观看的立体效果稍差。六个立体视频的整体平均分为4.27分，立体显示效果较好。实验结果表明：基于红蓝眼镜的立体视频播放器立体显示效果较好，观众可以更便捷地享受3D技术带来的视听体验。
3.3 系统特色与优势
（1）合理的系统设计
基于家庭使用便捷性的考虑，采用基于红蓝眼镜的色差式立体显示技术进行立体视频播放器设计；运用较为简洁的技术将YUV格式图像最大程度地转换复原为RGB格式；充分利用人的双眼特点，将左右视点颜色分量及任意一个绿色分量在颜色通道中重组并写进BMP文件，简化了处理过程；根据立体视频的合成及帧处理技术，利用MFC将原来复杂的3D动画处理技术简化并导入播放器中，便于用户操作并实现高质量立体视频的播放。
（2）简约人性化的处理
系统中设计了简约、人性化的视频播放器按钮界面，通过可视化界面的提示和人机交互处理，简化了以往3D视频播放前复杂的参数设定，为体验用户提供了更加舒适的使用环境。
（3）经济节约的理念
基于设备费用、观看成本，以及家庭使用等多个因素的综合考虑，将原本一系列的大型处理设备进行浓缩，不仅方便了用户观看3D视频，而且大大减轻了视频处理昂贵设备的经济负担，可为制作3D影片的摄影师创造便利条件。
4 结束语
为了让普通观众更便捷地享受3D体验，基于观看成本和设备条件的考虑，最终选定了色差式立体显示技术（即红蓝眼镜的显示技术）来实现立体视频播放器的设计。为了测试立体视频播放器的性能，将国际上各类高校和科研机构提供的标准多视点视频序列经过播放器处理获得了相应的立体视频，并组织观看者佩戴红蓝眼镜测试了3D视频的立体效果。测试结果表明，由立体视频播放器获得的3D视频有较好的立体效果。
参考文献
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