北京电视台高清转播车的3D节目制作

许沛然

（北京电视台）

【摘要】 本文主要介绍了3D电视技术的一些概念与最新进展，并着重讨论了3D技术在电视转播车中的实现与应用。诚然，3D技术本身仍处于发展过程中。从这个意义上讲，现阶段的各种3D电视实现手段的尝试，都应该是被鼓励的。3D电视技术对节目制作业务来说还是一个全新的领域，及早实践可以培养相关专业人才，为未来的市场竞争做好人才和技术储备。

【关键词】 视差 3D电视技术 电视转播车 3D BOX，现场制作

序言

2010年初电影《阿凡达》在全球热映，并在中国获得了超过12亿人民币的票房，这一数值堪称中国票房历史之冠。究其原因，《阿凡达》出色的3D视觉效果功居榜首，同时这也在一定程度上印证了消费者对于3D视听走进家庭的期望。3D正在成为一种越来越重要的视觉表现形式，比“高清”更实实在在，更重要。3D即是三维，从空间的角度上说就是具有X、Y、Z轴。传统电视、电影的画面都是2D的，只有X、Y轴，只能表现场景的高度和宽度，但是厚度却没有办法表示。3D画面相对传统的2D画面，具有更强的前后层次。3D不再是平面，而是改为立体的，画面中的各个部分都有其不同的空间位置。如同立体声变成环绕声一样，3D对画面技术有着重要的影响。2010年3月26日，北京电视台与索尼中国专业系统集团举办了战略合作伙伴签约仪式。北京电视台将和索尼共同协作尝试3D技术在转播车、演播室、后期制作等领域的应用，以推动3D在中国广电业的发展。至此，北京电视台正式着手引进具备3D节目制作功能的转播车。本人作为北京电视台转播传送部的一名技术人员，有幸参与到该项目的实施中。最终，经过一年多的努力，北京电视台高清二期项目之一的具备3D现场制作功能的新型转播车于2012年5月16日顺利交付使用。 1. 3D电视技术1.1 3D电视节目制作1）3D立体影像原理目前3D影像的实现技术称之为视差立体技术（视差指人的左、右眼的间距造成两眼的视角存在细微的差别，从而产生有空间感的立体视觉效果），模拟人的视觉习惯，在前期拍摄的时候分别拍摄对应人的左右眼的两路视频，然后在播放环节使用对应的技术手段让人的两只眼睛分别看到对应的两幅画面，最终在脑海里形成带有纵深感觉的立体影像。2）3D电影与电视制作的差别以《阿凡达》为代表的3D电影，很多镜头是通过三维动画技术制作出来的，实景拍摄的比较少，需要大量后期制作；3D电视剧、专题片等节目制作流程与3D电影基本相似。而以体育等直播节目为代表的3D高清电视制作流程则与3D电影制作完全不同：这类节目直接播出，没有后期制作；电影拍摄时主要使用定焦镜头，电视体育直播大量使用大倍率变焦镜头，因而拍摄3D影像时镜头连续变焦操作需要专用设备支持跟踪调整；EFP类型的摄像机光缆中需包含有双路摄像机、控制、Tally、通话、同步等多种复杂信号，并且还会涉及3D影像的实时处理、显示、记录等问题。总之，3D电视制作远比3D电影复杂得多。3）3D电视拍摄要点3D电视拍摄，利用人的双眼观察物体的角度略有差异从而产生立体视觉的这一原理，用两台摄像机模拟左右眼不同视角拍摄两个画面。人类双眼间距平均约为65mm。人眼相当于标准焦距定焦镜头，而实际的电视镜头焦距是可变的；只有在镜头等效焦距（视角）相当于人眼焦距（视角），左右摄像机镜头光轴间距与人眼间距相同时拍摄的画面才能实现正常的3D显示。镜头等效焦距与人眼焦距不同时相当于人眼的间距发生了变化，短焦距（广角）时相当于人眼等效间距加大，长焦距（远摄）时相当于人眼等效间距缩小。用两台摄像机模拟人眼拍摄立体画面，镜头焦距不同时两台摄像机的间距则需要调整，短焦距（广角）时两台摄像机镜头光轴的间距要远大于人眼间距，长焦距（远摄）时两台摄像机镜头光轴的间距可能小于人眼间距。因此，固定间距的两台摄像机不能进行变焦操作。1.2 3D电视技术在国内的发展现状1）3D电视试验频道按照广电总局工作部署，中国3D电视试验频道从2012年1月1日起开始试播。该频道由中央电视台、北京电视台、天津电视台、上海电视台、江苏电视台、深圳电视台等六家单位联合开办，各电视台分栏目制作3D电视节目，中央电视台统一播出，采用卫星通道加密传输，并在全国各地有线数字电视网络的基本频道中传送。拥有有线数字高清机顶盒和3D电视机的用户可以收看到立体效果的电视节目。频道的节目内容，主要以体育、动漫、专题、综艺类节目为主，同时包括一些大型实况转播。其中，《3D春节晚会》、《伦敦奥运会3D纪录片》等一批优秀的节目，受到了观众的喜爱和好评。3D节目制作域的信号记录、传输采用HD-SDI双链接方式，幅宽比16：9，采集、制作采用4：2：2采样方式；3D节目播出信号采用单路“左右拼”，也称Side by Side编码方式，画面拼接成一路高清电视图像；中央电视台主控至无线局卫星上行系统的信号传输采用SDH-DS3，视频压缩采用H.264编码, 节目流（含视音频及加密授权信息流）总码率为16Mbps。2）北京电视台3D制播情况简介北京电视台是国内最早进行3D电视节目录制的电视台之一。在3D试验频道的6家成员中，北京电视台的3D制播也走在了前列。早在2010年北京电视台就开始了对3D电视的探索工作。2011年，在台领导的支持下，北京电视台成立了3D实验小组，并首次将《2011年环球春晚》节目制作了3D版本。2012年，北京电视台第一辆具备3D节目制作功能的新型高清电视转播车（以下简称3D转播车）投付使用，该车也是全国第一辆3D电视转播车。除电视转播车外，北京电视台还拥有3D演播室制作能力和后期编辑制作能力。自3D电视试验频道开播以来，先后为该频道提供了大量优质的3D电视节目，其中包括：《北京电视台春节晚会》3D版、《北京电视台环球春晚》3D版、《时尚大典》3D版、《养生堂》3D版、《CBA全明星赛》3D版、《CBA季后赛》3D版等等。

图1 3D电视转播车交接仪式

2. 北京电视台3D转播车2.1 3D现场制作系统概述1）3D基本系统如图2所示，一套基本的3D系统应包括如下几个重要的组成部分：双路（左右眼）摄像机及其控制单元、3D信号处理器（音频需延时处理）、3D切换台、3D监视器、3D信号分配器、3D信号收录设备和3D信号终端（如3D电视机）等。

图2 3D基本系统图

2）3D转播车系统具体到北京电视台3D转播车的现场制作系统，其示意图如图3所示。3D摄像机拍摄的信号通过光纤适配器进入到摄像机的控制单元（CCU）；光纤适配器的主要功能是将左右眼两个HD-SDI信号复用在一个3G码流中。而后，3D处理器（3D BOX）则对CCU输出的信号进行调整；校正好的信号进入切换台和矩阵等核心设备；然后分发到监视设备和存储设备，最终完成对3D节目的制作。

图3 3D转播车系统图

2.2 北京台3D转播车系统配置1）3D摄像机与3D支架

所谓3D摄像机，即在拍摄3D画面时，一个机位同时使用两台（左右眼）摄像机。根据3D支架的结构不同，我们采用的摄像机分别为通用摄像机SONY HDC1580R和小型便携式摄像机SONY HDC-P1。

图4 SONY摄像机

3D支架与一般摄像机支架的主要不同之处在于，它需要同时承载两台（左右眼）摄像机。因此，它的重量、体积以及云台的复杂程度都要高于一般意义的摄像机支架。

目前最常用的3D拍摄方式是采用双机并列的平行支架。但使用通用摄像机时最小间距受机身和镜头尺寸的限制，且通用摄像机的体积和重量一般都较大。解决方案一是使用小型摄像机。其优点是可缩小摄像机间距，重量轻，成本低；缺点是无法得到最高图像质量。解决方案二是使用垂直支架。垂直支架的半反半透镜机构可使摄像机最小间距不受限制；而成像模块分离则能减小重量和体积；一般的结构是垂直摄像机固定，水平摄像机3轴位置可调整。

实际拍摄时，每次更换镜头或调整镜头焦距后都需要重新调整摄像机间距等参数，根据调整方式可以把3D支架分为三种类型。基本型：手动操作，采用机械的方式调整两台摄像机的间距、夹角、倾斜等；电动伺服型：遥控操作，采用马达驱动的方式调整上述参数；自动跟踪型：自动兼遥控操作，进行变焦操作时自动跟踪调整摄像机间距等参数。支架的三种类型，适用于不同的拍摄需求。自动跟踪型，其镜头可实现全程变焦操作，自动校正各种误差，适合直播，价格昂贵；基本型或电动伺服型在拍摄过程中不能变焦，改变焦距后需调整摄像机间距至最佳3D效果，适合3D电影、纪录片、风光片拍摄，价格较低。经过综合考量，北京台3D转播车系统采用的是基本型支架（ET公司出品）配合实时3D处理器的方案：在拍摄过程中摄像机间距固定，而是用数字处理技术跟踪镜头焦距自动调整来实现镜头全程变焦操作，满足节目制作要求，成本适中。

图5 平行支架（双击并列支架）

图6 垂直支架（反射镜支架）

2）光纤适配器

光纤适配器可一端接收由前端两个摄像机头所输出的HD-SDI信号，同时向其提供同步信号、控制信号以及电源供电等；通过内部处理，它的另一端再通过一根光纤连接至后方的一台摄像机控制单元（CCU）基站，非常方便地将整个双路3D拍摄信号只用一根光纤就回传至基站，大大简化了系统的构成，尤其适用于各种复杂的大型节目制作系统。

通过光纤适配器，可以由一个RCP遥控面板（需安装特殊软件）统调或分别控制左右两台摄像机，可以很好地控制摄像机拍摄的一致性和灵活性。除此之外，还可提供给寻像器各种特殊的用于3D拍摄的图像监视信号。

图7 3D取景器显示方式

3）3D BOX北京电视台3D转播车系统采用的3D拍摄方案为：使用两台摄像机和固定间距的3D支架，分别同时拍摄左眼用和右眼用的图像，并配备3D BOX对图像进行实时校正和调整。所谓3D BOX，即索尼公司的多画面处理系统“MPE-200”。它采用高性能微处理器，可以高速解析用两台摄像机拍摄左眼、右眼各自影像时产生的摄像机之间的颜色、光轴等偏差。另外，当使用垂直支架来安装摄像机用于拍摄时，可以进行图像反转和反射。通过这些功能，可以在拍摄前快速和有效地调整摄像机的参数。使用3D BOX处理器后无需匹配昂贵的专用支架，采用合理价格的基本型3D支架即可，减少了系统成本。3D BOX以方便的电子校正代替精密的机械校正，3D分析器可清晰显示机械误差，因而无需专门的3D支架操作员，减少了3D 摄像机设置时间。还可以通过摄像机元数据链接（适用于HDC系列摄像机与佳能、富士镜头元数据链接）自动完成变焦补偿，并具有深度指示和报警管理3D效果的功能，从而为制作高质量的3D节目提供了可能。

图8 3D BOX工作界面

4）3D 切换台北京电视台3D转播车系统的主切换台为SONY MVS-8000G，辅助切换台的选型为MVS-8000GSF。MVS-8000G系列是索尼公司的广播级多格式直播制作切换台，包括两款不同尺寸的切换台处理器。MVS-8000G是一个可完成4M/E的大型切换台处理器，支持最多80路输入和48路输出；而MVS-8000GSF则是一款中型切换台最多可做2.5M/E的处理，最多支持34路输入和24路输出。其中，MVS-8000G安装特殊的3D升级软件后，可提供3G和3D能力。该切换台的3D-on-3G 模式可发挥多级ME的全面性能，简化了3D制作操作。值得指出是，北京电视台具备3D节目制作功能的高清电视转播车不仅可以胜任3D制作，而且可以满足我台日常的2D高清制作。该车设计的初衷即是2D/3D同播系统。因此，需要功能强大的切换台方便使用者在2D和3D模式下切换，如图10所示。

图9 MVS-8000G切换台

图10 切换台的2D/3D设置

5）3D 录像机和监视器SONY SRW-5800录像机，是一款具有HDCAM-SR格式记录和重放能力的演播室编辑录像机。它具备双视频流（3D）录制模式，可以通过HD-SDI双链路（Dual Link）端口，使用两倍高速传输多种格式文件；从而实现了一盘磁带同步上载两路高清信号，即同时记录3D左右眼图像；且制作好的成片可输出到一盘磁带上，为3D制作提供了便捷的途径。根据转播车内部工作区域监看布局的不同需求，我们选用了两款3D显示器：SONY 24寸LMD-2451TD和42寸LMD-4251TD。这两款专业3D液晶显示器内置微偏振光过滤器（micro-polarizer filter），使用者戴上环形偏振立体眼镜，就可以获得逼真的3D立体观看特效。且这两款3D液晶显示器同样支持2D显示，并具有出色的2D显示效果。2.3 北京台3D转播车系统综述3D电视技术在欧美发展较早，亚洲地区则刚刚起步，因此我台与索尼（中国）专业系统集团合作引进的3D转播车有幸成为了亚洲第一辆交付客户使用的3D转播车。该车具备2D和3D同时制播的能力，在整车系统和布局的设计上，充分考虑了3D工况下转播工位（主要是3D调整工位）的增加带来的挑战，实现了2D和3D制作模式同处一车的高效性。北京电视台3D转播车系统的最大特点就是可以做到2D/3D同播，也就是说2D视频信号与3D视频信号可以互不干扰同时切换播出。3D系统格式为Dual Link 3G，同时具备1.5G 3D压缩信号输出能力，便于3D信号的传输和处理。此辆3D转播车的主要视频设备选用的是SONY公司的广播级产品，配备有：10台SONY HDC1580R高清摄像机、2台SONY HDC3300R高清高速摄像机，、4台便携式SONY HDC-P1高清摄像机、2套Gigawave无线高清摄像机；6个42寸SONY 3D液晶监视器等；2套SONY高

图11 3D转播车工位示意图

图12 3D转播车制作区

图13 3D转播车技术区

清切换台（MVS-8000G，3 M/E，2D/3D兼容；MVS-8000GSF，2 M/E，2D系统）；128X136大型2D/3D兼容矩阵；2台SRW-5800 3D录像机；4台HDW-2000录像机；2套最新的8路EVS系统；SONY MKS-2050 3D后期编辑控制系统；5台3D BOX（3D摄像机调整处理器）；2台2D转3D处理器和一台3D质检处理器等等。音频系统则采用德国朗沃（Lawo）mc?66主调音台和Yamaha DM1000备份调音台，支持5.1环绕声制作，采用真力（Genelec）5.1环绕声监听系统等。在2D系统的状态下，最多迅道数为12路：8+2+2，即8路SONY HDC1580R+2路SONY HDC3300R+2路SONY HDC1580R无线摄像机（Gigawave系统）。在3D系统或2D/3D同播的状态下，3D迅道最多可以达到7路：3+2+2，即3路（2路平行支架式结构、1路垂直支架式结构）HDC1580R摄像机3D迅道（由6台SONY HDC1580R高清摄像机组成）+2路（垂直支架式结构）HDC-P1摄像机3D迅道（由4台便携式SONY HDC P1高清摄像机组成）+2路2D转3D迅道（来自2D系统的任意另外2台高清摄像机的信号）。与此同时，同播的2D迅道可以达到最多11路：5+2+2+2，5路来自3D摄像机的左眼信号+2路SONY HDC1580R+2路SONY HDC3300R+2路SONY HDC1580R无线摄像机（Gigawave系统）。3. 3D电视节目的现场制作3.1 2D系统与3D系统的相互转换如上所述，北京电视台具备3D节目制作功能的新型高清电视转播车设计为2D/3D同播系统。在我台日常的节目制作工作中，该车还是以2D高清节目制作为主。因此，在进行3D节目制作前，往往需要将处于2D工作状态的系统转换为3D工作状态。为完成此转变，需做如下工作：1)摄像机控制单元（CCU）切换到3D模式2)开启3D BOX使之处于工作状态3)主切换台更改设置为3D模式4)调整音频延时器，使其满足3D节目制作的声画同步要求5)调整技术区和制作区的监视器布局，并变更为相应的3D画面今后如需将3D状态转换为2D状态，也可同理参考上述步骤，对相关设备进行调试。3.2 双路摄像机的光轴校正3D系统转换完成后，就要对3D摄像机进行拍摄前的调试。为确保3D拍摄时双路摄像机左右眼画面的一致性和精确性，除了左右眼镜头变焦、聚焦、光圈同步运行之外，还需要保证两支镜头光轴不能有任何偏移，否则改变焦点或焦距过程中，画面就会出现光学误差。我们通过3D-BOX即可对镜头光轴误差进行数字补偿。方法如下：在距离摄像机3米左右位置放置测试卡或十字参考点；将镜头变焦到最长焦端，然后镜头中心对准十字参考点中心（可通过摄像机寻象器Marker十字中心标记判别中心位置）；打开3D BOX的手动光轴补偿或自动光轴补偿功能，从最长焦端逐渐拉开，随着焦距变化识别中心位置是否发生偏移，一旦出现偏移即进行手动补偿（自动模式3D BOX会自动计算偏移量），直到拉开到最广角端；确保整个操作过程中，镜头光轴通过跟踪补偿能够一直保持在画面中心。

图14 光轴校正测试卡

3.3 3D支架的机械调整光轴校正完成后，便可对3D支架的机械误差进行调整。具体做法是：首先，在近端和远端分别找一个参考点，将镜头变焦到长焦端，然后分别聚焦在近端和远端参考点，并将3D支架的固定限位螺丝解锁。其次，先观察远端参考点（聚焦在远端）的3D画面，如果左右眼水平方向未能重合，则调整支架会聚螺丝使之归零，如果垂直方向未能重合，则调整支架俯仰螺丝使之重合。最终让左右眼画面在远端完全重合。再次，焦点移动到近端（焦距不变），如果左右眼水平方向未能重合，则调整支架间距螺丝使之归零；如果垂直方向未能重合，则调整支架高低螺丝使之重合。最终让左右眼画面在近端完全重合。反复在两端切换焦点，然后进行微调，最终使得焦点无论如何变化，画面都如同2D一样双眼完全重合在一起。此时即可锁定支架，并确认此时位置为支架零点，即机械误差为零。至此，拍摄前的各项工作已全部完成。3.4 3D BOX的实时调整在3D节目制作过程中，转播车内的技术人员除了要完成同2D制作一样的摄像机实时调整工作（调整各摄像机控制面板的光圈、黑电平、增益等）；还要对3D BOX进行实时调整，以确保各3D机位拍摄的画面满足节目导演的立体深度要求，并且符合立体感的安全指标。工作要点如下：在3D节目的拍摄制作过程中，根据摄影师的构图和焦距、焦点变化，参考3D BOX显示的立体波形，判别当前的立体深度是否符合设定的安全范围，通常范围设定在（-1%—2%）。如果出屏或者入屏单方面超出，则通过调整支架的会聚面来解决。如果出屏和入屏同时超过范围（即整体波形超过了3%，则需要收缩支架间距。如果在拍摄过程中由于机械或光学变化产生了轻微的误差，可以通过3D BOX的数字校正功能，对垂直和Z轴方向（镜头变焦不一致）进行些许补偿。 4. 问题与展望4.1 阻碍3D电视技术发展的因素1）与早期高清电视的发展相似，3D电视受到了内容匮乏的限制。尽管3D电视节目的制作量在不断增加，但是要吸引大量的观众仍尚需时日。2）体育比赛、文艺晚会、电影、纪录片是3D电视的主要内容。但这些3D电视节目的现场制作需要更多的设备和投入，其成本至少是目前高清电视节目的两倍。3）观看的舒适度是制约3D电视发展的另一个关键因素。因此，能否实现裸眼3D以及能否解决观众在观看一段时间后出现的头晕等问题，都是对3D电视技术发展提出的挑战。4）除此之外，缺乏统一的技术标准与操作规范，也是阻碍3D电视技术发展的重要因素之一。4.2 3D电视技术发展的前景3D电视试验频道的开播无疑对3D电视技术的发展起到很大的推动作用。那么，3D电视能否实现普及、3D电视技术的发展需要多久才能进入成熟期，是摆在我们电视工作者面前的一大问题。对于3D电视的发展，很难进行准确的预测；但是对于未来3D电视的发展前景，业内一直持非常乐观的态度。有专家认为，通过开办国家级3D电视频道的方式来创造特别好的外部环境和条件，使得我们在3D电视的起步阶段，能处于比较有利的位置。再者，3D频道开播以后，能一定程度上缓解3D节目内容缺乏的问题，能够带动一大批制作人和投资机构投入到3D电视行业中去。总之，3D正带动着电视行业从内容制作到显示终端的一系列变革。尽管目前的3D电视技术还处于发展初期，这是任何新技术成熟之前都必然要经历的过程。但是，它毕竟已显示出了日益强大的发展态势。3D能够提升人们的视觉体验，长远来看还是大有前途的。 5. 结论目前3D电视技术还不够成熟：只能提供左右眼不同视角产生的立体图像效果，没有头部移动时的视角变化；效果较好的3D显示都需要眼镜，不佩戴眼镜的裸视3D显示效果都不太理想；3D电视的相关标准也还未确定。3D电视本身仍处于发展过程中；只有突破了现有瓶颈，才能够逐新走向成熟，从而获得更多的认可和更大的市场。从这个意义上讲，现阶段的各种3D影像实现手段的尝试，都应该是被鼓励的。中国的3D电视尚处于起步阶段，3D电视能否普及，关键不仅在技术，而且在于消费者和市场的需求。3D电视产业面临着严重的片源短缺问题。如果没有内容的话，消费者是无法体会到3D的乐趣的。只有通过提供丰富的且高质量的3D电视内容才能促进相关行业的发展，为电视提供增值服务业务、促进电视接收机消费，并推动相关科研和标准化工作。3D电视技术对节目制作业务来说还是一个全新的领域，及早实践可以培养相关的专业人才，提高3D节目的制作水平，为未来的市场竞争做好人才储备。 编辑：中国新闻技术工作者联合会