三维视频技术在仿真实验中的应用

2013-10-23付丽秋

实验技术与管理 2013年12期

关键词：演练立体编码

付丽秋

（中国人民武装警察部队学院科研部，河北廊坊 065000）

三维视频技术在仿真实验中的应用

付丽秋

（中国人民武装警察部队学院科研部，河北廊坊 065000）

为提高消防指战员的火灾现场处置能力，开发了油罐区灭火救援计算机模拟训练平台。根据典型的灭火救援指挥实例制作了三维立体视频。重点阐述了视频制作的步骤及制作三维视频区别于二维视频的关键技术。

立体视频；消防训练平台；模拟演练

Abstract：With the rapid development of the stereo video technology，the multimedia technology has become the development direction in the future，and its application research is getting more and more attention.Taking fire fighting and rescue command system based on the typical disasters as 3Dvideo production examples，this paper expounds the video production steps and makes 3Dvideo to distinguish from the key technology of 2Dvideo.

Key words：stereoscopic video；fire fighting platform；simulation drill

为提高消防指战员的火灾现场处置能力，中国人民武装警察部队学院开发了油罐区火灾灭火救援计算机模拟训练平台，并利用此平台开展灭火救援技战术专业训练和模拟演练。在此基础上，采用立体视频技术，将演练过程再现在消防官兵面前，用于总结经验。通过模拟训练，可以减少消防战士经常性的到现场进行练兵，既不影响人民正常的生活秩序，又能达到避免重复投资、降低训练成本的目的。

1 拍摄脚本的设计方案

油罐区火灾灭火救援计算机模拟训练平台主要是在虚拟的灾害场景中，模拟训练公安消防部队指战员对现场情况进行判断，制定具体技战术措施和力量部署方案，提高处置指挥能力。根据课题研究内容及火场救援实际情况，我们将脚本分为5部分设计。

（1）关于计算机模拟训练平台体系结构的介绍。训练平台的逻辑架构包括导调控制室、模拟训练室、观摩研讨室和专家研讨室。考虑视频效果，我们在功能介绍部分采取分镜头拍摄，使之直观易懂。模拟演练平台的软件系统由训练设置、态势显示、战术处置、处置评判和过程回放等功能模块组成。为便于理解，我们采用图表的方式呈现上述内容，形象生动。

（2）模拟演练策划和组织。模拟演练方案由具有丰富灭火和救援经验的专家制定；训练方案的情景拍摄主要由专家组和研发人员共同讨论并修改拟订；工作场景主要通过场景建模、行为建模、程序编写、训练控制等过程表现。

（3）模拟演练实施。拍摄的演练场景以火灾扑救和应急救援等执勤战斗行动的时间发展为序，将训练流程划分为接警出动、出战指挥、支队全勤指挥部指挥、支队值班首长指挥、总指挥部决策等5个阶段。场景操控人员由熟悉演练平台功能及其应用的技术专家组成。在训练实施过程中，导调控制人员专注于演练脚本的可视化实现，控制虚拟场景中的灾害体、烟火、环境、装备和人员等场景构成要素的动态变化。

（4）采取现场过程回放的方式进行演练讲评。演练结束后，专家组对演练中受训学员的快速反应能力、对现场态势的分析处置能力以及能否按照抢险预案和事故现场实际情况制定出最佳的抢险救援方案等进行讲评，提高受训者在实际战斗中的作战指挥能力。

（5）对外参观交流。实验室计算机模拟演练平台自建成以来得到了广泛关注，多次接待各级领导参观指导和国内外消防领域专家、学者交流访问，并获得了较高的评价。本部分主要是使用照片和视频资料，选材按照观摩人员的职业类别以及国籍等进行分类，突出重点，强调代表性。

拍摄所用的设备为Panasonic的AG-3DA1MC型集成式3D摄录一体机。此设备为单机身配备双镜头，通过双镜头系统可以调节相机内的左右两个镜头的光轴交汇点进行3D图像录制。

2 视频编码

人在观察物体时，两只眼睛的注视角度稍有不同，左、右两只眼睛在视网膜上投射的图像存在一定程度的水平差异，其差异被大脑识别后，经过大脑皮层的融合作用，眼睛就能看到物体的深度与距离，即可形成具有立体感的视觉影像（见图1）。

图1 双眼视差立体成像原理图

图1中A和B为两物点，A1和A2分别为物点A在屏幕上呈现的左、右图像，B1和B2分别为物点B在屏幕上呈现的左、右图像。如果通过设备使左眼只能看到A1和B1，右眼只能看到A2和B2，在大脑中就可以反映出物点A和B的深度信息。双眼视差随与物点的距离增加而变化，当距离超过1 300m时双眼视差为零。如果双眼的视力差距很大（如一个眼睛视力正常，一只眼睛弱视），也看不出立体效果［1-5］。

立体视频一般有2个视频通道，数据量远超过单通道视频，所以对立体视频的高效压缩尤为重要。CineForm软件具有高效编码的优势，利用该软件对素材进行编码，不仅能够提高剪辑的流畅性，还能很好地提升画质，方便后期制作过程中对素材进行抠像、合成、调色等操作。用AG-3DA1MC摄录机拍摄的记录为AVCHD编码，并存储在2块SDHC卡中。我们将卡中的记录完整备份后，使用CineForm软件的HDLink对卡中包含左右两眼视频的素材进行编码。HDLink可对单一或多个文件或文件夹中的所有文件进行编码，并通过Prefs设置其存储位置及输出格式（见图2）。

启动CineForm的FirstLight软件，导入经HDlink编码后的Left Eye File和Right Eye File素材，将左右两眼文件合并成一个3D文件。使用First-Light软件可实现实时一级全局校正视频色彩及其他的Active MetaData和Passive MetaData的调整，这是CineForm编码的素材与Apple ProRes和Avid DNxHD的主要区别。操作过程如图3所示。

图2 CineForm编码界面图

图3 操作流程图

3 三维视频编辑

视频编辑主要采用目前流行的Adobe Premiere Pro非线性编辑软件。虽然它具有强大的视频及音频编辑功能，但是由于高清视频是采用不同封装格式的压缩编码而成，具有很多不同的格式，然而Premiere Pro并不能完全支持它们，因此在编辑高清视频时无法直接导入编辑器。

我们通过使用Premiere Pro的相关插件以及CineForm软件的配合，实现了高清视频的直接导入，这样可以减少因转码而造成的视频质量的损失［6-7］。

设置AG-3DA1MC摄录机录制的视频分辨率为1920×1080像素，因此Premiere Pro预设中应设置相同的分辨率。视频编辑所需素材主要来源于两部分：一部分是由AG-3DA1MC摄录机录制的视频，经过CineForm软件的编码和合并后成为单个3D视频素材，可直接导入视频编辑器；另一部分是使用其他2D视频素材，需要经过相应的设置转换为3D视频。

3.1 视频格式

立体视频不论是左右分离、左右合成、上下合成，还是逐行扫描交错等格式，都可以用Stereoscopic-Player或其他立体播放软件播放成双屏输出、跨屏、左右画面、上下画面、交错画面等显示方式。笔者采用的是可做成1080高清的上下格式。上下格式是偏振格式之一，当戴上偏振光眼镜时，左右眼只能分别看到对应的视图，从而实现分像。上下格式和左右格式都是非标准长宽比的视频格式，上下格式是上下排放的。现在流行的宽屏16∶9立体电影即做成上下格式，2D播放时拥有更大的可视面积［7-8］。

3.2 视频编辑

由于最终要播放的是立体视频，如果导入的素材是2D视频，则必须按照立体视频的格式输出。若导入的素材大小和所需大小（本实验中使用1920×1080）一致，设置相对比较简单：将素材分别拖入时间线1和时间线2，设置时间线1素材的特效控制台的fx运动属性。由于上下格式的真正分辨率算法是宽度不变，高度除以2，因此调整高度为50，取消等比缩放的复选框，设置位置960×810；同样设置时间线2素材的特效控制台，点击fx运动属性，调整高度为50，取消等比缩放的复选框，设置位置960×270。若素材大小与所需不一致，有2种设置方法。

第一种方法是：通过其他软件如AfterEffect将素材按照所需大小重新输出后，即可按照上述介绍的视频大小与所需视频大小一致的方法进行设置，设置如图4所示。

图4 方法1属性设置图

第二种方法是：将同一素材分别拖至时间线1和时间线2，将时间线1素材缩放至显示窗口的上半部屏幕，时间线2素材缩放至显示窗口的下半部屏幕。fx运动属性的设置要根据导入素材大小进行调节，数值上没有规律可遵循，需要逐一细微调节，同时要通过3D播放软件反复察看调节的位置是否合适，观看是否有眩晕感，设置如图5所示。图6为效果图。

图5 方法2属性设置图

4 效果和应注意的问题

图6 效果图

三维立体视频色彩鲜艳，层次清晰，能够产生很强的视觉冲击力，给人一种身临其境的感觉，可以真实地重现客观世界的景象，表现出图像的深度感、层次感和真实感。虽然目前3D技术迅猛发展，但由于成像技术的运用没有考虑到人眼对注视物体模糊程度差异的调节，导致三维立体画面不分远近，均清晰地呈现在观众面前，很容易使人产生眼疲劳。同时由于三维立体视频播放的影像有重叠的视觉效果，且播放速度比正常慢，常给人眩晕的感觉。早在2010年4月，三星电子曾在其澳大利亚网站上发布了一份题为《光敏性癫痫警告和其他健康风险》的报告，列出了由于观看3D电视可能产生的视力下降、头晕、视线恍惚等症状以及由此引起的恶心、抽搐、痉挛、方向障碍等不适。索尼和松下也对使用采用3D技术产品的消费者提出过类似的警示［9-14］。可见，不论是眼镜式立体视频还是后来发展的裸眼式3D，对人的健康影响都不应被忽视。

（References）

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