羅蘊軍，肖 穎

（1.新余市廣播電視臺，江西 新余 338000；2.國家新聞出版廣電局553臺，上海 201908）

傳統(tǒng)的電視節(jié)目制作通常使用攝像機拍攝、計算機三維動畫制作等方式得到的視頻圖像經(jīng)非線性編輯系統(tǒng)編輯制作成片。非線性編輯系統(tǒng)的處理是基于平面圖形圖像的處理，將視頻圖像融合在一起，是對多層視頻流圖像基于平面圖像的特技處理[1]。

三維虛擬演播室是一種獨特的電視節(jié)目制作技術(shù)。其實質(zhì)是將攝像機現(xiàn)場拍攝人物活動圖像和三維虛擬物體圖像制作進行數(shù)字化的實時合成，使虛擬背景與人物前景能夠同步變化，實現(xiàn)二者天衣無縫的融合，以獲得完美的合成圖像。這項技術(shù)目前已在越來越多的節(jié)目制作中采用。為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要，提高電視節(jié)目制作的效率和產(chǎn)出率，豐富電視節(jié)目的制作手段，對于廣播電視臺來說，建設(shè)數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)是十分有必要的。

1 數(shù)字化三維虛擬演播室的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)演播室，數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)具有較多優(yōu)點。具體體現(xiàn)在：

1）視頻圖像實時生成，通常用作電視節(jié)目的實時生成，縮短了節(jié)目制作周期，制作效率大大提高。

2）可充分利用演播室資源，節(jié)省制景、布景所需的人力、物力、財力和時間成本。

3）可使小演播室實現(xiàn)大演播室的拍攝效果，省去了大量的燈具和耗電費用。

4）系統(tǒng)用軟件來生成虛擬道具和虛擬背景，可以在瞬間改變場景，使場景設(shè)計制作人員擺脫多方面的限制。

5）可運用真實與虛擬實時完美結(jié)合的特點，能完成一些特殊的特技效果，利于電視制作的創(chuàng)作。

6）虛擬演播室系統(tǒng)的應(yīng)用有效地提高了多媒體產(chǎn)品制作水平及推動多媒體制作發(fā)展。

2 三維虛擬演播室系統(tǒng)項目需求

2.1 設(shè)計思路

1）硬件需求：三維虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)為全數(shù)字系統(tǒng)，系統(tǒng)視頻質(zhì)量應(yīng)達到廣播級要求，要符合實時真三維虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)要求。采用雙機位單通道演播室系統(tǒng)，能方便地根據(jù)需要進行升級擴展。采用專業(yè)圖形渲染工作站，實時渲染效率高，可靠穩(wěn)定。采用高性能數(shù)字色鍵器和視頻輸出板卡，系統(tǒng)必須有可靠的穩(wěn)定性。

2）軟件需求：系統(tǒng)軟件要運行穩(wěn)定，兼容性良好，具有開放的操作平臺；跟蹤系統(tǒng)應(yīng)具有先進的跟蹤技術(shù)和較高的跟蹤精度，系統(tǒng)長時間工作無機械回差；系統(tǒng)應(yīng)具有三維動態(tài)無限藍箱功能，并支持自動景深識別與自動景置匹配功能；在機位切換過程中，保證前景信號與虛擬背景信號場同步切換；可以實現(xiàn)攝像機的虛擬導(dǎo)軌、搖臂、航拍等運動拍攝效果；系統(tǒng)支持外同步功能，自帶同步分配器；系統(tǒng)需確保音視頻同步。

3）系統(tǒng)目標(biāo)：無論是系統(tǒng)框架、硬件設(shè)備還是軟件都應(yīng)緊隨技術(shù)發(fā)展潮流；可多個欄目共用同一個演播室，實現(xiàn)小演播室無法實現(xiàn)的功能；系統(tǒng)采用先進的技術(shù)和經(jīng)驗，選擇先進和實用的軟硬件設(shè)備；系統(tǒng)對演播室燈光沒有嚴格要求，能夠與其他演播室系統(tǒng)進行連接；軟硬件升級換代方便、可靠，便于擴展，以適應(yīng)未來發(fā)展的需要。

2.2 施工要求

1）藍箱搭建的要求：構(gòu)建的虛擬演播室藍箱尺寸為寬6.5 m、深4.0 m、高2.5 m。藍箱地板下木地條相互間隔小于2.5 cm；整個藍箱箱體漆面不能出現(xiàn)裂縫和縫隙，確?？巯裥Ч?；藍箱所有轉(zhuǎn)角處的圓弧應(yīng)平滑過渡，確保燈光投射均勻、無陰影。藍箱必須使用專業(yè)進口藍箱亞光漆刷面；同時藍箱地面防護使用塑膠地板鋪面處理。

2）燈光的要求：合理利用本臺原有的部分燈光和燈光控制設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上按照虛擬演播室燈光布置要求完成對演播室的燈光改造，達到演播室內(nèi)主持人拍攝和節(jié)目錄制質(zhì)量規(guī)范要求。燈光系統(tǒng)是采用新型的三基色柔光燈為基礎(chǔ)，進行區(qū)域布光、立體布光、先前景布光，后藍箱布光。為了保證光照的一致性，要求人物前景與藍箱背景照度相匹配。

3 數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計基本原則

數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)是結(jié)合三維虛擬演播室技術(shù)、三維圖文技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的全新一代高性能、高穩(wěn)定性的復(fù)雜系統(tǒng)。結(jié)合實際需求，整個系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的確立。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)圖選用軟硬件，使得系統(tǒng)的內(nèi)部硬件傳輸圖像信號無損，兼容模擬、數(shù)字標(biāo)清、數(shù)字高清等各種制式視頻?？刂平缑嫘枰鶕?jù)操作流程和用戶習(xí)慣對界面進行分層布局設(shè)計。還要充分考慮系統(tǒng)的可擴展性和易升級性。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)可采用多種系統(tǒng)架構(gòu)，一般有適用于直播系統(tǒng)的“一對一的獨立通道化”的系統(tǒng)架構(gòu)和高集成度的“多對一”系統(tǒng)架構(gòu)，本臺根據(jù)實際需求，采用性能價格比中最高的“多對一”的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化兩機位單通道虛擬演播室“多對一”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

“多對一”系統(tǒng)架構(gòu)即多臺攝像機共用一套圖形工作站，前景信號由視頻切換器進行不同機位信號的選擇，圖形工作站根據(jù)不同的機位提供相應(yīng)的虛擬場景?！岸鄬σ弧毕到y(tǒng)架構(gòu)具有高度的集成度，設(shè)備構(gòu)成簡潔可靠，具備很好的性價比。系統(tǒng)的升級擴展非常方便，增加機位只是增加一套傳感系統(tǒng)即可，對系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性沒有絲毫影響[2]。

3.3 系統(tǒng)主要設(shè)備

1）圖形工作站系統(tǒng)。圖形系統(tǒng)是基于OPEN-GL圖形平臺之上加上高效強勁的三維渲染引擎，采用高性能的專業(yè)圖形工作站以及高質(zhì)量的專業(yè)3D加速處理卡，實時跟蹤攝像機的平搖、變焦和俯仰等相應(yīng)參數(shù)的變化，并根據(jù)參數(shù)的變化實時生成運動的三維虛擬場景。三維虛擬場景中的景物是具縱深感的立體影像，配以場景優(yōu)化處理技術(shù)，保證系統(tǒng)能夠流暢地運行復(fù)雜的三維場景，使場景畫面更細膩、逼真。具體配置：硬件采用HP-Z420工作站為平臺，工作站級64位高性能六核雙至強E5-2620v2 CPU、8G ECC校驗內(nèi)存、1 Tbyte SATA系統(tǒng)硬盤、專業(yè)圖形加速卡GeForce GTX 780圖形核心、Matrox DSX系列高端專業(yè)多通道I/O視頻處理卡（64 bit總線處理、存儲讀寫速率2 Gbit/s、支持4路HD SDI數(shù)字視頻信號輸入和4路輸出、視頻同步鎖相）；軟件采用MAR?IANA.VS虛擬演播室系統(tǒng)圖形工作站軟件。

2）傳感系統(tǒng)。采用日本原裝SHOTOKU公司虛擬演播室專用承托設(shè)備SH120VR。具備穩(wěn)定安裝攝像機，并通過實時輸出云臺的搖、俯仰運動參數(shù)，來確定圖形相形的位置及角度變化。云臺與便攜式三角架采用100 mm以上球碗連接方式；阻尼連續(xù)可調(diào)，連續(xù)動態(tài)平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)；基于雙平衡系統(tǒng)，可承受有效負荷25 kg的設(shè)備重量，精度高、可靠性高；搖擺分辨率和俯仰分辨率精度極高。

3）色鍵合成處理器。系統(tǒng)采用ULTIMATTE 11高清色鍵技術(shù)和設(shè)備，采用色度矢量處理方法、線性處理技術(shù)和多種參數(shù)控制來產(chǎn)生自然的邊緣，并能同時實現(xiàn)特殊狀態(tài)的色鍵處理（如發(fā)絲、陰影、煙霧、透明體和動態(tài)模糊的邊緣），最大限度地保留了影像細節(jié)，使人物和物體與場景合成效果非常真實。

3.4 系統(tǒng)顯著特點

1）瞬間自適應(yīng)初始化定位。系統(tǒng)采用智能識別分析算法，真正實現(xiàn)一鍵高精度初始化定位，初始化定位不需限定物理攝像機在演播室的擺放位置、不需限定節(jié)目主持人在演播室中的位置、不依賴于第三方參考目標(biāo)、無需人工精確測量和計算、軟件操作簡單，鼠標(biāo)一點，即可實現(xiàn)多機位的透視關(guān)系定位。

2）高精度的傳感跟蹤。攝像機鏡頭及云臺運動數(shù)據(jù)由傳感跟蹤系統(tǒng)獲取，系統(tǒng)采用機械傳感器跟蹤方式，實現(xiàn)對機位俯仰、平搖、變焦、旋轉(zhuǎn)等任意運動的高精度和高速度跟蹤。該方式相當(dāng)穩(wěn)定不受環(huán)境光源的干擾，傳感器直接從攝像機云臺數(shù)據(jù)輸出接口及攝像機鏡頭數(shù)據(jù)接口處獲取運動數(shù)據(jù)。

3）高質(zhì)實時三維渲染。在OpenGL技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了渲染引擎平臺是為三維虛擬場景、三維虛擬圖文應(yīng)用提供功能強大的渲染平臺。能夠逼真地描繪出物體的凹凸貼圖、片段光照、紋理材質(zhì)、高光反射等細膩真實的效果，實現(xiàn)高質(zhì)量的實時三維渲染。

4）動態(tài)無限藍箱功能。將動態(tài)無限藍箱技術(shù)嵌入到三維渲染引擎中，無需任何測量，數(shù)秒鐘即可完成動態(tài)無限藍箱的參數(shù)設(shè)定，攝像機任意推拉搖移，無限藍箱的范圍自適應(yīng)變化；動態(tài)無限藍箱的邊緣實現(xiàn)無級平滑；同時實現(xiàn)節(jié)目主持人與場景中道具的正確遮擋關(guān)系。

5）沿時間線任意編播。系統(tǒng)中的所有特技效果、活動視頻、虛擬燈光和虛擬物體等的運動、縮放、旋轉(zhuǎn)等都可以在時間線上按幀編輯，也可以沿任意軌跡瀏覽、運動；軌跡曲線也可平移、縮放、旋轉(zhuǎn)，可按關(guān)鍵幀點進行編輯，可和任意物體相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)全場景任意物體沿時間線的任意編輯播出[3]。

4 結(jié)束語

數(shù)字化三維虛擬演播室技術(shù)不僅提高了電視節(jié)目制作效率，同時大幅度降低了電視節(jié)目的制作成本，而且可以實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的節(jié)目制作效果。隨著計算機多媒體技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，視頻數(shù)字化的進步，該項技術(shù)會日趨完善，其在廣播電視行業(yè)的應(yīng)用前景也愈加廣闊。

[1] 朱巍峰，李震陽.數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2010（12）：219-222.

[2] 劉偉.真三維虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)用與技術(shù)[J].電視技術(shù)，2011，35（10）：59-60.

[3] 馬巾，別業(yè)鵬，馬雙.荊門電視臺虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù)，2010（3）：70-72.