胡潤(rùn)虎 李超紅 張澍舟

（作者單位：甘肅省氣象服務(wù)中心）

1 Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)的概述

Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)是以圖形、圖像、視頻、控制、傳感、機(jī)械、電子、光學(xué)、多媒體、計(jì)算機(jī)等應(yīng)用學(xué)科為基礎(chǔ)，以視頻與圖形圖像處理為主，軟硬件結(jié)合的應(yīng)用與創(chuàng)作平臺(tái)。Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)包括攝像機(jī)跟蹤技術(shù)，三維虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)與搭建、綠箱技術(shù)、燈光布光技術(shù)以及色鍵的摳像技術(shù)。

2 攝像機(jī)跟蹤技術(shù)工作原理

Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)攝像機(jī)跟蹤技術(shù)，通過加裝了傳感器的云平臺(tái)，獲取攝像機(jī)的位置、高度、搖移、俯仰信息，在機(jī)頭上加裝傳感器，瞬間自動(dòng)確定攝像機(jī)的聚焦和變焦信息。Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)采用自主研發(fā)的智能識(shí)別分析算法，真正實(shí)現(xiàn)快速高精度初始化定位。采用精確的圖形處理和擬合算法，可以精確計(jì)算攝像機(jī)的俯仰、平搖和變焦的變化，實(shí)時(shí)生成相對(duì)應(yīng)的虛擬場(chǎng)景，具有處理速度快，精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)；也可以采用虛擬攝像機(jī)（不加傳感）進(jìn)行定位，虛擬攝像機(jī)移動(dòng)或者主持人移動(dòng)，不需要使用傳感器做任何測(cè)量，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整使用。

3 三維虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)與搭建

Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)三維軟件里面創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景，攝像機(jī)能夠在場(chǎng)景里面自由運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)時(shí)讀取3D max設(shè)計(jì)好的場(chǎng)景模型，利用三維軟件多邊形建模的形式，采用少量多邊形建模，有規(guī)則的幾何體根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行修改，達(dá)到所需要的三維模型和氣象圖形圖像。采用紋理緩存、渲染狀態(tài)緩存、GPU編程等一系列手段，充分發(fā)揮了高端圖形加速卡GPU可編程渲染管線特性，可以同時(shí)實(shí)時(shí)渲染幾百萬個(gè)三維模型面片、200M的三維紋理貼圖、多路的視頻開窗；因此，使得大的場(chǎng)景、更加精細(xì)，實(shí)現(xiàn)任意組合的虛擬特效和虛擬場(chǎng)景。

Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)采用開放式的整體架構(gòu)和開放式的軟件結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)包括場(chǎng)景模板設(shè)計(jì)器、渲染器和播出控制器，真正實(shí)現(xiàn)了“制作”“渲染”“播出”分離更穩(wěn)定、更安全、高質(zhì)量的工作模式。Mariana.5D虛擬演播室系統(tǒng)突破原有虛擬演播室所受到的渲染能力和效果限制，在場(chǎng)景渲染效果上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

4 綠箱技術(shù)

Mariana.5D 虛擬演播室中的攝像機(jī)所拍攝的是以綠色為背景的主持人畫面，全部綠色區(qū)域?qū)⒈缓铣傻接?jì)算機(jī)三維軟件生成的虛擬場(chǎng)景中。綠箱是由綠墻和綠色的地面組合的綠色區(qū)域，該區(qū)域沒有實(shí)際的物理尺寸限制，并且天氣預(yù)報(bào)節(jié)目一般只有一個(gè)主持人在虛擬場(chǎng)景中活動(dòng)，一般不需要太大的綠箱。但是，正面臨近的墻角應(yīng)大于90°，這樣布光就更容易一點(diǎn)，且墻壁之間不會(huì)有相互反射。

5 Mariana.5D 虛擬演播室的燈光技術(shù)

虛擬演播室燈光結(jié)合室內(nèi)的高度和錄制節(jié)目的性質(zhì)，采用整體格柵燈架式吊掛方式，傳統(tǒng)三點(diǎn)式布光和新型LED光源環(huán)形布光相結(jié)合方式。二者結(jié)合使用使人物更具立體感，形象更加生動(dòng)活潑。所有燈光可前后左右小范圍挪動(dòng)，LED燈具的布光能夠滿足虛擬摳像技術(shù)的需求。根據(jù)房間高度，每臺(tái)燈配備上一副恒力鉸鏈吊桿，可上下移動(dòng)，使調(diào)光更靈活方便，達(dá)到立體布光的效果，以保障整個(gè)畫面的清晰度。

6 Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)的色鍵摳像技術(shù)

Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)采用外置獨(dú)立數(shù)字色建器，可以獨(dú)立運(yùn)行，不依賴圖形工作站，產(chǎn)生自然的邊緣，實(shí)現(xiàn)自然過渡；同時(shí)，對(duì)陰影、頭發(fā)、物體邊緣和透明體的色鍵處理，使合成效果更加自然疊加。

7 Mariana.5D 虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

甘肅省氣象服務(wù)中心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi){借開發(fā)氣象影視節(jié)目數(shù)字化視頻產(chǎn)品的豐富經(jīng)驗(yàn)和對(duì)圖像處理多年的技術(shù)積累，再加上對(duì)數(shù)字化Mariana.5D虛擬演播室系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)近2年持續(xù)不斷的探索應(yīng)用，所制作虛擬演播室系統(tǒng)是目前全國(guó)氣象行業(yè)渲染能力較強(qiáng)、實(shí)用功能較多的虛

（）（）擬演播室產(chǎn)品。

Mariana.5D虛擬演播室系統(tǒng)相對(duì)于氣象影視節(jié)目演播室有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先，虛擬演播室可以服務(wù)于多個(gè)不同的天氣預(yù)報(bào)節(jié)目。虛擬演播室“虛擬”的特點(diǎn)決定了演播室場(chǎng)景可以很方便地進(jìn)行更換，方便到只需打開另外一個(gè)場(chǎng)景文件。不同的天氣預(yù)報(bào)節(jié)目使用不同的風(fēng)格的虛擬場(chǎng)景，多個(gè)節(jié)目公用同一個(gè)演播室，很大程度上提高了演播室使用率。

Mariana.5D虛擬演播室系統(tǒng)的場(chǎng)景制作和更換非常方便，也為節(jié)目改版更換面孔創(chuàng)造了有利條件。重新制作一個(gè)場(chǎng)景文件，在系統(tǒng)里進(jìn)行場(chǎng)景更換即可完成，現(xiàn)有的三維制作軟件為創(chuàng)作者提供了更廣闊的創(chuàng)作空間，傳統(tǒng)場(chǎng)景制作中難以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)畫效果，在虛擬演播室系統(tǒng)中用圖形工作站輕松制作完成。

虛擬演播室系統(tǒng)是由數(shù)字化錄制，包括演播室綠箱和燈光聲學(xué)裝修，采集、編輯、播出系統(tǒng)等組成，是提供拍攝、制作各種電視節(jié)目錄制，并具有現(xiàn)場(chǎng)直播、錄播、轉(zhuǎn)播、轉(zhuǎn)錄等多種功能。Mariana.5D虛擬演播室系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，可以選用的硬件設(shè)備較多，設(shè)計(jì)方案也可以靈活多樣。然而，不同的設(shè)計(jì)方案、不同的硬件配置開發(fā)出的系統(tǒng)視頻質(zhì)量、功能特點(diǎn)、可靠性與實(shí)用性也不盡相同。因此，可根據(jù)不同節(jié)目的各自需求，開發(fā)出不同需求的Mariana.5D虛擬演播室產(chǎn)品，以供在不同氣象影視節(jié)目中廣泛應(yīng)用。