基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)研究

楊濤

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，廣電行業(yè)掀起了數(shù)字化電視的浪潮，新技術(shù)、新設(shè)備使得電視節(jié)目的制作、播出、傳輸?shù)人蓄I(lǐng)域正發(fā)生日新月異的變革。尤其是2008奧運會以后，全高清三維虛擬電視設(shè)備的發(fā)展和云平臺的發(fā)展已經(jīng)成為大的潮流和趨勢，云平臺為高清三維虛擬電視圖文節(jié)目提供了有力的平臺技術(shù)支持。在這樣的背景下，基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作技術(shù)應(yīng)運而生，系統(tǒng)是以視頻流的軟件圖像處理為主，軟硬件結(jié)合，涉及電子、機械、計算機、圖像處理、光學(xué)、控制算法、云存儲和云計算等眾多領(lǐng)域的一種復(fù)雜系統(tǒng)。本文著眼于對基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作的原理和組成進行剖析研究，對系統(tǒng)的設(shè)計提出建設(shè)性的意見供參考。

1.系統(tǒng)的原理

基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)通過前端攝像機拍攝包含藍幕（或綠幕背景）的視頻信號進入系統(tǒng)中的程控切換器，選出一路視頻信號進入延時器，然后送入色鍵摳像器，與云平臺渲染輸出的三維圖像背景信號合成為三維虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)的最終合成信號。攝像機的各種參數(shù)（推、拉、搖、移）的位置信息通過跟蹤傳感器送入云平臺進行數(shù)據(jù)分析，使輸出的三維圖像背景信號根據(jù)前端攝像機拍攝包含藍幕（或綠幕背景）的視頻的變化作響應(yīng)的透視變化。

2.系統(tǒng)組成

通過對原理的剖析，我們可以了解基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：前端攝像機、程控切換器、設(shè)計渲染云平臺設(shè)備、色鍵摳像器、跟蹤分析云平臺設(shè)備?，F(xiàn)將各部分逐一進行剖析并提出合理化的選擇建議。

（1）前端攝像機

前端攝像機好比系統(tǒng)的眼鏡，直接決定系統(tǒng)最后輸出和合成的效果。對于攝像機各項技術(shù)指標做深入了解，包括信噪比、靈敏度、最低照度、亮度等，不但要對各項指標進行深入了解，而且要對它的價格、消耗功率、調(diào)整控制功能和性能、可靠性、售后服務(wù)支持等全面了解。眼下低照度攝像機、3D攝像機、4K攝像機日趨呈現(xiàn)性價比優(yōu)勢，很多設(shè)計都把他們囊括在內(nèi)，個人覺得這些攝像機配套設(shè)備尚未完善，在系統(tǒng)選擇時還是應(yīng)該選擇各大廠家為虛擬系統(tǒng)量身定制的高清演播室攝像機比較穩(wěn)妥，其配套設(shè)備完善，技術(shù)成熟，不確定因素較少。

（2）程控切換器

程控切換器負責(zé)前端攝像機機位信號的切換，隨著拍攝技術(shù)的要求越來越高，對機位數(shù)量要求與以前有了很大變化，對于一些特殊的節(jié)目會使用數(shù)量比較多的攝像機進行切換。我們在選擇切換器時要根據(jù)需要接口數(shù)量多、具有高清SDI信號輸入、切換信號無損失的高性能切換設(shè)備。

（3）色鍵摳像器

通過調(diào)節(jié)色鍵摳像器的參數(shù)可以完成系統(tǒng)的摳像和合成效果及真實物體和虛擬物體的穿越遮擋。對于色鍵摳像設(shè)備的選擇，我們要從實時性、顏色級別、去陰影效果、邊緣效果等幾個方面考慮，使之選擇的設(shè)備具有摳像路數(shù)多、有效去除背景陰影，無顏色溢出和失真、可實現(xiàn)頭發(fā)絲、半透明物體、陰影等畫面的精細摳像處理合成，使人或物體的邊緣更自然。

（4）云平臺支持設(shè)備（含渲染和跟蹤分析）

設(shè)計渲染云平臺是為前端攝像機經(jīng)摳像后的視頻圖像提供虛擬場景進行合成的平臺，這是整個系統(tǒng)核心部分。通過對市面上的各種平臺的研究和結(jié)合自己的工作經(jīng)驗，整個平臺我建議采用需要類似于3D軟件編輯的四視圖編輯界面，并且有像非線編一樣的基于時軌的云播出控制，任意虛擬物體、虛擬燈光、特技與轉(zhuǎn)場效果均可以按場頻進行任意編輯、運動、旋轉(zhuǎn)、變形和縮放，而且它們的屬性都可以實時調(diào)整，并可根據(jù)虛擬物體的空間位置自動實時指定掩模物件保證正確的遮擋關(guān)系;系統(tǒng)可以智能調(diào)用“云池”中的資源為設(shè)計與渲染服務(wù)，并結(jié)合DirectDraw和OpenGL的圖形接口，采用圖形優(yōu)化算法，處理諸如多重紋理、全場景反走樣、任意曲面貼圖、大地形管理和環(huán)境映射等，并利用云存儲的快速存調(diào)用和云的大數(shù)據(jù)分析處理能力，建立大型的高兼容性的三維虛擬場景模型文件庫供使用者快速調(diào)用，任意模型（3DMAX、MAYA、SOLIDWORK等）都可以調(diào)入庫內(nèi)存儲并隨時調(diào)用而不用經(jīng)過轉(zhuǎn)換，云平臺的處理和運算能力能力可以幫組系統(tǒng)在虛擬場景中加入豐富的三維特效，比如水里游動的魚、燃燒的火焰、飄落的雪花、江南的朦膿煙雨等，特效與三維物體一樣，可以實時改變自身的三維空間坐標、空間姿態(tài)參數(shù)和空間縮放參數(shù)，并可在時軌上沿特定軌跡運動，并且可以保證特效和三維物體隨著虛擬攝像機的運動保持正確的位置、運動和透視關(guān)系，使得云平臺的三維立體虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)的應(yīng)用更真實、有層次感，使欄目的制作取得更豐富的效果。

跟蹤分析云平臺可以利用前端跟蹤模塊對攝像機的推、拉、搖、移、跟、旋轉(zhuǎn)和變焦等攝像機各項參數(shù)進行高精度、高速度采集，并送入云平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，使輸出的圖像背景根據(jù)攝像機拍攝場景的變化作相應(yīng)的透視變化。前端跟蹤模塊建議采用光柵旋轉(zhuǎn)編碼和變頻紅外遙感識別的綜合跟蹤識別方式，把采集到數(shù)據(jù)送入跟蹤分析云平臺進行計算，運用云計算強大的運算能力和準確性，實現(xiàn)虛擬場景和物體毫秒級的處理和定位，瞬時與真實視頻信號進行同步和合成，視頻合成輸出做到穩(wěn)定可靠，無累計誤差，畫面精確同步，絕無任何撕裂、抖動或前后景錯位。利用云平臺的大數(shù)據(jù)處理能力，實時分析并保持多個虛擬大屏幕、多個虛擬物體、多個虛擬特效、多實體物體、虛擬空間正確的空間位置關(guān)系和空間透視關(guān)系，每個前端攝像機對虛擬場景的跟蹤完全獨立，任意切換和實體物體在虛擬場景中的移動不對跟蹤精度和速度造成影響。

以上就是對系統(tǒng)各個主要組成部分的分析和一些合理化建議。本文對于基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統(tǒng)的研究，恰逢我國廣電行業(yè)正處于朝高清技術(shù)進行升級換代的時期，云技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的運用，必將給這個行業(yè)帶來較大變革，對于行業(yè)的發(fā)展前景和技術(shù)革新有一定的參考作用。