數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)方案設計

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 設計思路

1）硬件需求：三維虛擬演播室系統(tǒng)應為全數(shù)字系統(tǒng)，系統(tǒng)視頻質(zhì)量應達到廣播級要求，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：無論是系統(tǒng)框架、硬件設備還是軟件都應緊隨技術(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備，并在此基礎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，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)設計

3.1 設計基本原則

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)定性的復雜系統(tǒng)。結(jié)合實際需求，整個系統(tǒng)搭建的基礎是系統(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)操作流程和用戶習慣對界面進行分層布局設計。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的虛擬場景。“多對一”系統(tǒng)架構(gòu)具有高度的集成度，設備構(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、無需人工精確測量和計算、軟件操作簡單，鼠標一點，即可實現(xiàn)多機位的透視關系定位。

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)設定，攝像機任意推拉搖移，無限藍箱的范圍自適應變化；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)，可按關鍵幀點進行編輯，可和任意物體相關聯(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)設計[J].電視技術(shù)，2010（3）：70-72.