廣播電視臺高清虛擬演播室的技術(shù)及應(yīng)用研究

李召征

（臨清市融媒體中心，山東 聊城 252600）

導(dǎo)語

所謂的虛擬工作室，主要是基于高速圖形計算機和視頻彩色鍵開發(fā)的虛擬系統(tǒng)，在運行過程中可以通過多種方法獲取攝像機運行參數(shù)，實時地進入虛擬背景和色鍵銳器后，前景無縫合成，使整個鏡頭繪畫面孔變得更加生動，基于虛擬工作室方面開發(fā)的3D軟件，目前我國正在開發(fā)研制的多種三維動畫軟件都有廣闊的應(yīng)用前景以及良好的商業(yè)變現(xiàn)效果。 為了更好的解決這個問題，我國還需要繼續(xù)加大資金、技術(shù)、人才等方面的支持力度。

1.簡析廣播網(wǎng)絡(luò)電視臺高清虛擬電視演播室特點

一般來說，大多數(shù)高清虛擬工作室都是由Orad系統(tǒng)提供支持的一種新的跟蹤系統(tǒng)，以網(wǎng)格跟蹤為主，輔以紅外傳感和機械傳感的新型跟蹤類系統(tǒng)，它在各方面的表現(xiàn)都是國內(nèi)首屈一指的，尤其是單一的去跟蹤模式，在系統(tǒng)的比較中會更加明顯。 可以為攝像機提供虛擬工作室，更大的空間允許自由運動拍攝，如肩裝相機、搖桿相機，雖然相機的類型不同，但在這個工作室里它不會受到影響。[1]此外，在攝影棚內(nèi)它可以實現(xiàn)360°無死角拍攝。 在某種程度上，它可以被看作是一個獨立的系統(tǒng)并且可以在更大的系統(tǒng)中工作。

2.高清虛擬演播室系統(tǒng)在電視臺中的應(yīng)用效果

2.1 降低后期制作難度，改善畫面精度

電視節(jié)目的幕后制作也占據(jù)較大的制作比例。在高清虛擬演播室系統(tǒng)的幫助下進行后期的構(gòu)圖前，需要對整體畫面的質(zhì)量以及清晰度進行校準(zhǔn)，這樣，也就能更有效地提高畫面表現(xiàn)的細(xì)膩精致感效果和真實感，同時還可以根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境需要來調(diào)節(jié)畫面燈光的亮度及白天黑暗度的明暗變化，以達(dá)到更好的觀看體驗。[3]值得注意的一點是在大多數(shù)錄音制作時都采用的高清虛擬演播室系統(tǒng)程序是以線性的編輯方式來制作，通過PR等具有復(fù)雜處理功能的編輯軟件，實現(xiàn)特效合成和字幕、特效合成等多種功能，也就可以通過 綜合編輯等各種方式實現(xiàn)有效地拓寬后期制作技術(shù)。

3.高清虛擬演播室系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 跟蹤定位系統(tǒng)研究

GPS跟蹤系統(tǒng)是高清虛擬演播室系統(tǒng)的（如圖1所示）一個核心系統(tǒng)，也是編程的重要組成部分。 在大多數(shù)情況下，也可以根據(jù)運動數(shù)據(jù)生成精確的跟蹤數(shù)據(jù)來自動調(diào)節(jié)運動頻率、鏡頭變化和參數(shù)。當(dāng)然，這種類型系統(tǒng)中的設(shè)備系統(tǒng)仍須有符合其自身一定數(shù)量特性的、可作為優(yōu)先實現(xiàn)的應(yīng)用功能。依其所需要的設(shè)備系統(tǒng)，保證在其一定寬度范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)滿足其實際應(yīng)用功能。[4]其次，系統(tǒng)一般多采用機械傳感器跟蹤裝置，這套裝置也可以考慮使它同時可以被傳感器隨時跟蹤并感知，接收到多個數(shù)據(jù)參數(shù)信號，并能夠同時將所有數(shù)據(jù)的參數(shù)信息進行組合，然后存儲起來處理并發(fā)送反饋信息到圖形工作站。筆者所在單位最近正研究用這個新方法在另一種可能存在誤差的情況下，機械傳感器可以覆蓋獲得誤差的幾乎所有垂直方向。因此，它無疑可以最有效地補償在機械傳感器水平視角方向上所存在的誤差問題，由此可以更好的提升檢測的精準(zhǔn)度，彌補網(wǎng)格傳感器缺點的同時，它的本身設(shè)計還將會更加有效地來幫助提高機械物體的位置、傳感速度、位置跟蹤系統(tǒng)的運行效率，使得虛擬位置技術(shù)的實際應(yīng)用空間得到更加有效的擴大。最后，小型的紅外傳感器系統(tǒng)。這個瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它能夠自由且靈活方便地通過控制或移動球拍來進行射擊瞄準(zhǔn)，以進行實時紅外跟蹤并獲得紅外攝像機的紅外運動參數(shù)，從而實現(xiàn)對移動相機的精確定位。[5]

圖1 高清虛擬演播室系統(tǒng)簡圖

3.2 實時渲染平臺技術(shù)探究

實時場景渲染及處理技術(shù)平臺的特點是通過特殊方式將該應(yīng)用系統(tǒng)自身的各種性能特點優(yōu)勢與實時場景跟蹤和實時數(shù)據(jù)方面的強大性能優(yōu)勢相結(jié)合，通過實現(xiàn)虛擬實時場景進行跟蹤渲染，文字信息、圖像信息數(shù)據(jù)的實時高速轉(zhuǎn)換及處理等各種處理方式來真正實現(xiàn)高速實時數(shù)字信號的渲染輸出。

3.3 虛擬場景制作技術(shù)探究

虛擬場景的創(chuàng)造在很大程度上依賴于3D技術(shù)。有了這個軟件技術(shù)，首先能夠完成足夠數(shù)量的第三方圖形模型的制作。建立貼圖模型，根據(jù)貼圖在打光后產(chǎn)生的情況來自己選擇貼圖進行三維虛擬的場景構(gòu)造及制作，保存轉(zhuǎn)換為適當(dāng)尺寸的格式文件。其次，考慮到模型曲面的數(shù)量，最好不要超過一萬個正四邊形。在提前進行生產(chǎn)建模時就應(yīng)同時考慮模型不同坐標(biāo)軸的對應(yīng)位置，以便確保與場景模型內(nèi)的坐標(biāo)值有很好的匹配。與此同時，需要多做一個針對不同模型對象層數(shù)的序列架構(gòu)，以便該序列構(gòu)架并不會明顯影響到整個虛擬生產(chǎn)場景中的仿真制作效果。[6]

4.虛擬演播室系統(tǒng)具體技術(shù)探究

4.1 系統(tǒng)主要配置

整體的高清演播室的框架圖如圖2所示，對高清演播室系統(tǒng)的配置而言，其整體系統(tǒng)由四迅道松下ak—hc931所構(gòu)成，并且在其中可以由一個小搖臂所搭配使用。虛擬系統(tǒng)的主要設(shè)備是由一套九成三的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格，以及此配套的v di打碼設(shè)備與d vp網(wǎng)絡(luò)識別設(shè)備，其整體設(shè)備一個由固定機位的機械傳感器組成，一個由搖臂機位的小紅外跟蹤器，以及由虛擬場景功能集成為一體的HD vg實時圖像渲染工作站等來組成整體系統(tǒng)。[7]

圖2 虛擬演播室框架圖

4.2 虛擬演播室信號輸出流程

在虛擬演播室的系統(tǒng)開發(fā)當(dāng)中，具體系統(tǒng)應(yīng)用時，應(yīng)該將信號的流程進行規(guī)劃總結(jié)。首先應(yīng)該使用攝像機來輸出應(yīng)有的信號，經(jīng)過新型的v di設(shè)備，在打入標(biāo)識碼之后直接切需要對整體的信號流程進行總結(jié)，這樣才能在虛擬演播室系統(tǒng)的開發(fā)當(dāng)中，使具體的應(yīng)用系統(tǒng)得到良好的運行。通過對攝像機的輸入輸出信號進行調(diào)整，經(jīng)過新型設(shè)備v di再打入標(biāo)識碼之后，就應(yīng)立即切換另一臺設(shè)備進行操作。同時，利用d vp設(shè)備進行整體攝像識別以及攝像頭的切換，將整體信號通過網(wǎng)絡(luò)攝像機進行控制調(diào)整，對整體HDVG圖像顯示器的圖像進行渲染，同時調(diào)整每個機位的位置，使演播室內(nèi)的每個機器都正對演播室。在相應(yīng)關(guān)聯(lián)下進行高清臺的切換以及輔助母線信號兩路信號的視頻處理，一路信號作為輸出端對攝像機的前景信號進行輸出，將使用信號輸出送到HD vg的機器內(nèi)進行處理。另一路輸出信號與攝像機HD NG相匹配，進行d vp網(wǎng)絡(luò)圖像實時跟蹤并進行圖像數(shù)據(jù)的時刻采集處理。通過使用對攝像機畫面中的網(wǎng)絡(luò)進行跟蹤信號的實時跟蹤處理，將采集到的數(shù)據(jù)與攝像機的運動軌跡進行圖像分析，并使其與攝像機鏡頭的位置變化，信號參數(shù)進行對比。以此來完成對攝像機進行定位檢測以及動態(tài)的實時跟蹤。在使用HD vg設(shè)備系統(tǒng)的同時，攝像系統(tǒng)也必須能夠自動的連接到機器，傳感器以及紅外傳感器上使直接采集到的信息，可以通過攝像機進行遠(yuǎn)程的信號軌跡分析，實時跟蹤攝像機鏡頭位置變化而帶來的信號誤差。[8]從而來實現(xiàn)全方位的定位跟蹤。HD vg輸出后，產(chǎn)生前進信號、背景信號，以及matte信號。最后，經(jīng)過色鍵器的合成后，將整體視頻送往切換臺進行最后一步的信號輸出。最后再使用HD vg所生成的虛擬場景作為整體背景視頻的信息信號填充，根據(jù)場景所需要的整體背景，再通過調(diào)色，對顏色進行微調(diào)來實現(xiàn)視頻與三維模擬背景視頻的完美結(jié)合。

4.3 虛擬植入技術(shù)

通過對虛擬網(wǎng)絡(luò)演播室系統(tǒng)進行合理的設(shè)計與配置，可以同時完成虛擬演播室真實場景的植入，同時也可以利用各種技術(shù)手段來對實際工程進行操作，實際上，兩種基本功能是相輔相成，相互協(xié)調(diào)，共同來完成網(wǎng)絡(luò)演播室系統(tǒng)的運行。虛擬實景的植入，在現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)演播室中，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在電視節(jié)目錄制當(dāng)中，通過在電視節(jié)目的畫面中添加一些虛擬舞臺效果，例如星光煙霧等可以豐富整個電視舞臺，增強電視整體的色彩感。

4.4 場景制作技術(shù)

制作三維虛擬燈光場景效果的三維模型可以直接下載在系統(tǒng)內(nèi)置的三維制作設(shè)計軟件3D designer中，直接進行渲染完成，也可以通過導(dǎo)入到各種第三方軟件中進行創(chuàng)作。比如3D Studio內(nèi)置的渲染軟件Max、Maya和動畫軟件Softimage等，需要在建模框和貼圖板打光用完燈光之后，將燈光中的貼圖等圖形信息烘焙制發(fā)到某一張貼圖板文件上，保存為格式通常為wrl格式的文件即可（3D designer只識別這一種格式的文件）。同時也應(yīng)考慮到對模型面數(shù)的特殊要求，一般不允許超過一萬個四邊角面數(shù)（兩萬個三角面）。

結(jié)語

虛擬演播室制作已成為一種新興的數(shù)字電子技術(shù)。對電視設(shè)計工程師而言，對備件的要求相對不高，所以成本很容易控制。目前，電視臺積極制作并宣傳推廣此類電視節(jié)目。文章結(jié)合當(dāng)前流行的中國高清虛擬演播室系統(tǒng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)電視臺技術(shù)中的具體應(yīng)用，同時深入研究分析了衛(wèi)星定位及跟蹤系統(tǒng)技術(shù)的重要作用，通過實時圖像渲染平臺構(gòu)建、虛擬演播室場景的制作技術(shù)等對高清虛擬演播室的系統(tǒng)平臺構(gòu)建策略的探討等深入分析，希望能真正有效地提高行業(yè)檔次，從而保證行業(yè)持續(xù)平穩(wěn)和快速發(fā)展。