哈爾濱電視臺三維網絡包裝字幕制作播出系統

陳即第，姚晴麟，任志強

（1.哈爾濱電視臺，黑龍江 哈爾濱 150036；2.合肥勵圖數碼技術有限公司，安徽 合肥 230088）

責任編輯:孫 卓

1 應用背景和需求

以圖文字幕傳播方式，通過電視熒屏平臺，可以將節目包裝和網絡字幕的理念融合在一起。哈爾濱新聞綜合頻道和都市資訊頻道在進行專業化頻道包裝的同時，提升資訊投放量，不僅靚化熒屏，提高頻道形象，而且大量的、時效性的資訊信息提升了頻道的收視率。

哈爾濱電視臺三維網絡包裝字幕制作播出系統以合肥勵圖公司的在線包裝系統為基礎，采用實時三維渲染引擎、網絡結構，按照多專業共同協作的運營流程模式，將頻道包裝、圖文信息發布和廣告營銷工作結合在一起，是一套具有在線包裝制作、播出和廣告播出管理的綜合系統。

系統具有較廣泛的圖文包裝應用場合，滿足個性化節目包裝、自辦欄目包裝和整體頻道包裝的要求。支持片頭、宣傳片、提要、節目導視等片段性短片合成包裝；支持直播類欄目提要、節目標識、廣告標識、實時資訊、數據統計圖表、視頻DVE、片尾職員等在線渲染包裝以及播出線應用場合的時鐘臺標、劇名、冠名動畫、資訊游動、節目倒計時、股票財經、短信等在線圖文三維渲染播出等。系統可利用移動字幕、掛角、視頻開窗等形式實時對本地及國際新聞、政府公告、出行信息、實時路況、股市行情、天氣預報等地域性資訊信息滾動播出。該系統彌補傳統了傳統圖文電視業務在信息投放量、時效性、多媒體投送手段上的局限性，為傳統電視與新媒體融合作出了嘗試性探索。系統具有的特點為:

1）基于工業級三維圖形OpenGL接口

采用工業級三維圖形OpenGL[1]接口開發的實時渲染引擎，以場景模板播出模式，集字幕、圖形、圖像、動畫、視頻等全三維場景進行實時渲染，畫面效果良好。

2）具有完善的系統結構

創新性網絡化圖文場景制作、數據庫內容實時更新、多終端集中與分布式控制、節目單方式播出應用等先進的系統結構，為系統順暢運行和未來擴展奠定了基礎。

3）系統可與方正無憂播控系統無縫銜接配套使用

系統和哈臺原有播出系統——方正無憂播出系統通過編排單同步和播出節目單實時同步技術，實現兩個系統無縫銜接配套使用。頻道包裝業務和字幕播出業務圍繞節目播出進行熒屏靚化和資訊投放。

2 系統設計思想

系統設計思想包括:

1）整體設計思路。該系統是將節目包裝和網絡字幕的理念融合在一起的全新包裝系統。通過網絡傳輸將廣電行業各業務部門整合在資訊播出的運營中，采、編、播于一體的圖文資訊發布平臺，形成了與節目播出并行的又一信息發布平臺。信息實時采集，多手段發布方式，有效彌補了傳統廣電節目編輯時間長的缺點，發揮了新媒體更新迅速、信息快捷的特點，使廣大電視用戶方便獲取信息，并在傳統電視與新媒體競爭中尋找到了新的經濟增長點。三維網絡字幕包裝系統不僅將在線包裝和三維技術的結合，同時也將自動播出、制作相融合的模式引入到網絡字幕中，使包裝內容和形式更加豐富，播出也更加靈活、成熟。

2）三維技術開發。利用引擎的方式來構建三維對象的管理系統、建模渲染系統、特效系統等。這種模式可以使三維對象的管理渲染效率更高，同時也容易擴展，為后面的應用開發打好基礎。

3）整體框架設計。采用插件的開發方式來構建整個系統，可以使整個系統的開發相對獨立，功能管理更容易、更靈活，應用更方便。

4）系統監測和自我修復。通過SNMP協議來監測系統各個模塊的運行狀況，并在發生故障時能實時報警，對于特殊模塊可以進行故障判斷和自我修復，以確保播出安全。

3 系統關鍵技術

系統關鍵技術包括:

1）基于OpenGL的三維實時渲染引擎。基于OpenGL頂層開發了實時、高效渲染引擎L3D Engine[2]，引擎采用標準化的面向對象語言編寫，有著強大的可管理性和可擴展性。利用GPU的圖形加速技術和CPU的多線程技術，提高渲染引擎效率。引擎包含了場景管理系統、渲染系統、特效系統、其他功能等。

2）基于SNMP的系統監測和核心模塊自我修復技術。系統核心軟件包括渲染引擎、場景文件管理器、數據庫管理等，支持SNMP的狀態檢測[3]，運行過程中如果出現故障，AirCG.3D監控軟件可進行自我修復，確保播出工作不受影響。

3）C/S系統結構，基于LAN的IP控制技術。系統采用C/S系統結構，核心軟件模塊和應用軟件之間采用特有的IP協議進行數據交換，配置成分布式結構，使得整個系統靈活、安全。

4）自動播出系統和在線包裝系統數據交換和聯動。系統利用數據交換網關軟件和自動播出軟件在總編室節目單編排和播出串聯單兩個階段進行數據的自動交換。通過采用節目單名稱及開始時間自動配對算法，實現節目單整合的智能化計算模式。

5）基于場景模板的實時渲染播出模式。場景模板由三維創作軟件制作，編單軟件根據場景模版將可變的文本、圖片和視頻等替換，播出軟件即可進行渲染播出，無需每天制作播出場景，極大地提高了工作效率。

6）專門應用的插件開發。針對應用系統開發了多種專用軟件，如天氣資訊播出、股票播出、短信互動播出、節目導視播出等，這些專用軟件全部采用Plug-in的模式，可做到系統的靈活升級，提高了整個系統的穩定性。

7）多種數據源的關聯播出。實時數據可采用多種方式關聯到場景中，數據源可采用文本、數據庫、HTML、XML等形式，提高了系統的適應能力。

8）將信息采集、廣告統計和編排等業務功能納入字幕系統。資訊信息、實時數據可采用文本、數據庫、形式，通過專用編排統計模塊導入系統，系統貼近實際工作情況。

4 系統的實現

從系統的三維渲染引擎、與自動播出的關聯、系統的開發結構及實現、系統監測和安全性等4方面展開描述系統的實現。

4.1 系統三維渲染引擎技術

三維渲染引擎不單單設計一個渲染功能，而是集場景管理、建模渲染、特效實現以及一些特殊功能實現于一體的實時渲染引擎。這也是與其他渲染引擎的區別，其最大優勢是能方便有效管理場景內容，提高實時渲染效率。

該系統底層基于OpenGL圖形標準的實時渲染引擎L3D Engine。使用面向對象的編程方式，利用GPU的圖形加速技術和多線程技術，提高渲染引擎效率。L3D Engine引擎包括了場景管理系統、渲染系統、特效系統等。

場景管理系統是整個引擎的核心。引擎采用二叉空間分割（Binary Space Partition，BSP）的方法來實現場景的數據結構，BSP使用一個分離面，對每一層一分為二，從而實現對空間的劃分，其中分割的平面可以出現在任何方位。BSP是八叉樹的一般化，可以應用到多維空間的場景管理。與八叉樹相比，BSP樹有內存耗費小、管理靈活平穩、無效區域小的優點。另外，由于是二分空間，方向性更強、判斷更容易，在某些時候可以代替Z-Buffer來解決問題，可以方便執行沖突碰撞檢測。同時在場景管理中還應用到一些像場景分割，可見性剔除、數據存儲、節點評價、動態網格計算技術以及快速定位活動節點的有效碰撞檢測范圍，實現了碰撞檢測算法的優化。

渲染系統把三維場景的節點以及各種效果渲染出來。主要包括場景內容渲染和Shader渲染。場景渲染主要包括場景內容的遍歷、節點的變換、模型的空間轉換、燈光、照相機、投影、細節層次選擇、背面剔除、透視分割、角度計算、網格模型的裁剪、材質紋理、紋理映射和混合、深度測試、抗鋸齒以及Alpha透明測試等；Shader渲染包括頂點著色和像素著色等，主要用到的算法有基于BSP的LOD算法，幾何多重映射算法以及線性插值算法等。

特效系統是系統引擎的一個特色。包括了粒子系統、等離子系統、著色系統和紋理混合:粒子系統可以模擬大量的自然現象和一些特殊效果；等離子系統是引擎的一個特有效果，采用多重紋理差值映射算法來實現，可以實現多種夢幻般效果，像分子裂變，圖形融合等。

引擎為了更好地豐富包裝系統的創作，特別開發了角色動畫系統、2D繪圖功能、導入常見的建模文件格式等:角色動畫系統主要是采用VRML技術將第三方建模軟件創建的帶有骨骼和變形動畫模型導入到L3D Engine的場景中來實現所需效果；2D繪圖功能是快速實現2D圖像的Alpha混合、圖像復制、字體繪制以及2D和3D圖形的混合；引擎支持Maya，3D Studio Max，Milkshape，Quake 3 levels，Quake 2 models，DirectX 等第三方模型的導入。引擎是基于GPU圖形渲染和CPU多線程實現的，其基本機構如圖1所示。

通過與同類型的引擎進行比較，渲染速度有明顯提高，在渲染效果上和DirectX 3D比較，效果顯著，尤其在開發應用程序方面，其面向對象的設計為應用程序的開發提供了很好的接口，大大提高開發效率和質量。

4.2 內容與自動播出關聯

技術思路上利用節目單匹配網關軟件來與自動播出軟件進行數據交換和關聯。在自動播出系統的數據交換和聯動上，在線包裝系統采用單獨開發節目單匹配的數據交換網關軟件和自動播出軟件在總編室節目單編排和播出串聯單編排兩個階段進行數據的自動交換，在線包裝系統采用節目單名稱及開始時間自動配對算法實現節目單整合的智能化計算模式。播出單首先由總編室讀取方正的總編室節目單提前進行字幕播出單制作并且存儲于文件服務器，然后播出部從方正播出機通過串口讀取節目單與總編室提前制作的節目單比對，其間對廣告倒計時長度以及電視劇集數的增加實現了自動設置的功能，全天各時段都提供與總編室節目單對比功能，實現了方正無論何時加載播出單，都可以實時地與總編室節目單比較生成完整的播出串聯單。

4.3 系統的開發結構和實現技術

采用插件方式進行開發，插件有統一的開發接口，可以根據不同需要，調用不同插件，這樣可以使系統的功能容易擴展和管理。軟件系統實現上，三維網絡字幕包裝系統是以場景模板的方式進行制作和播出。

在軟件系統開發結構上，三維網絡字幕包裝系統是采用插件的方式來實現，每個插件實現特定的功能。在設計應用程序時，可以根據功能的需求選擇加載所需要的插件。

在軟件系統實現上，三維網絡字幕包裝系統是以場景模板的方式進行制作和播出。在模板制作方面采用場景樹的方式來管理要渲染的節點，可以實現快速遍歷和操作。采用關鍵幀動畫來實現場景里面節點的運動，靈活地實現節點的運動和其他動畫效果。同時勵圖三維模板制作除了提供一般的三維包裝系統提供的功能外，還開發了一些專門的應用插件像股票K線圖、天氣圖標、衛星云圖、表格、圖表、短信抽獎等。系統中的插件在播出的時候可以根據不同的需要關聯上不同的數據像股票數據、氣象數據、云圖數據、節目單信息、短信數據以及其他的一些數據，插件會自動根據數據進行計算和建模，從而達到要播出的效果。系統能夠實時渲染所要播出的場景內容，同時可以實時更新播出所關聯的數據。基本軟件開發框架如圖2所示。

4.4 系統檢測和安全性

采用了基于SNMP的系統檢測和核心模塊的自我修復功能。利用防火墻構建縱深防御體系來實現整個系統的安全。

在系統檢測和播出安全上，系統采用了基于SNMP的系統檢測和核心模塊的自我修復功能，主要是通過SNMP的方式，對播出所用到的軟件進行監控、報警及修復，并為其專門開發了一個監控軟件，其中對于播出的核心軟件播出引擎模塊和文件服務管理模塊，如果在檢測到播出異常，那么就會自動修復這些異常，從而保證播出正常。項目系統框架如圖3所示。

在拓撲結構上，系統以一體化防火墻為核心，將IP劃分不同網段，區分不同安全區域。通過設備提供的DMZ策略和系統結構中在DMZ區設置發布服務器，構建堡壘。將信息采集、模板制作易有病毒的部分劃在外網，編單、審核、播出工作站和服務器放在內網中，并且通過在防火墻設定內外網訪問策略和DMZ區，外網站點安裝殺毒軟件，建立梯度遞進網絡深度防毒體系，依次實現信息傳輸安全管理。同時系統以部門為單位設定權限管理，工作人員分屬到不同的部門中，實現人員權限管理的簡單化、系統化。項目的實施工程拓撲如圖4所示。

5 小結

系統經過近4個月的安裝調試后投入使用。其中哈臺的都市資訊頻道經過多媒體創作人員的整體包裝后，專業化資訊頻道特色得到突顯。系統的投入使用配合哈市100多條道路建設升級改造工程，每日向市民投放大量資訊信息，收到了良好的收視效果。系統運行初期，遇到了兩次病毒攻擊，但病毒沒有擴展，沒有波及內網設備，為系統的快速、順利恢復起到根本保證。隨著高清頻道的開播，該系統將肩負更大的使命。

[1]施潤尼.OpenGL編程指南[M].徐波，譯.5版.北京:機械工業出版社，2006.

[2]徐明亮.OpenGL游戲編程[M].北京:機械工業出版社，2008.

[3]李明江.SNMP簡單網絡管理協議[M].北京:電子工業出版社，2007.

陳即第（1963-），高級工程師，主研廣播電視工程；

姚晴麟（1974-），碩士，高級工程師，主研軟件工程，廣播電視工程；

任志強（1984-），軟件工程師，主研軟件工程，視音頻開發及3D技術。