淺談寧夏廣播電視臺高清虛擬演播室

德亞男

（寧夏廣播電視臺，銀川，750001）

淺談寧夏廣播電視臺高清虛擬演播室

德亞男

（寧夏廣播電視臺，銀川，750001）

高清晰度電視技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬演播室也開發(fā)了適合高清電視的高清虛擬演播室，這一技術(shù)的應(yīng)用，極大滿足了高清節(jié)目制作和播出的需求。本文就寧夏廣播電視臺高清虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計過程中所考慮的技術(shù)需求、系統(tǒng)構(gòu)成以及安裝調(diào)試中需注意的問題進行了探討。

三維；摳像；HDVG；3Designer

1 引言

虛擬演播室是建立在高速圖形計算機和視頻色鍵（chromakey）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。虛擬演播室系統(tǒng)（VSS）的技術(shù)特點是通過光學(xué)識別和機械傳感跟蹤方式、網(wǎng)格跟蹤、紅外跟蹤方式獲取攝像機運動參數(shù)，然后將圖形工作站實時生成的虛擬背景與色鍵器摳像后前景無縫合成，得到實拍的人物在虛擬景物中穿梭活動的逼真畫面效果。虛擬演播室系統(tǒng)無需搭建實景，只要利用現(xiàn)有的多種三維動畫軟件，就可以制作出各種逼真的三維場景。這一技術(shù)可以更為有效地利用演播室資源，節(jié)省大量的制景費用及由于裝拆布景耗費的時間和人力，突破了傳統(tǒng)布景、道具、燈光、場地等演播室制作工藝的局限，為節(jié)目制作人員提供了無限的自由創(chuàng)作空間。

寧夏廣播電視臺為滿足高清節(jié)目制作播出的需求，于2010年初設(shè)計、建設(shè)了高清虛擬演播室系統(tǒng)，并于2013年5月正式投入使用，現(xiàn)已成功應(yīng)用于各頻道各欄目，取得了很好的播出效果。在高清虛擬演播室系統(tǒng)最初的設(shè)計過程中，我們經(jīng)過充分考慮，以直播節(jié)目對安全穩(wěn)定性的高要求為出發(fā)點，采用先進技術(shù)，使系統(tǒng)能夠充分滿足當(dāng)前及今后一段時間電視節(jié)目制作播出的需求，并為將來擴展和升級預(yù)留出空間。

2 設(shè)計思路

采用虛實結(jié)合的原則，兼顧系統(tǒng)高清實景錄制、直播的功能，最初考慮接入虛擬演播室的設(shè)備，必須滿足集常規(guī)錄制、虛擬錄制、前景植入等功能于一體。

自項目設(shè)立之初，我們重點考慮了虛擬系統(tǒng)中設(shè)備的跟蹤定位技術(shù)、圖形工作站的實時渲染能力及輸出指標(biāo)，及其產(chǎn)品的成功案例。且該虛擬演播室平時需要錄制的節(jié)目形式較多，包括主持人串播、專題類、訪談類等，因此攝像機機位需要滿足快速定位、移動拍攝等要求。最終確定使用某公司的Pro Set高清虛擬演播室系統(tǒng)。系統(tǒng)最終設(shè)計為三個機位、雙通道高、標(biāo)清兼容的真三維虛擬演播室系統(tǒng)，綜合使用網(wǎng)格識別定位，機械傳感定位和小紅外定位技術(shù)，并配備了計算能力強大的視頻圖形工作站HDVG。

3 虛擬演播室錄制系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)主要配置

高清演播室系統(tǒng)配置了三個訊道池上HDK-79E高清攝像機（其中一訊道配備小搖臂），高清切換臺為ROSS CARBON ITE。虛擬系統(tǒng)主要設(shè)備為4米×6米網(wǎng)格以及為此配套的VDI打碼設(shè)備、DVP網(wǎng)格識別設(shè)備、一個固定機位的機械傳感器、一個搖臂機位和固定機位的小紅外跟蹤，集創(chuàng)作和播出虛擬場景功能于一體的HDVG實時圖像渲染工作站等，整個系統(tǒng)配置完備。

3.2 虛擬演播室信號輸出流程

圖1 虛擬演播室視頻信號流程圖

在虛擬演播室系統(tǒng)中，具體的信號流程是：攝像機輸出的信號，經(jīng)過VD I設(shè)備打入標(biāo)識碼后輸入到切換臺，供后面的DVP設(shè)備識別是哪個機位。然后通過網(wǎng)絡(luò)控制傳輸?shù)紿DVG圖像渲染工作站，把每個機位和對應(yīng)的虛擬背景做相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，高清切換臺輔助母線的輸出經(jīng)視頻分配后，一路作為前景信號送到HDVG的延時卡，另一路送給與HDVG配套的DVP網(wǎng)格識別設(shè)備。通過對攝像機畫面中網(wǎng)格的識別，采集攝像機運動和鏡頭變化參數(shù)完成定位跟蹤，HDVG同時也接收機械傳感器和小紅外傳感器采集的攝像機運動和鏡頭變化參數(shù)，實現(xiàn)全方位跟蹤。HDVG輸出延時后的前景信號、背景信號和MATTE信號，經(jīng)色鍵器Ultimatte SR-2合成為一路視頻信號，送給切換臺和矩陣作為最后的輸出，見圖1音頻信號流程圖。

色鍵器Ultimatte SR-2把前景視頻信號里的藍箱顏色（包括網(wǎng)格的淺藍色）摳掉，然后用HDVG生成的虛擬場景作為背景視頻信號去填充，根據(jù)需要在色鍵器上可以做一些相應(yīng)的微調(diào)，最后實現(xiàn)前景與三維虛擬背景的完美結(jié)合。

演播室的音頻系統(tǒng)設(shè)計為信源共享、互為備份系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)的信號流程、系統(tǒng)構(gòu)架基本一致，并由一臺倒換器進行倒換。其中主調(diào)音臺為TASCOM DM-3200 48路數(shù)字調(diào)音臺，備份調(diào)音臺為Soundcraft FX 8 16路模擬調(diào)音臺。話筒信號、線路信號分別經(jīng)過無緣話筒分配器和線路分配器后進入到主、備調(diào)音臺。播出服務(wù)器信號、外來信號的數(shù)字輸出接到主調(diào)音臺，模擬信號輸出接到備份調(diào)音臺。音頻系統(tǒng)的數(shù)字和模擬信號同時接入到主、備嵌入器，數(shù)字信號和模擬信號互為備份，見圖2音頻信號流程圖。

實驗組中護理滿意度為不滿意、滿意、很滿意的患者分別為1例、3例、38例，護理滿意度為97.62%，對照組中護理滿意度為不滿意、滿意、很滿意的患者分別為8例、10例、24例，護理滿意度為80.95%，實驗組和對照組患者護理滿意度對比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

圖2 虛擬演播室音頻信號流程圖

4 虛擬系統(tǒng)的特點

4.1 主要特點

整個虛擬演播室系統(tǒng)采用Orad系列跟蹤系統(tǒng)，即網(wǎng)格識別跟蹤為主、Cam Track跟蹤和機械傳感器跟蹤和小紅外傳感相結(jié)合的方式，整合了當(dāng)今市場上各種類型的跟蹤方式；控制軟件可同時用于虛擬演播室和在線包裝系統(tǒng)；攝像機可自由地移動，包括滑軌、肩扛攝像機以及搖臂攝像機等；無需第三方支持；滿足HD/SD兼容，可具備高達6路全屏HD視頻插入和12路SD視頻插入；基于傳感器或紅外跟蹤，攝像機支持360度拍攝范圍，可快速安裝和定位；系統(tǒng)具有最小的視頻延時，可以作為一個獨立系統(tǒng)或附屬于一個大的系統(tǒng)，可輕松連接外部數(shù)據(jù)庫；可與文稿系統(tǒng)和自動播出系統(tǒng)結(jié)合；具有多場景加載和混合播放功能，支持播放多個不同格式的視頻，包括：AV I，MPEG，DV，DV 25，QuickTime；具有龐大的特效庫，如凹凸貼圖、虛焦、置換貼圖和實時視頻特效等，以及對象和層的混合模式；制作好的場景模板可作為貼圖對象應(yīng)用與其他場景和層，生成復(fù)雜的DVE視頻特效。

4.2 系統(tǒng)類型

（1）網(wǎng)格識別-簡單快捷，無需改裝攝像機的跟蹤方式。網(wǎng)格識別跟蹤技術(shù)可以簡單到只使用一套網(wǎng)格和DVP便可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有機位的定位，節(jié)省大量投資，即使今后增加跟蹤機位也不增加成本。它通過在藍箱背景上添加相同色調(diào)的網(wǎng)格線，優(yōu)化傳統(tǒng)藍/綠背景色鍵摳像技術(shù)。演播室攝像機只需拍攝到網(wǎng)格的一小部分（至少三橫三豎），數(shù)字視頻處理器（DVP）就可生成準(zhǔn)確的攝像機跟蹤數(shù)據(jù)：包括水平運動、俯仰運動、和鏡頭變化參數(shù)。然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)戒秩酒脚_HDVG，HDVG根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)對背景圖像進行渲染。色鍵摳像可將網(wǎng)格線完全扣掉。從而完成攝像機的定位和與場景的關(guān)聯(lián)，不過定位時，攝像機景別畫面必須保持在網(wǎng)格范圍以內(nèi)。

（2）機械傳感器。系統(tǒng)機械傳感器跟蹤裝置通常安裝在固定機位攝像機云臺上，能夠?qū)崟r感知攝像機的多個運動參數(shù)，如聚焦、變焦、俯仰、搖移參數(shù)，并將這些跟蹤數(shù)據(jù)實時傳送到HDVG圖形工作站。聚焦和變焦參數(shù)可以來自模擬/數(shù)字鏡頭，支持所有類型的鏡頭。由于機械傳感器水平角度范圍360度獲取傳感數(shù)據(jù)的優(yōu)點，彌補了網(wǎng)格傳感在范圍內(nèi)的局限性。攝像機的定位過程十分便捷：在第一次定位時，可以在地上標(biāo)出標(biāo)記點，并將數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，以便再次調(diào)出。

（3）Cam Track紅外跟蹤，支持?jǐn)z像機自由移動。小紅外傳感Cam Track系統(tǒng)。小紅外傳感系統(tǒng)支持演播室內(nèi)攝像機的自由移動拍攝，通過兩個紅外線攝像頭（安裝在藍箱的左右上方），交叉捕捉搖臂攝像機和固定攝像機上紅外發(fā)射器發(fā)出的信號，并進行計算，可以實時獲取搖臂攝像機在水平（X)、深度(Y)、高度(Z)中運動參數(shù)，直接傳送給HDVG，最后和網(wǎng)格數(shù)據(jù)一起完成對移動攝像機的實時定位。而旋轉(zhuǎn)（搖、俯仰、旋轉(zhuǎn)）通過網(wǎng)格和DVP計算。

（4）網(wǎng)格結(jié)合云臺傳感器和Cam Track跟蹤。以上三種跟蹤方式結(jié)合應(yīng)用的最大優(yōu)勢之一就是極大降低了節(jié)目錄制前的攝像機定位時間。當(dāng)把網(wǎng)格識別與云臺傳感器結(jié)合時，定位變得非常簡單和快速。攝像機拍攝到網(wǎng)格信息即可進行定位，獲得攝像機的準(zhǔn)確XYZ位置參數(shù)，以及搖移、俯仰和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。Cam Track小紅外跟蹤結(jié)合傳感器跟蹤也可擴大跟蹤范圍。這三種跟蹤方式獲得傳感數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，既可以在跟蹤范圍內(nèi)實現(xiàn)攝像機自由移動拍攝，又可播出網(wǎng)格拍攝或特寫拍攝；既豐富了節(jié)目制作手段，又最大程度滿足我們各種欄目虛擬錄制的要求。

4.3 實時渲染平臺

Orad的HDVG是一個通用的視頻圖像平臺，基于高質(zhì)量的PC組建和Orad自主研發(fā)的視頻I/O子系統(tǒng)。Orad的廣播級圖文解決方案均以HDVG作為硬件平臺，包括：普通CG字幕和三維圖文系統(tǒng)、滾屏、MCR圖文系統(tǒng)、頻道包裝、虛擬系統(tǒng)和自動播出系統(tǒng)。DVE特效的性能表現(xiàn)在可以同時支持多路視頻插入，并將它們貼在任意三維物體。虛擬場景可以實現(xiàn)實時的景深效果。虛擬廣告和體育產(chǎn)品使用內(nèi)置色鍵、遮罩和視頻延時等功能。

HDVG專為廣播電視應(yīng)用設(shè)計，是一個3U機架配置的硬件設(shè)備，由高質(zhì)量的PC零件組成，基于強大的Linux操作系統(tǒng)，能夠有效防病毒。HDVG的核心是O rad的HDVG輸入輸出板卡，可直接讀取顯卡的圖文信息，從而釋放相當(dāng)數(shù)量的系統(tǒng)資源，達到高效渲染，具有處理多路視頻插入和視頻素材播放的能力。HDVG采用熱插拔雙電源機制，當(dāng)一個電源無法工作時，系統(tǒng)將自動切換到備用電源，從而保證節(jié)目正常播出。HDVG也帶有旁通機制，自動將插入的視頻信號傳送到另一通道。HDVG提供1GB雙鏈路以太網(wǎng)卡，為增強其可靠性，可采用RA ID1硬盤。

HDVG具備豐富的媒體資源處理能力，獨特的結(jié)構(gòu)支持6路1080i@50hz或者1080i@60hzHD視頻插入，也支持12路SD視頻插入，所有插入信號都可全屏播放。使用視頻貼圖技術(shù)處理插入的視頻信號，可添加到場景中的任意物體。為物體設(shè)置的動畫也適用于這些插入的視頻信號，能夠產(chǎn)生無限豐富的三維和二維DVE特效。基于同樣的視頻貼圖技術(shù)，HDVG能夠同時播放多個不同格式的視頻文件，如AV I，Quick Time(可帶通道），DV，DV 25，MPEG等。視頻可以存儲在HDVG本地，或者存放于服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送。

5 實際應(yīng)用

5.1 場景的制作

該系統(tǒng)虛擬場景的制作可以直接在其制作軟件3Designer中完成，也可以導(dǎo)入各種第三方軟件創(chuàng)作的圖文模型。3Designer的開放性結(jié)構(gòu)允許用戶編寫自己的特定插件，如Text Effects(文本特技）和Line Graphs(線性圖表）已經(jīng)包含在基本安裝中。

3Designer操作界面簡單，支持HD，SD，4K分辨率和立體3D模式；可創(chuàng)建無限個層并直接導(dǎo)入Photoshop等合成軟件的素材；基于Windows系統(tǒng)，支持本地預(yù)覽；通過資源管理器可直接訪問各種模型、字體、貼圖和復(fù)雜對象等；支持各種數(shù)學(xué)運算功能，如自動算出百分比等，尤其適用于大量數(shù)據(jù)需實時更改的節(jié)目，如選舉、財經(jīng)類節(jié)目；各種對象編輯器能夠方便地控制所有對象參數(shù)；高級動畫編輯窗口提供關(guān)鍵幀編輯和動畫曲線；數(shù)據(jù)和引出項的關(guān)聯(lián)方便實時修改；模板可共享于不同工作站，提高工作效率；支持3D Studio Max，Maya和Softimage制作的文件導(dǎo)入；具有高級粒子特效，可創(chuàng)建和實時播出雨、雪、火、煙花等效果；支持倒影、反射、折射效果；能夠?qū)ΧS，三維字體做各種動畫、材質(zhì)、紋理、陰影等特效處理；實時三維DVE特效，在圖像切換時添加各種特技；自動連接數(shù)據(jù)庫，實時更新內(nèi)容；支持實時滾動字幕的自動播出；文字控制支持多行文本、自動縮進、對齊和調(diào)整等功能；包括豐富的特效貼圖，如凹凸貼圖、散焦、置換貼圖、實時視頻特效、對象和層級混合模式等；一個場景貼圖可以應(yīng)用于另一個場景或?qū)印?/p>

在3Designer制作時應(yīng)注意X，Y，Z中的位置，確保場景的X，Y，Z值為0。另外，應(yīng)該注意各個所創(chuàng)建物體層的順序，否則會發(fā)生錯亂、遮擋等現(xiàn)象。確定在3Designer對場景效果制作完成后，需要把做好的場景導(dǎo)入到3D Ed itor中進行編輯，完成動畫疊加、遮罩、視頻開窗等，主持人實際站位測試，確定場景效果滿意后，進行保存模板，最后在3D Controlle實時播放。

5.2 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及解決辦法

寧夏廣播電視臺高清虛擬演播室系統(tǒng)自建成投入使用以來，碰到了很多的問題，通過我們積極的探索，經(jīng)驗的積累，針對虛擬系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種問題，已經(jīng)摸索到一些合適的解決方法。

（1）攝像機定位不準(zhǔn)。攝像機定位不準(zhǔn)可能由以下兩個原因造成，一是攝像機對網(wǎng)格沒有對好（解決方法詳見虛擬操作手冊第3頁攝像機定位）；二是因為攝像機光圈過高、過低或是演播室布光不均勻造成DVP識別網(wǎng)格邊緣線不完整。可通過適當(dāng)調(diào)整攝像機光圈、調(diào)整燈光以減少地方高亮予以解決攝像機定位不準(zhǔn)的問題。

（2）定位后，傳感機位搖移和俯仰跟蹤正常，但鏡頭推拉沒有跟蹤。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因為鏡頭數(shù)據(jù)采集不正常，需要重新采集。通過手動獲得鏡頭Zoom和focus的參數(shù)范圍，在攝像機端做變焦和聚焦操作，鏡頭推拉至長焦端和廣角端，聚焦正反雙旋轉(zhuǎn)向至各自最大值。切記，在此過程當(dāng)中推拉攝像機動作要放慢，并且重復(fù)做兩次，以保證跟蹤數(shù)據(jù)的正常采集。

（3）虛擬場景抖動。網(wǎng)格機位使用中要注意攝像機不可以完全搖出網(wǎng)格區(qū)域，拍攝網(wǎng)格邊緣時盡可能使攝像機尋向器中至少要保證有5橫5豎網(wǎng)格線。反之，虛擬場景可能會出現(xiàn)抖動，具體表現(xiàn)在：

⊙ 由于演播室內(nèi)前景或物體的反光或燈光不均勻，導(dǎo)致DVP將非網(wǎng)格區(qū)域識別為網(wǎng)格線應(yīng)用到攝像機的跟蹤，會出現(xiàn)虛擬場景的抖動。這種情況下，可以通過降低錯線解決。

⊙ 當(dāng)攝像機拍攝到網(wǎng)格過少時會丟失跟蹤，在網(wǎng)格過少的臨界值時，場景還不至于丟失跟蹤。但此時也會出現(xiàn)場景的抖動。

⊙ 攝像機拍攝過程中搖移過快，使DVP無法正常識別計算網(wǎng)格數(shù)據(jù)，也會使場景丟失跟蹤。所以在拍攝中要攝像機盡量緩慢。

（4）摳像問題。色鍵效果的好壞直接影響到整個虛擬演播室最后的效果。采用顏色矢量處理，能夠?qū)⒁獡傅舻念伾噶颗c視頻信號中每一個像素點的顏色矢量進行精確運算，在生成線性鍵的同時能進行消色補色處理，使人物和物體的邊緣能夠與場景達到天作之合的真實效果，線性鍵實現(xiàn)玻璃、煙霧等半透明物體的色鍵摳像，消色功能能糾正由于藍幕造成的人物皮膚的淡藍色反光。

尤其是當(dāng)主持人著玫粉、粉藍、綠藍以及深紫色等偏藍色衣物時，經(jīng)過摳像后的顯示存在色澤偏差。需在色鍵器主菜單FG中選擇Flare，通過調(diào)節(jié)Gate1/3和Gate2兩個旋鈕以矯正偏差，使主持人衣物顏色正常還原。

（5）燈光問題。合理的燈光布置是虛擬演播室實現(xiàn)真實圖像合成的關(guān)鍵。如果燈光布置不合理，可能造成合成圖像不真實，甚至導(dǎo)致色鍵控制不能正常工作。虛擬演播室布光和普通演播室布光時有很大不同。節(jié)目主持人一般位置要偏一些，而不像新聞節(jié)目主持人位置居正中。這樣使整個燈光系統(tǒng)的位置也要偏一些。還要照顧到主持人手部的光線也不能太弱，逆光的照度一定要夠，而且逆光和頂光范圍要大，能夠滿足主持人一定的活動范圍，否則主持人的四周及手部摳像的圖像出來就會有黑邊，嚴(yán)重影響播出效果。

當(dāng)主持人穿淺色材料的衣物、亮面皮帶或者反光飾品時，會直接反射藍箱的燈光，造成反光處也被摳掉。這時，我們就要通過調(diào)節(jié)某些燈光的亮度、調(diào)整色鍵最大限度地減小藍箱反光。

6 結(jié)束語

寧夏廣播電視臺虛擬演播室自運行以來穩(wěn)定可靠，主持人與虛擬場景完美貼合，跟蹤流暢，視頻指標(biāo)優(yōu)良，經(jīng)受住了繁重錄制的考驗。在100平米的藍箱里，為多個節(jié)目制作三維場景，錄制虛擬節(jié)目，節(jié)約了大量的場景、能耗、設(shè)備、人力等方面的成本，達到了我們搭建虛擬演播室的目的。今后，我們將在保證虛擬演播室正常錄制的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)虛擬演播室功能，力求制作出更加精美的虛擬場景及動畫特技效果，為節(jié)目制作提供更為廣闊、更為拓展想象的自由空間。

On Ningxia Radio and Television HD Virtual Studio

De Yanan
(Ningxia Radio and TV Station, Yinchuan, 750001)

The rapid development of high-definition television technology, Virtual Studio also developed for high-def nition television HD virtual studio, Application of this technology, Great to meet the HD program production and broadcast needs. In this paper, the technology needs of Ningxia Radio and Television HD virtual studio systems considered in the design process, system confguration and installation should pay attention to the problem were discussed.

three-dimensional; Key ing; HDVG; 3Designer

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.11.009

TN 948

A

1672-7274（2014）11-0042-05