虛擬現實技術在新聞直播節目中的應用研究

【摘要】虛擬新聞是戰略態勢表現中，極新穎的一種表現形式，它將敘事性表現技術應用到戰略態勢表現領域中，目的是把對戰略態勢的文本描述，用圖像轉化為虛擬新聞的形式，把逐步變化的戰略態勢事件“生動形象”的展現給決策者。戰略決策模擬的特點決定虛擬新聞需要具備快速生成的能力，因此本文重點研究了文本的自動分析和合成虛擬新聞所需素材的檢索選擇技術。

【關鍵詞】虛擬現實；虛擬新聞；實時直播；虛擬事件還原

傳統的電視臺制作節目一般都要制作真實場景。無論是新聞聯播、體育節目還是文藝節目，都要花費大量的資金和人力，制作出許多場景出來。越是大型的節目，制作場景的任務就越重，要求就越高，花費就越超，布置場景用的時間就越多、更換起來就更困難。而且，有些真實場景的創意用一般方法根本就制作不出來。

虛擬演播室，保留了傳統的色鍵合成系統，卻突破了傳統色鍵系統的限制，消除了攝像機不能與背景同步運動的致命弱點，實現了真實的演員能深入到虛擬的三維場景中，并能與其中的虛擬對象實時交互。在虛擬演播室中，演員在一間藍幕里進行現場表演，攝像機采集前景視頻信號，同時安裝在攝像機上的跟蹤系統實時提供攝像機的信息，這些數據被送至一臺高速圖形計算機，三維計算機圖形發生器實時渲染生成一個逼真的虛擬背景，以藍色屏幕為背景拍攝的攝像機圖像，經延時后與計算機創建的虛擬背景同步進行工作，并通過色鍵器的摳像合成，實時產生一路合成后的視頻信號作為最后的輸出[1]。

虛擬演播室的優點顯而易見：降低節目的制作費用。由計算機制作三維虛擬場景，不需要搭建真實場景，只需要一個藍色的背景即可，避免了真實場景的制作、安裝、拆除、運輸、存儲空間，節省大量人力、物力和財力。

提高節目的制作效率。制作三維虛擬場景比傳統的人工搭建真實場景快捷方便，并且制作完成后的虛擬場景，易于保存在計算機數據庫中，方便重復使用，攜帶便捷。大大縮短了節目的制作周期，提高了效率和資源的利用率。

可以改善節目的質量。節目制作中，導演可以擺脫時間、空間及道具制作等方面的限制，充分發揮想象力，在廣泛的想象空間中進行自由創作出人工難以甚至無法實際制作的虛擬景物，提高節目的質量。

虛擬現實技術（Virtual Reality），又稱靈境技術，是90年代為科學界和工程界所關注的技術。它的興起，為人機交互界面的發展開創了新的研究領域；為智能工程的應用提供了新的界面工具；為各類工程的大規模的數據可視化提供了新的描述方法[2]。

虛擬現實技術，其特點是計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三度空間，或是把其它現實環境編制到計算機中，產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。這種技術的應用，改進了人們利用計算機進行多工程數據處理的方式，尤其在需要對大量抽象數據進行處理時。計算機產生虛擬場景來代替真實場景的構想早在1978年就有人提出，但是長期受制于計算機軟硬件的發展條件。隨著計算機運算速度的提高及計算機視覺和圖形學理論的發展，虛擬演播室技術逐漸走向成熟，并得到推廣和使用。

虛擬現實技術發展的十分的迅速。在三維虛擬畫面的的地形化場景可視化已經不難在現實中實現了。而三維的建模在城市的規劃、工程勘察與設計、環境監測、災害預測與預報、軍事、游戲娛樂等諸多領域都運用的極為成功。其中虛擬現實技術對電視行業的貢獻特別突出！但是在學術文庫當中，探討虛擬現實技術對電視節目的影響類的文章著作還是偏少。本文力爭在虛擬現實技術在應用在電視節目中的方法、策略上面給我們電視工作者一個啟發。著重探索虛擬現實技術中的佼佼者——虛擬演播室在電視節目中的開發與創新！

以德國為例，虛擬現實技術在電視方面的應用比中國要早得多。而且虛擬現實技術在德國發展的速度也略微快于我國。這其中固然有德國人才優勢、體制優勢等等因素，但是更為主要的一個原因是：我國對于廣播電視產業的硬件設備過分依賴于進口，不僅會提高我們國家廣播電視行業的技術成本，也間接提高了我國廣電事業人力資源的成本。早在幾年前，西方國家的電視演播室系統，為達到優秀的虛擬現實場景的制作，配備了標準桌面電腦與2.4GHz的英特爾奔騰IV標準的圖形硬件。這在今天看來以經不是什么先進硬件，但是當年這一整套系統不是任何影視制作機構能承擔得起的。加上運行相對穩定的Linux操作系統，讓西方電視機構的虛擬現實技術達到了廣播級標準[3-4]。

我國的電視臺對虛擬現實技術的運動目前主要還是虛擬演播室。實事求是的說，我國的在虛擬現實技術的運用相對國外還處于初級階段，在20世紀90年代末，我國陸續引進了各大著名公司的虛擬演播室系統，如大洋公司，奧維迅公司，索貝公司。他們的產品各有千秋，大洋公司的虛擬演播室系統設備相對完備，其系統中加入了非線性編輯系統、字幕添加系統等功能；奧維迅公司的產品能實時產生虛擬場景，而且具有空間感，并且與演播主體之間保持透明的透視關系；索貝公司的產品能夠在運算上有優勢，實時的合成、實時的著色，讓真實的光影效果淋漓盡致的發揮出來。

與文字、圖像相比，視頻含有更為豐富、直觀、形象的語義信息。而新聞視頻作為目前情報部門獲得情報的重要渠道之一，蘊含著大量重要的信息，其對敏感和突發事件的報道及時全面，成為反映各國各地區政治、經濟、軍事、外交、輿論等最新動向的窗口。新聞視頻大多具有及時、直觀的特點，因此時常被人們當作一個有用的工具來指導決策。

針對上述戰略態勢表現存在的問題以及新聞視頻的特征，本文引入虛擬新聞的概念。虛擬新聞在討論式對抗模擬過程中的作用，是輔助白方（導演方），把不斷變化的戰略態勢用圖文聲像的手段將其快速、準確地展現在決策者面前，使決策者對當前的戰略態勢有一個形象、全面的了解，從而為下一步的決策提供強有力的輔助。

首先 虛擬演播室技術能突破傳統場景制作方式的局限性，通過計算機三維建模軟件和貼圖軟件的結合可以制作出極具創意的虛擬場景，可以體現出全新的創意 ，正如一句廣告詞說的： 思想有多遠我們就能走多遠。

其次.能實現更加豐富的節目效果，虛擬場景中真實的三維效果克服了傳統摳像背景平面、呆板、不聯動的視覺缺陷而更具有視覺；中擊力。

第三，節目場景是由計算機提供的虛擬場景，節省了實景制作的昂貴費用 克服了傳統布景不宜隨便搬動 ，場地不能重復利用的缺點 一個演播室可 以供多個欄 目分時復用，大大降低了節目制作成本.提高了演播廳的利用率，實現了節目制作與播出的高效率，為新聞資訊直播的高收視率立下汗馬功勞。

目前，國際上虛擬演播室系統已經達到了商品化程度，但這些系統均是基

于工作站的獨立系統，其價格昂貴，一般都在100～300萬元左右，在中國難以普及，開發一個低成本的虛擬演播室系統，是使其普及推廣的重要途徑。

本系統所有軟件功能均在普通PC機上測試通過，且均基于C++、WIN32API和Direet3D技術實現。本系統所采用的硬件平臺完全基于普通Pc機，避免了價格昂貴的圖形工作站，從而在很大程度上降低了硬件成本。這樣就使得虛擬演播室系統的整體成本得到了有效的降低，為虛擬演播室的普及和推廣奠定了基礎

虛擬場景生成系統是虛擬演播室系統的一部分，它是基于Direct3D技術開發的一個三維虛擬場景生成系統。它充分利用了Direet3D強大的三維渲染能力，能夠在普通的PC機上實現較高質量的圖形效果，因而具有較強的實用價值。與一般的二維背景繪制系統相比，場景生成系統可以很方便的實現三維場景的平移、傾斜等，對前景攝像機的運動沒有任何約束。

為了與主系統進行隔離，本系統采用動態鏈接庫的形式為主系統提供虛擬場景渲染功能服務。它封裝了復雜Direct3D知識和三維圖形學的知識，提供一個統一的接口給虛擬演播室主系統調用，使得調用者既不需要圖形編程的知識，也不需要管理復雜的三維場景的知識，而只需要提供需要渲染的三維場景數據文件，這樣就可以讓前端的數據提供和后端的數據渲染分離，簡化了整個系統的復雜度，降低了整個系統的出錯率，提高了整個系統的運行效率。

Visual c++7.0是Microsoft公司開發的一套使用C++十作為開發語言的、支持windows應用程序開發的可視化編程集成開發環境。它包含了文本編輯器、資源編輯器、工程編譯工具、源代碼瀏覽器、集成調試工具，以及一套幫助文檔。使用它，可以高效方便的完成創建、調試、修改、發布等各種操作。

基于此，為了提高開發效率，本系統使C++作為開發語言，采用了visualc++7.0作為開發工具。

目前開發三維圖形系統的主要工具是OpenGL、Java 3D、Direct3D等，它們之間有很大的不同，都有各自的應用環境。OpenGL因為其圖形庫豐富，功能強大而一直是PC機上的主流三維開發平臺，不過由于近幾年的發展停滯，而逐漸有被Direct3D取代之意。Direct3D是Microsoft公司推出的三維圖形編程API，由于Microsoft公司的大力投入和支持，其三維圖形功能越來越強大，也因此獲得了主流顯卡廠商的支持，這些都極大地擴展了Direct3D的應用范圍。當前，Direct3D已經是Windows環境下進行三維圖形系統開發的首選開發平臺。為了獲得開發效果和開發質量，本系統選擇了目前成熟的Direct3D 9.0版本作為3D開發平臺[5]。

本系統雖然只是虛擬演播室系統中的一個部分，但它也是一個結構比較復雜的獨立系統，為了保證其開發質量和開發效率，采用了面向對象的軟件設計方法應用于其開發過程中。

在運用面向對象的軟件設計方法進行軟件開發的時候需要運用一些成熟的設計原則和設計模式。設計模式是軟件設計人員長期以來工作經驗的積累，這些模式體現了面向對象軟件設計思想的精髓，它們遵循了各種軟件原則，合理地運用這些設計模式能夠有效地提高軟件的可擴展性和通用性。本系統的開發過程中用到了如下的幾種設計原則和設計模式：

單一職責原則（SRP）。就一個類而言，應該僅有一個引起它變化的原因。在系統中每一個類應該有且僅有一個職責。這樣做是由于每一個職責都是一個變化的軸線。當某一條軸線變化時類就需要改變。如果一個類承擔了過多的職責，那么引起它變化的原因就有多個。這樣就等于把程序功能耦合在一起，類的一個職責的變化就很可能會削弱它完成其它職責的能力。比如，在本系統中可能會有一個三角形類，它表示一個空間中的三角形。三角形可能被用來進行幾何計算以完成諸如相交檢測一類的工作，同時它還要記錄空間位置信息以供屏幕輸出。這兩個功能實際上就不應該在同一個三角形類中完成。

接口隔離原則（ISP）。類的接口應該保持內聚。這里的內聚意味每一個接口應該只提供給外部用戶單一的功能。因為如果一個接口提供了多于一個的功能，那么當其中一個功能改變時另外一個的使用就會受到影響，這會導致模塊間的藕合。

TemplateMethod模板模式。模板模式可以將相同的執行步驟（通用算法） 從不同的程序中抽象出來。GoF這樣定義模板模式：在基類的一個操作中定義一個算法框架，在派生類中定義算法的各個步驟，使得算法框架不變的情況下可以重新定義各個執行步驟。比如在進行三維場景渲染的時候，雖然渲染的虛擬場景不同，但都要執行接收輸入、更新狀態、渲染輸出的過程，那么這個過程就可以抽象到基礎類中。

Command命令模式。命令模式把各種操作抽象封裝成獨立的Command類對象。這樣操作可以完全脫離它的執行者獨立存在。

Singleton單實例模式。單實例模式保證實現它的類在程序運行的任何時刻都至多只有一個實例化對象存在。在三維場景生成的過程中通常都需要管理渲染狀態，而實現渲染狀態管理的類就應該用單實例模式來實現[19]。

在設計虛擬新聞生成系統的時候，既要考慮用戶的實際需求，又要保證系統的技術性能。整個系統的設計思路如圖1所示。

情景描述文檔經過敘事性組織后，從中提取出新聞播報稿、新聞標題、敘事要素、顯示實體，生成規范化的敘事性模板。有關敘事性模板生成的工作將由我們設計的敘事性組織子系統來完成。得到情景描述文檔的敘事性模板后，從多媒體素材庫中檢索出符合敘事要素的素材，進一步進行排序選優，通過時間約束策略最終選定素材。最后，將語音合成引擎生成的新聞播報音頻和選定的素材通過一定的表現形式組織生成有助于戰略態勢表現的虛擬新聞節目。

虛擬新聞生成系統的總體結構如圖2所示。

本系統作為虛擬演播室系統，其中一個組成部分。主系統控制了本系統的全部操作過程，因此，必須要有一個接口能夠讓主系統調用。該接口將根據主系統發送的操作命令，隨時來調用本系統內部對象的操作，從而實現本系統與主系統的隔離。

在本系統中，定義了一個類CMy3DCommand來實現該模塊的功能，CMy3DCommand提供一系列的方法給主系統。當主程序發送命令給接口后，CMy3DCommand就調用已經封裝在其內部的各個子模塊的對象中的方法來實現具體的操作。實際上，CMy3DCommand起到了一個包裝器的作用，將渲染系統內部的渲染邏輯細節隱藏起來了。比如說：初始化、設置數據文件、渲染等等。圖3描述了該模塊與主系統的交互過程。下面是該類的定義[6]。

虛擬新聞生成就是要把選定的視頻、圖像素材以及新聞播報稿音頻合成一段完整的新聞節目。系統中我們采用DirectX中的Directshow Editing Service（DES）作為合成視、音頻素材的基礎。DES提供一個虛擬的時間線，應用程序只需設定輸出視頻的格式，以及視、音頻源的位置和起始、結束時間，就可以輕松地實現視、音頻合成。DirectX9.0中還提供了多種鏡頭切變效果工具，應用這些工具，可以使原本切換唐突的視頻變得流暢一些。

虛擬新聞生成表現時采用了如下三種虛擬新聞內容的表現形式：主持人口播鏡頭，完整播報一整條新聞，即整則新聞故事完全是主持人口播鏡頭。針對檢索中沒有檢索到任何相關的新聞視頻場景以及圖片的情況而定；主持人口播鏡頭，疊加一幅主題圖片位于視頻窗口的右上角。針對只檢索到相關圖片素材而定；播音員播報新聞+小窗口，然后播報具體內容，視頻或圖片（視頻關鍵幀）顯示，針對檢索到相關視頻場景素材而定。這是最理想的新聞故事的表現形式，也符合人們日常觀看各類新聞的習慣。

隨著計算機技術的發展，虛擬演播室技術的發展是必然的。隨著人們生活品位的逐漸提高，人們對電視節目畫面的要求在逐漸的提高，傳統演播室為觀眾帶來的視覺沖擊，已遠遠達不到人們的需求。虛擬演播室技術是電視節目制作技術的一種革命性飛躍， 它伴隨著計算機技術的飛速發展而不斷進步成熟， 在今后的電視節目制作中將會有更大的發展空間。雖然目前它還無法完全代替傳統演播室， 但隨著成本的不斷降低， 技術的日臻完善， 虛擬演播室技術注定將會在電視節目制作領域發揮出更為重要的作用。

參考文獻

[1]張連軍.虛擬演播室系統的分析與比較[D].東北師范大學，2007.

[2]袁兆輝.虛擬演播室技術與應用研究[D].東北師范大學，2004.

[3]索貝數碼等.虛擬演播室技術新發展.電視字幕·特技與動畫，2001.

[4]趙永岐等.虛擬演播室--演播室前期節目制作的一次革命[J].中國電化教育，2004.

作者簡介：陳珺（1985—），女，河北涉縣人，山西廣播電視臺影視頻道編導，編輯助理。