交互式多方位電視直播系統設計

盧勇文

(廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510066)

交互式多方位電視直播系統設計

盧勇文

(廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510066)

詳細介紹了交互式多方位電視直播系統的硬件結構和適用節目類型，以及與傳統電視直播系統的區別，同時詳細介紹了如何有效地進行視頻數據壓縮編碼這一交互式多方位電視直播系統的關鍵技術問題。交互式多方位電視直播相對于傳統電視直播模式有更多的優勢，未來將會越來越多地采用交互式多方位電視直播的模式。

電視直播；攝像機位；多方位；交互式

1 電視直播

電視直播是電視傳播最重要的特點，它把現場的畫面、聲音以及畫外的解說聲同步傳送給觀眾，讓觀眾在第一時間可以了解到現場的信息，在同步性、信息量、現場感和參與感等方面都比其他媒體具有更明顯的優勢，利于快速、大范圍地傳播信息并在瞬間造成巨大影響[1]，是廣大受眾最歡迎的傳播方式。

電視直播的全過程由開始的只敘述現場的發展進程和結果，沒有主持人出鏡，也沒有背景介紹的全直播開始，發展到即時錄制主持人在演播室介紹或解說的信號，然后和現場情況交替、串聯播出的準直播階段，到現在已經非常普遍的以現場直播為主體、交替運用演播室直播、字幕滾動直播、現場記者連線、觀眾采訪等手段綜合在一起的立體式直播方式[1]?？梢哉f，電視直播已經綜合運用了現代各種傳播手段，盡可能地將眾多與現場相關的信息通過有線網絡、衛星、無線通信網絡等手段傳播到全世界。

2 電視直播信號的特點

在目前一般的電視直播中，雖然在現場會設置多個攝像機機位，但是在某一時刻只有一路信號是經過導演切換后送給播出的，最后再通過有線或無線等網絡傳輸設施輸送到觀眾端，如圖1所示。觀眾對畫面沒有選擇權，只能被動地接受導演的選擇。因此，在任意時刻只有一個機位的視音頻信號輸出給觀眾是目前電視直播的一個顯著特點。這種方式帶來的好處，一是導播可以完全控制并引導整個直播的過程，使得節目更為緊湊，二是可以節省頻道資源。對于這種需要導播來進行切換重組的方式，有人認為現場直播并非真正的直播[2]，理論上更偏向于由導播做主導的對現場的重組再現過程[3]。

圖1 現有電視直播的信號流程圖

但是，這是否是唯一的、也是最好的直播方式？隨著攝像機位的增多，同一時間采集到的信息就越來越多，在某時間段只選擇其中一個機位的信號傳輸給觀眾，導演的這種選擇一定就是所有觀眾都最想要看的嗎？是否會因為選擇了這路信號而漏掉了其他重要的信息？由于觀眾的興趣愛好各不相同，必然會造成眾口難調的局面。

3 交互式多方位電視直播系統

為了解決以上問題，在一場電視節目直播中，電視臺可以采用多個攝像機位進行拍攝，并且將這些不同方位的攝像機信號通過一組視頻通道傳輸給觀眾。這樣觀眾就可以通過機頂盒進行控制，根據自己的喜好，選擇某一個機位的信號來觀看，了解到更感興趣的信息，滿足不同觀眾的不同需求。例如，直播現場設有5臺攝像機，那么每位觀眾都可以隨時選擇不同的機位所拍攝到的圖像進行觀看，這樣鏡頭的切換和操控權就從導演的手中轉到觀眾的手中。除了不同的攝像機機位信號外，還應包含作為公共信號的、內容一致的解說，以及字幕圖文信息等信號，這樣既可以保持不同的直播視點，又能共享一些比較重要的信息。

微軟亞洲研究院的IMV系統是將多部攝像機以共點陣列排列，同步拍攝同一對象，從而可以實現三維全息的圖像體驗的形式[4]，例如電影《黑客帝國》里基奴里維斯的慢鏡動作。交互式多方位電視直播系統不應只包括這種形式，還應包括分布在不同地方，拍攝不同對象的多機位同時直播形式，例如不同城市的聯合直播節目等。

3.1 交互式多方位電視直播系統的硬件結構

實際上，這種多方位電視直播方式是交互電視的一種很典型的表現類型。對于可交互式多方位電視直播來說，視頻信號的提供與普通電視的現場直播相類似。只是在交互式多方位電視直播中，一旦選擇了某幾個機位的信號作為直播信號，考慮到在任何時間這些信號都可能會有觀眾選擇觀看，所以這些信號就必須要一直處于播出的狀態，而且這些攝像機不能隨意轉換場景，否則就可能使畫面混亂。

交互式多方位電視直播系統的結構如圖2所示，有m個攝像機位(包括演播室機位)，輸出n個視頻節目(n≤m)， 其中1路是由導演負責切換的主節目(PGM)信號，這1路信號與原來傳統的節目制作方式一樣，其他n-1個信號通路則是經過篩選后的疊加了字幕等公共信息的其他機位信號。這n路獨立的信號經過視頻采集端和視頻流服務器的處理后，再通過有線電視網絡、電信網和計算機網絡等傳到客戶端。

圖2 交互式多視角實時視頻的系統架構

圖2中，視頻采集端負責對多路的實時原始圖像進行采集、編碼、發送，而且這幾個步驟都要同步協調，這樣可以保證實時視頻數據的壓縮速度，而且通過異步處理，能夠及時將壓縮后的視頻流傳輸至服務器。視頻服務器則是為用戶提供各種交互式的服務，具體包括負責多視角視頻數據的緩存、編輯和轉發，用戶管理等。傳輸網絡把視頻流從視頻服務器傳輸到客戶端的網絡，其可用帶寬直接決定了系統對用戶的服務質量。客戶端的主要設備是電視機加機頂盒，還可以使用PC和移動設備，分別為電視觀眾、互聯網用戶及移動設備用戶提供播放服務。用戶可以根據自己的喜好來選擇觀看哪個機位的信號或視覺特效服務，可以隨時進行信號切換。

3.2 適用節目類型

交互式多方位電視直播的系統特別適合以下幾種節目類型：

1)體育比賽

每種體育比賽都會設置一定數量的機位，以便能在不同的方位記錄下比賽的瞬間，這樣才能充分展現體育比賽的各種精彩鏡頭。以羽毛球比賽為例，直播時的機位通常多達11個：位于比賽場地正后方一定俯視角度、可以攝錄整個比賽場地的主機位，位于2個半場旁邊負責運動員特寫的側機位，2個負責慢鏡的后場機位，1個負責記錄網前球的中線機位，負責側線和底線的4個機位，還有1個用于臨時特寫鏡頭的流動機位等(其實還可以增加一些其他角度的機位，如正后方、頂部機位等)。

導播會根據這11個機位采集到的信號，結合自身對轉播的要求進行機位的切換來完成整個比賽的直播。如果能進行交互式多方位直播，那么許多觀眾必然會根據自己的喜好來選擇不同的機位信號，例如中線機位或側機位可以很清晰地看到運動員網前球的手法，正后方機位可以更強烈地知道背對機位方運動員的場地感受，以及羽毛球飛向對方的軌跡等。長期有針對性地選擇這些機位信號進行觀看，會讓觀眾學到更多的羽毛球技巧。當然，導播的選擇(包括慢鏡)可以作為主畫面播出。

又以賽車比賽為例，可能某些觀眾更多地想關注駕駛員的動作，以了解其如何換擋、打方向等駕駛技巧，另一些觀眾可能會關注駕駛員前方場景，還有一些觀眾可能關注車后其他對手的場景等，如果都由導播控制切換播出信號，觀眾的需求必然不能得到最大的滿足。

國外的電視臺已經有為電視觀眾提供這種高質量、可交互、多角度電視實況直播的服務，例如英國著名的衛星電視商BskyB在2001年的溫布爾頓網球賽中同時提供5個場地的直播供用戶選擇。國內中央電視臺于2001年九運會期間，也進行了類似的試播，雖然只有有線網絡經營者和記者可以看到，但畢竟也是國內多方位直播的首次嘗試，隨后在2002年的澳網賽事上再次實驗，同步直播6個場地的比賽[5]。

2)新聞直播

對于某些特發性的新聞事件，也可以采用交互式多方位的直播方式。例如恐怖襲擊事件、地震、火山噴發等，如果能將不同場景的機位信號傳輸給觀眾，將會帶來更大的直播效果。

3)大型的文藝演出

以古典音樂會演出為例，沒有特別需求的觀眾可以選擇主機位信號，愛好指揮藝術的觀眾可以選擇只拍攝指揮正面動作的機位信號，對樂手的演奏過程感興趣的觀眾可以選擇某些拍攝樂手近鏡的機位信號。

而對于搖滾音樂演出，由于樂隊主要成員一般都很少，可以設置為1個樂手1個專門機位，這樣觀眾就可以選擇最想關注的機位來觀看了，例如主唱、鼓手、BASS手、吉他手等。

4)科學探索

能進行交互式多角度直播的科學探索活動有許多，例如各種物理或化學的實驗，各類機器的試驗，火箭發射，登陸月球等。

4 交互式多方位電視直播系統的關鍵技術問題

隨著拍攝機位的增加，獲取的視頻數據量會變得越來越龐大，在網絡資源有限的情況下，如何有效地將視頻數據進行壓縮成為多方位電視直播系統最關鍵的技術問題。

對于系統中某一個攝像機位而言，在某一段時間內，其拍攝的必然是同一對象。而對于同一拍攝對象，由于攝錄所得的視頻幀與幀之間圖像的變化并不大，因此像素數據之間存在著極大的相關性，視頻數據中無論在時間上還是空間上均存在著大量的冗余。利用其相關性，可從上一幀的一部分像素數據推出下一幀的一部分像素數據，因而可以最大程度地減少冗余數據，達到壓縮視頻的目的。目前幾乎所有關于視頻壓縮技術的研究都是利用相關性，并依靠一定的預測機構來進行的，這方面的例子很多，最著名的是由國際標準化組織和國際電信聯盟組織聯合頒發的H.264標準(也指MPEG-4的第10部分)，它是具有多種預測模式、基于幀間圖像的時空相關性來進行壓縮編碼的標準[6]，相比于MPEG-2、MPEG-4標準，H.264具有更高的壓縮比率，同時擁有高質量流暢的圖像。其他利用相關性進行視頻編碼的研究還有很多，例如陳普坤提出的基于小波變換的視頻編碼技術[7]、劉淑杰提出的非對稱編碼技術[8]、張軍提出的多視角紋理深度聯合編碼方案[9]等。

有了高效的視頻壓縮編碼技術，就可以有效地節省網絡資源，傳播更多的節目頻道，且可以保證有較強實時性的同時，提供終端用戶互動的流暢度。

5 總結

本文討論了交互式多方位電視直播的模式，與傳統在任何時間內只能輸出一路機位信號的直播方式不同，它可以同時輸出多路不同機位的直播信號，這些信號可以根據要求，選擇經由人工控制或部分不經人工控制后直接輸出到電視中心，再輸送給觀眾。與傳統的電視直播方式相比，交互式多方位電視直播系統可以將更多的現場信息傳遞給觀眾，并讓觀眾根據自己的喜好來選擇觀看的信號，真正達到多方位立體式同步直播的目的，如果能在新聞、體育比賽、文藝演出以及科學探索等形式的節目上有選擇地試行，應能給予觀眾一個全新的直播體驗。

多方位電視直播的視頻數據量比一般的電視直播的視頻數據量大，如何在保證畫質的同時，對視頻信號進行高效壓縮，且保證實時性和互動性，是交互式多方位電視直播系統的關鍵問題。相信隨著計算機技術和信息技術的高速發展，交互式多方位電視直播的模式將會逐步推行。

[1] 黃淑敏. 新聞學視覺下的電視直播研究[D].西安：西北師范大學，2009.

[2] 崔林. 現場并非直播——兼談電視新聞現場直播的敘述方式[J].現代傳播，2005(5)：100-102.

[3] 陶劼. 試析電視現場直播的三維范式構建[D].南寧：廣西大學，2013.

[4] LOU Jianguang，CAI Hua，LI Jiang. A real time interactive multi-view video system[C]//Proc. ACM Multimedia's 05. [S.l.]：ACM，2005：161-170.

[5] 孟群. 電視節目制作技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] ITU-T Rec，H.264/ISO/IEC 11490-10. Advanced video coding final committee draft, Document JVT-E022[S].2003.

[7] 陳普坤. 基于小波變換的多視角視頻編碼研究[D].廣州：中山大學，2007.

[8] 劉淑杰. 多視角視頻編碼的關鍵性技術研究[D].合肥：中國科技大學，2008.

[9] 張軍. 多視角紋理深度視頻聯合編碼的關鍵技術研究[D].合肥：中國科技大學，2011.

責任編輯：任健男

Design of Interactive Multi-view Live TV System

LU Yongwen

(GuangdongRadioandTVStation,Guangzhou510066,China)

The structure of interactive multi-view live TV system and it’s suitable programs, the difference with normal live TV system are introduced in detail in this paper. The key technical problem of this system that how to compress the video data effectively is also discussed. The superiority compared to normal live TV shows that the interactive multi-view live TV should be the popular live TV mode in future.

live TV; camera; multi-view; interactive

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.18.017

2015-06-29

【本文獻信息】盧勇文.交互式多方位電視直播系統設計[J].電視技術,2015，39(18).