基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統研究

楊濤

隨著計算機技術和網絡技術的發展，廣電行業掀起了數字化電視的浪潮，新技術、新設備使得電視節目的制作、播出、傳輸等所有領域正發生日新月異的變革。尤其是2008奧運會以后，全高清三維虛擬電視設備的發展和云平臺的發展已經成為大的潮流和趨勢，云平臺為高清三維虛擬電視圖文節目提供了有力的平臺技術支持。在這樣的背景下，基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作技術應運而生，系統是以視頻流的軟件圖像處理為主，軟硬件結合，涉及電子、機械、計算機、圖像處理、光學、控制算法、云存儲和云計算等眾多領域的一種復雜系統。本文著眼于對基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作的原理和組成進行剖析研究，對系統的設計提出建設性的意見供參考。

1.系統的原理

基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統通過前端攝像機拍攝包含藍幕（或綠幕背景）的視頻信號進入系統中的程控切換器，選出一路視頻信號進入延時器，然后送入色鍵摳像器，與云平臺渲染輸出的三維圖像背景信號合成為三維虛擬高清電視圖文制作系統的最終合成信號。攝像機的各種參數（推、拉、搖、移）的位置信息通過跟蹤傳感器送入云平臺進行數據分析，使輸出的三維圖像背景信號根據前端攝像機拍攝包含藍幕（或綠幕背景）的視頻的變化作響應的透視變化。

2.系統組成

通過對原理的剖析，我們可以了解基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統主要由以下幾個部分組成：前端攝像機、程控切換器、設計渲染云平臺設備、色鍵摳像器、跟蹤分析云平臺設備。現將各部分逐一進行剖析并提出合理化的選擇建議。

（1）前端攝像機

前端攝像機好比系統的眼鏡，直接決定系統最后輸出和合成的效果。對于攝像機各項技術指標做深入了解，包括信噪比、靈敏度、最低照度、亮度等，不但要對各項指標進行深入了解，而且要對它的價格、消耗功率、調整控制功能和性能、可靠性、售后服務支持等全面了解。眼下低照度攝像機、3D攝像機、4K攝像機日趨呈現性價比優勢，很多設計都把他們囊括在內，個人覺得這些攝像機配套設備尚未完善，在系統選擇時還是應該選擇各大廠家為虛擬系統量身定制的高清演播室攝像機比較穩妥，其配套設備完善，技術成熟，不確定因素較少。

（2）程控切換器

程控切換器負責前端攝像機機位信號的切換，隨著拍攝技術的要求越來越高，對機位數量要求與以前有了很大變化，對于一些特殊的節目會使用數量比較多的攝像機進行切換。我們在選擇切換器時要根據需要接口數量多、具有高清SDI信號輸入、切換信號無損失的高性能切換設備。

（3）色鍵摳像器

通過調節色鍵摳像器的參數可以完成系統的摳像和合成效果及真實物體和虛擬物體的穿越遮擋。對于色鍵摳像設備的選擇，我們要從實時性、顏色級別、去陰影效果、邊緣效果等幾個方面考慮，使之選擇的設備具有摳像路數多、有效去除背景陰影，無顏色溢出和失真、可實現頭發絲、半透明物體、陰影等畫面的精細摳像處理合成，使人或物體的邊緣更自然。

（4）云平臺支持設備（含渲染和跟蹤分析）

設計渲染云平臺是為前端攝像機經摳像后的視頻圖像提供虛擬場景進行合成的平臺，這是整個系統核心部分。通過對市面上的各種平臺的研究和結合自己的工作經驗，整個平臺我建議采用需要類似于3D軟件編輯的四視圖編輯界面，并且有像非線編一樣的基于時軌的云播出控制，任意虛擬物體、虛擬燈光、特技與轉場效果均可以按場頻進行任意編輯、運動、旋轉、變形和縮放，而且它們的屬性都可以實時調整，并可根據虛擬物體的空間位置自動實時指定掩模物件保證正確的遮擋關系;系統可以智能調用“云池”中的資源為設計與渲染服務，并結合DirectDraw和OpenGL的圖形接口，采用圖形優化算法，處理諸如多重紋理、全場景反走樣、任意曲面貼圖、大地形管理和環境映射等，并利用云存儲的快速存調用和云的大數據分析處理能力，建立大型的高兼容性的三維虛擬場景模型文件庫供使用者快速調用，任意模型（3DMAX、MAYA、SOLIDWORK等）都可以調入庫內存儲并隨時調用而不用經過轉換，云平臺的處理和運算能力能力可以幫組系統在虛擬場景中加入豐富的三維特效，比如水里游動的魚、燃燒的火焰、飄落的雪花、江南的朦膿煙雨等，特效與三維物體一樣，可以實時改變自身的三維空間坐標、空間姿態參數和空間縮放參數，并可在時軌上沿特定軌跡運動，并且可以保證特效和三維物體隨著虛擬攝像機的運動保持正確的位置、運動和透視關系，使得云平臺的三維立體虛擬高清電視圖文制作系統的應用更真實、有層次感，使欄目的制作取得更豐富的效果。

跟蹤分析云平臺可以利用前端跟蹤模塊對攝像機的推、拉、搖、移、跟、旋轉和變焦等攝像機各項參數進行高精度、高速度采集，并送入云平臺系統進行數據分析，使輸出的圖像背景根據攝像機拍攝場景的變化作相應的透視變化。前端跟蹤模塊建議采用光柵旋轉編碼和變頻紅外遙感識別的綜合跟蹤識別方式，把采集到數據送入跟蹤分析云平臺進行計算，運用云計算強大的運算能力和準確性，實現虛擬場景和物體毫秒級的處理和定位，瞬時與真實視頻信號進行同步和合成，視頻合成輸出做到穩定可靠，無累計誤差，畫面精確同步，絕無任何撕裂、抖動或前后景錯位。利用云平臺的大數據處理能力，實時分析并保持多個虛擬大屏幕、多個虛擬物體、多個虛擬特效、多實體物體、虛擬空間正確的空間位置關系和空間透視關系，每個前端攝像機對虛擬場景的跟蹤完全獨立，任意切換和實體物體在虛擬場景中的移動不對跟蹤精度和速度造成影響。

以上就是對系統各個主要組成部分的分析和一些合理化建議。本文對于基于云平臺的三維虛擬高清電視圖文制作系統的研究，恰逢我國廣電行業正處于朝高清技術進行升級換代的時期，云技術和數字化技術的運用，必將給這個行業帶來較大變革，對于行業的發展前景和技術革新有一定的參考作用。