真三維虛擬演播室系統在縣區級臺的應用

沈 江

（作者單位：浙江省紹興市柯橋區廣播電視總臺）

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真三維虛擬演播室系統在縣區級臺的應用

沈 江

（作者單位：浙江省紹興市柯橋區廣播電視總臺）

摘 要：本文主要介紹了真三維虛擬演播室的系統構成，結合本臺實際進行系統選型，以及具體的實施應用，取得了不錯的效果，成為一個在縣區級臺應用的成功案例。

關鍵詞：真三維虛擬演播室；跟蹤技術；圖形工作站；色鍵器

隨著時代的發展，人們對精神文化生活有了更高的需求。本臺自辦欄目也逐漸增多，以及形式的不斷多樣化，都迫切需要豐富提高節目的整體效果，原先一個實景新聞演播室已不能勝任，當前需要一個能不斷變換背景又省時省力，且符合多個不同欄目都能錄制，以提高演播室使用效率，而改建成真三維虛擬演播室就可以滿足上述所有需求。

1 真三維虛擬演播室技簡介

真三維虛擬演播室技術是在色鍵技術與計算機圖形處理技術相結合的基礎上發展起來的，它與傳統的色鍵摳像技術最根本的區別在于引入了虛擬現實技術中的信息交互技術。傳統色鍵技術摳像時，當攝像機做任何運行時，背景沒有變化，前后景之間缺乏聯動關系，看上去前景象漂浮在背景上一樣。而虛擬演播室技術采用了傳感器跟蹤攝像機的運動，將攝像機的運動參數：位置、俯仰、平搖、推拉運動轉變成電信號，送入計算機主機，計算機通過運算，對虛擬場景的相應參數進行調整，實時生成與前景聯動的背景信號，進入色鍵器與經過延時的前景信號進行合成，使虛擬攝像機拍攝的虛擬背景與真實攝像機在藍幕前拍攝的人物前景通過色鍵摳像技術完美地合成在一起。當拍攝前景的真實攝像機運動時，其合成畫面的背景也同時相應地運動，始終保持相應的透視角度，合成效果仿佛是從實景中拍攝所得，從而創造出逼真的、立體感很強的電視演播室效果，解決了傳統摳像技術中背景不能隨前景運動的局限性。此外，背景不僅可以是一個虛擬的三維場景，也可以嵌入多路實時視頻背景，這使我們擺脫了傳統的空間環境和真實物體的約束，進入了一個無限的想象空間，以實現各種新穎、奇特的創意，極大地提高了電視臺的節目創作和制作能力。

2 真三維虛擬系統的構成及應用

為立足長遠，結合虛擬演播系統的最新技術和發展方向，出于簡潔、安全、可靠的考慮，經過認真的篩選，最終選擇了擁有國際領先的三維實時渲染引擎，以色列敖威公司生產的真三維虛擬系統。

原有傳統實景模擬新聞演播室是與另外一個舊的虛擬演播室合用導控室，演播室面積35 m2左右，導控室面積17 m2左右，通過改建成為采用最先進的網格識別跟蹤系統；同時，支持多機位靈活配置，真三維全數字標清虛擬演播室。這套系統的關鍵是選用了國際先進的真三維虛擬系統：ORAD的虛擬演播室產品ProSet。

ProSet是Orad公司的高端HD/SD虛擬演播室系統，提供了一個全新的虛擬演播室系統。具有虛擬演播室與圖文系統的完美結合，攝像機自由運動，不需要第三方的技術、設備支持，支持所有的HD/SD格式，極小的視頻延時，既可以作為一個獨立的系統，也可以作為一個系統的一部分，簡單的操作界面、支持多個數據庫連接等特性，ProSet提供了一個新的虛擬演播室解決方案。不僅能出虛擬背景信號，ProSet還提供了對動態前景信號的處理，提供了各種動態圖形元素，如滾動條、標題、及三維圖形等。

改造后的真三維虛擬演播室系統結構見圖1。

在這套真三維虛擬系統中，攝像機所拍攝的帶有藍箱背景的演播室信號通過傳給導控室內的攝像機控制單元，攝像機控制單元輸出SDI信號先進入ORAD VDI-40數字身份識別器，這是一臺切換識別系統（最多可支持4路攝像機），VDI-40會對每一路攝像機的輸出圖像范圍外打一個識別點，切換臺通過攝像機輸入路數的切換會認識這個點，并把相應攝像機信號輸出到ORAD的數字視頻處理器DVP-500,DVP-500計算網格的跟蹤數據，通過網絡發送跟蹤數據給HDVG（圖像工作站）；同時，把處理過的前景信號輸出給HDVG，HDVG根據帶有跟蹤數據的前景信號實時渲染三維背景，使前景和背景保持同步比例。其中把切換臺一路AUX信號定義為輸出給實時渲染虛擬背景的插入視頻，也可以作為獨立背景使用。然后由HDVG輸出前景信號（FG）、背景信號（BG）和KEY信號（MATTE）進入色鍵器摳像，在色鍵器中合成信號（FG+BG）后送入切換臺作為PGM信號輸出，PGM信號最后給非編系統進行節目的錄制。

改建后的虛擬演播室系統采用SONY數字化、多功能、高性價比的切換臺DFS-800，攝像主信號仍舊使用原有索尼DXC-D50標清演播室數字攝像機拍攝，虛擬演播系統切換臺輸入信號設計為一路色鍵器輸出的合成信號、兩路攝像機信號、兩路藍光錄像機信號、一路非編信號以及一路備份虛擬信號。本系統所有設備同步信號源由同步發生器產生經視頻分頻器分配后獨立輸入。攝像機、藍光錄像機、非編、虛擬主機、PVW、PGM的監看信號分別輸入到電視墻的畫面分割器，監看系統采用大屏加多分畫面分割系統，擯棄了原先傳統的單屏監看方式，既美觀又更具人性化。在系統備份上，考慮到實際經費有限，不能再備份一套ProSet系統，通過新舊虛擬演播室來互為備份，也到達了相同的效果。

圖1 真三維虛擬演播室系統結構

虛擬演播室系統主要由下列設備和系統組成：圖形工作站及配套設備（含控制PC及LINUX操作系統）、網格身份識別處理器、虛擬演播室軟件、數字色鍵器（含控制面板）、攝像機跟蹤系統、音頻延時器和虛擬演播室專用藍箱等。

2.1 攝像機跟蹤系統

跟蹤系統可以獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數，判斷攝像機、主持人、三維場景之間的相對位置關系，以保障前景運動時背景能及時跟上，在合成圖像上看不會出現漂移現象。目前主流跟蹤技術主要有：網格圖形識別、機械傳感和紅外跟蹤等。

根據實際應用需求我們采用使用最廣的網格識別跟蹤系統，下面具體介紹。

以ORAD專利的網格技術作為定位目標，初始定位快速、準確、簡單，定位后各機位間透視關系正確；跟蹤系統中可升級多種跟蹤方式，在不同的跟蹤方式之間切換圖像不跳幀。因為采用了ORAD的網格技術，增加機位不會增加硬件跟蹤系統，以滿足將來擴展的需要，系統對傳感參數處理速度快，達到像素級的跟蹤精度標準，攝像機推拉、搖移、俯仰和變焦等操作，可以使三維場景快速的同步變化，保持和前景的相對位置，不會出現人動但背景不動的現象；同時，圖像無停頓、撕裂，以保證機位運動的快速、平滑和穩定，系統跟蹤不受燈光、電磁波、聲波及熱光源的影響。因為采用了ORAD全球專利的網格圖像識別技術，錄制節目時，不需要進行跟蹤系統的調整，節目的拍攝不會受到約束，主持人變換位置時能實現快速定位，不需要再進行測量。采用網格跟蹤方式無須改造云臺結構，可以方便的拆卸，搬運。跟蹤方式不會產生累積誤差，避免了機械跟蹤方式出現的經常性的調整。

2.2 圖形工作站

采用硬件反走樣算法，渲染器輸出的三維場景始終無鋸齒、閃爍或抖動現象。采用專業級的3D圖形加速卡和廣播級的專業SDVG視頻處理卡，系統能夠流暢的運行復雜的三維虛擬場景，并提供高質量的虛擬場景渲染效果。視頻卡輸出質量高，場景通透感好，色彩，材質效果真實，能夠很好地還原場景設計的效果，物體邊緣細膩。計算機制作的精美三維場景和動畫，通過圖形工作站輸出完全一致，無需重新調整。支持2路外來SDI視頻輸入，可在虛擬背景上實現不少于8路虛擬電視大屏，攝像機聚焦一塊虛擬大屏時，虛擬電視大屏的圖形清晰，達到廣播級要求，不會產生電子放大，圖像不抖動、跟蹤時不撕裂，并且可以放大到全屏信號直接用于播出。考慮到防止病毒的影響和保證系統運行的穩定性，圖形工作站必須采用LINUX操作系統。

同時支持硬盤視頻文件的播放。制作的虛擬場景中的任何物體，動畫、貼圖和燈光等元素，都可以實時調整，實時修改，無需再生產。ORAD是三維場景實時處理，不需要預渲染。虛擬演播室單個渲染單元渲染三角形數量不低于12 000萬/秒，紋理貼圖不低于200 M；可以對虛擬場景中任何物件做半透明處理，在系統計算量繁重的復雜情況下，系統保證穩定性，不丟幀，快速機位移動時跟蹤不滑步。基于傲威公司自己研發的DVG視頻卡，是目前世界上最為出色的實時渲染引擎，主要體現在渲染質量和渲染效率。兩機位之間的合成后畫面，通過切換臺時不出現夾幀、黑場等現象。圖形工作站輸入∕輸出信號處理均為標清信號。并能無縫升級到高清格式，無需增加硬件投資。

2.3 色鍵器

色鍵器是用來把攝像機的前景信號和通過渲染引擎產生的背景信號合成為最終圖像，在虛擬演播室中至關重要，我們使用的是目前高端虛擬演播室選用較多的美國Ultimatte500外置色鍵器，除了提供前景信號和背景信號的合成摳像外，還可以提供鍵信號合成、前景背景信號色彩矯正、前景背景信號延時等功能。

Ultimatte的一個色鍵器控制面板可接4路色鍵器主機，其中主機的輸出控制接口都是RS422口子，而面板上分別有RS485、COM口等，但由于色鍵器上本身沒有任何調節按鈕，所有參數都要依靠控制面板來調整設置。從實際使用情況來看，我們對其整體摳像效果都很滿意，完全可以和實景相媲美。

2.4 虛擬演播室創作軟件

3Desinger專門用于制作該系統虛擬背景。它可以制作出實際不存在的或難以制作的場景，并可以在瞬間改變場景，其空間不受物理空間限制，因此可創作出更豐富、更吸引人的節目，能夠以低廉的成本產生新奇的視覺效果。另外，由于場景的制作、修改、保存等都在計算機上進行，制作和更換電子布景快捷簡便，節省了大量的人力、物力、財力，而且縮短了節目制作周期，提高演播室的利用率等。

場景設計軟件設計功能強大，并且界面設計簡單合理，操作流程清晰，可實現場景的快捷搭建，能運用普通的拖放方法來為布景增添圖形元素，或是為幾何圖形應用紋理和材質。模版創作和運行控制能夠在任何一個基于WINDOWS 的PC上運行（滿足最低的平臺需求）；在創作階段不需要連接一個用于著色的計算機。播出軟件可以同時加載多個場景，支持在多個虛擬場景中進行轉換，可根據節目需要，現場快速改變視頻源或圖片。

2.5 音頻延時

虛擬演播室音頻系統主要由調音臺和音頻延時器組成。 系統調音臺配置了YAMAHA MG12小型調音臺，雅馬哈（YAMAHA）MG12 模擬調音臺由：12通道，最多6個話筒，12個線路輸入（4個單聲道+4個立體聲），2編組母線，1立體聲母線，“D-PRE”話放，帶有倒向晶體管電路，單聲道輸入通道上的PAD開關，+48 V幻象供電，XLR平衡輸出，金屬機身，很適合小型演播室使用。

由于圖形工作站實時渲染三維場景需要處理大量的數據，因此整個虛擬系統中的視頻會有2幀左右的延時，但要保證主持人口型和聲音同步，這就需要音頻系統也適當作延時處理，為此配置了波視BD30A音頻延時器。由于音頻輸出需要進過延時系統為了簡單直觀，更方便操作，我們把主持人的音頻信號先進調音臺話筒輸入，然后指派給AUX后送給音頻延時器，2幀延時后再進調音臺作為AUX延時輸入，給PGM節目輸出。不過這樣的音頻輸入安排操作上還是有點不一樣的地方，因為主持人話筒輸入不直接指派給調音臺PGM輸出，而是先到了輔助輸出，所以錄制節目時，不是直接操作主持人的話筒輸入推子，而是調節AUX延時推子。這樣就算話筒輸入有好幾路，只要管好AUX延時推子就好了，方便又省事。

2.6 虛擬演播室的專用藍箱及燈光布置

專用藍箱的品質決定了摳像的效果，需要先請木工根據我們設計好尺寸做一個藍箱框，再涂上虛擬演播室專用的影視漆。我們做成三墻一低式的，這樣攝像機機位限制小，搖攝范圍大。藍箱油漆涂的一定要均勻，特別是在墻墻、墻地交接處不能有接縫的痕跡。還有每天大量的使用，最難保持藍色純凈均勻的是地面，所以要鋪上透明的塑料墊子，這樣不會磨掉藍色漆，有鞋印的話也只要用拖把一下就沒有了，就算粘些塵土摳像效果影響也有限，這樣方便維護管理。為了配合虛擬場景中的主持臺，請木工做了簡易的臺子，然后涂上同樣的藍色漆，這樣可以在臺子上放演播室直播話筒，摳像后的效果與虛擬場景配合的很好。

考慮到虛擬演播室燈光只需保持足夠的亮度和均勻的布光，該虛擬演播室延用原來實景演播室的三基色冷光源燈，重新進行合理的布光，使藍箱各個位置都能保持充分的亮度。為了體現主持人立體的輪廓感，在主持人后面左右兩側各增加了一個低色溫的LED冷光燈，作為逆光使用，整體符合虛擬演播室要求。

3 綜述

真三維虛擬演播室系統的改建順應了電視技術數字化發展趨勢，充分運用功能日趨完善的虛擬演播室技術，進一步提高了浙江省紹興市柯橋區廣播電視總臺電視節目制作技術質量及畫面效果，同時演播室空間得到了充分合理的利用。該虛擬演播系統中最關鍵的渲染引擎使用LINUX系統，而軟件操作使用普通PC加上Windows系統，這樣既保證了系統的穩定性，又便于用戶使用，而且場景創作也方便快捷，制作人員經過短暫的培訓就能熟練地使用系統自帶的設計軟件創作三維場景。系統自投入使用以來到達預期效果，整個虛擬演播室系統各項功能滿足要求，硬件、軟件都運行穩定，并在多個節目中頻繁應用，如《柯橋區新聞》《快樂吧》等。該虛擬演播系統自設計階段到建成投入使用后，不僅得到臺內人員和領導的肯定，還有其他縣區級兄弟臺同行前來參觀、咨詢，已成為一個在中小臺應用的成功案例，必將在業內得到越來越廣泛的使用。