淺談虛擬天氣節(jié)目演播室技術及構建

孫志清 李想 彭衛(wèi)紅

摘要：經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬演播室技術已逐步應用到了氣象影視節(jié)目的制作中，也漸漸成為了大家豐富氣象節(jié)目的重要手段。本文結合廣東氣象影視宣傳中心高清虛擬演播室系統(tǒng)建設，對虛擬演播室的工作原理，系統(tǒng)構成，功能增強，系統(tǒng)安全等方面做了詳細的介紹。

關鍵詞：虛擬演播室；氣象；跟蹤；場景渲染

中圖分類號：TN948.12 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0215-03

隨著3D、新媒體技術的迅速發(fā)展，大眾對視頻節(jié)目的觀賞水平不斷提升，傳統(tǒng)意義的摳像節(jié)目已很難滿足受眾日益增長的生活需求。氣象預報節(jié)目作為公共氣象服務體系的重要組成部分，想要在越來越激烈的市場競爭中占據(jù)主動權，更好更多的提供氣象服務，急需在節(jié)目的形式和質量上下功夫，為氣象節(jié)目的口碑和公益及經(jīng)濟效益做貢獻。

三維虛擬演播室技術可以為觀眾提供更加逼真的視覺效果和場景空間感，擺脫了傳統(tǒng)天氣節(jié)目拍攝中使用色鍵簡單摳像存在的諸多限制（主要是失真問題）。通過將攝像機現(xiàn)場拍攝主持人活動圖像與三維虛擬物體圖像進行數(shù)字化實時合成，主持人能夠與虛擬天氣預報演播室及模擬天氣環(huán)境同步變化，實現(xiàn)了物理上難以具備的超過人們想象的充滿立體感和強烈視覺沖擊力的畫面，大大增強了主持人講解天氣的生動性，也使得氣象節(jié)目更加豐富，更具趣味性。

1 虛擬演播室技術原理

虛擬演播室的工作原理是將攝像機拍攝到的以綠箱/藍箱為背景的人物、景物通過適當延時后，送到色鍵器作為視頻畫面；同時通過攝像機跟蹤系統(tǒng)將采集到的攝像機運動參數(shù)、演播室空間位置等信息傳送給圖形計算機，然后圖形計算機根據(jù)攝像機運動參數(shù)生成合適的虛擬背景畫面和遮擋信號；并按照遮擋信號提供的關系，將視頻畫面與虛擬物件進行色鍵合成，使人物、景物與虛擬物件能夠同步變化，而且攝像機鏡頭也可自由運動，從而達到擬真的完美圖像。系統(tǒng)架構圖見圖1。

2 虛擬演播室構成

完整的三維虛擬演播室大致可以分為三個部分：攝像機跟蹤系統(tǒng)、場景渲染系統(tǒng)以及色鍵合成系統(tǒng)，配合常規(guī)的燈光設計及音頻系統(tǒng)來完成虛擬演播室的制作。

2.1 攝像機跟蹤系統(tǒng)

傳統(tǒng)綠箱/藍箱演播室并不考慮攝像機運動的參數(shù)變化，僅僅是將背景與主持人“粘合”在一起，一旦主持超出預設的位置即會發(fā)生穿幫。但虛擬演播室不同，它需要時刻保持主持人與虛擬物件的同步。這就需要攝像機跟蹤系統(tǒng)去獲取攝像機在演播室的空間位置（x，y，z），運動參數(shù)（Pan、Tlit、Roll）以及鏡頭參數(shù)（FOV），判斷攝像機與主持人及虛擬場景的位置關系，從而實現(xiàn)虛擬物件、場景與主持人的綁定。

主流的攝像機跟蹤方式有三種，分別是紅外線跟蹤（IR）、網(wǎng)格識別跟蹤（PR）以及機械傳感器跟蹤（MS）。

2.1.1 紅外線跟蹤方式

利用紅外線收發(fā)裝置判定主持人與攝像機在演播室的位置關系。

這種跟蹤方式使得攝像機可隨意移動，實現(xiàn)360度的拍攝扇區(qū)，如果在主持人身上添加紅外線裝置，還可識別主持人的景深參數(shù)，實現(xiàn)虛擬物件的自動遮擋。當然，缺點和不足也很明顯：跟蹤精度相對較低，特別是無法捕捉攝像機鏡頭的運動狀態(tài)，不能獨立完成整個動作的跟蹤。

2.1.2 網(wǎng)格識別跟蹤方式

在演播室綠箱/藍箱上涂上與色鍵顏色相同、明暗不同、線條粗細不等、線距分布不均勻的網(wǎng)格線，計算機通過根據(jù)攝像機攝取的網(wǎng)格圖像，采用一定的數(shù)學算法，實時計算出攝像機的運動狀態(tài)和參數(shù)。

這種方式的優(yōu)點明顯，即無需對攝像機、云臺等設備部件進行改造，安裝調整簡單便捷，同時攝像機的移動也很自由，無需鏡頭校準，定位的時間也很短。但制約條件也多：為了保證跟蹤的精度，畫面中必須出現(xiàn)足夠的網(wǎng)格信息（至少包含三橫三豎）；攝像機還需保持合適的角度，不能垂直或平行拍攝網(wǎng)格畫面；對色鍵器的質量要求高；對燈光布置要求嚴格，要求布光均勻等等。

2.1.3 機械傳感器跟蹤方式

是最為傳統(tǒng)的一種跟蹤方式，通過在攝像機鏡頭和云臺上安裝傳感器和相關電子設備，將攝像機的運動和鏡頭參數(shù)通過串行接口傳送到圖形渲染工作站，實時生成隨攝像機運動的虛擬場景畫面。

機械傳感器的精確性是最高的，系統(tǒng)也相對簡單。但安裝較為繁瑣，除非使用搖臂或機器人，不然攝像機機位只能固定，鏡頭自由度較低。

綜合來看，不管運用哪種技術，根本功能是一樣的，都是通過特定的設備和算法獲取攝像機以及鏡頭的參數(shù)。大家可通過比較3種主流的虛擬演播室傳感跟蹤方式，結合自身的拍攝需求，選擇一種，或者混合應用的解決方案。

2.2 場景渲染系統(tǒng)

在普遍高清制作的大背景下，渲染系統(tǒng)必須具備強大的渲染能力。硬件配置自不必說，隨著計算機技術發(fā)展一直是水漲船高。

在軟件上，國內外很多公司都有相應的解決方案。以挪威維斯有限公司的Vizrt為例，功能實現(xiàn)可通過軟件的模塊化組合。基本的配套軟件除了核心的Viz Engine實時渲染引擎外，至少還配有Viz Artist設計工作站與Viz Trio播控工作站。

Viz Artist是一款用于3D圖像實時創(chuàng)作的軟件，除了具備三維動畫設計工具和豐富的插件包外，還支持3ds Max、Maya等多種三維建模軟件的場景源文件。設計師可在Viz Artist中自由發(fā)揮創(chuàng)作節(jié)目需要的三維虛擬場景和物件動畫。創(chuàng)作后的三維場景和物件可直接在Viz Engine上播出。另外，在Viz Artist內部還可進行編程，用于實現(xiàn)二維、三維元素、數(shù)據(jù)以及文字的外部替換，對于日常變更圖表、數(shù)據(jù)可視化產(chǎn)品需求較多的氣象影視節(jié)目來說，可極大的提高播控效率。

Viz Engine實時渲染引擎作為場景渲染系統(tǒng)的核心。每臺Viz Engine均支持SDI信號和IP碼流的實施輸入輸出，可將Viz Artist中的三維場景和物件進行實時轉換，生成高清、4K及更高級別的畫面輸出。同時，將攝像機的運動信號、鏡頭參數(shù)、空間位置與場景信號相結合，可達到真正的攝像互動。Viz Engine工作流程圖見圖2。

Viz Trio播控工作站通過網(wǎng)絡連接，可對一臺或多臺渲染引擎進行播控。播控采用串聯(lián)單控制方式，具有強大的模板功能。設計師可通過Viz Trio播控系統(tǒng)對測試場景的實際輸出進行測試；當天編導和制作可將設計師設計的模板進行素材信息編輯，并自定義保存，自由組合成適用于當天的節(jié)目串聯(lián)單。播控操作界面風格類似于字幕機，真的做到了靈活、高效、安全。

2.3 色鍵合成系統(tǒng)

這里所說的色鍵合成系統(tǒng)，其實就是傳統(tǒng)的色鍵器加上高性能的圖形工作站。在經(jīng)過色鍵摳像處理后，視屏信號輸入圖形工作站和事先做好的虛擬場景合成輸出。

相對于傳統(tǒng)演播室，虛擬演播室內主持人可能會頻繁的運動，對于摳像的要求就更高了。推薦使用久負盛名的Ultimatte 11實時高清色鍵器，Ultimatte 11采用先進的4：4：4：4圖像處理技術，可提供更加優(yōu)化的蒙版控制，因此用戶可輕松將主體從背景當中精確分離出來。此外，它還能為用戶提供蒙版修正功能、直接和間接燈光功能、溢出抑制工具、邊緣修整控制等，所有這些實用功能均可實時操作并生效。

但如果從簡化系統(tǒng)結構，方便日常操作的角度來說，大家也可以選擇軟件摳像。

3 虛擬天氣節(jié)目演播室的功能增強

虛擬技術的發(fā)展，勢必是為了更加接近于真實的視覺體驗，除了在場景設計、內容策劃等軟實力上做努力外，在硬件上我們也可以做以下的升級：

第一，使用搖臂。氣象節(jié)目的天氣形勢講解多需要地理圖形做烘托，搖臂在傳統(tǒng)的三腳架和云臺功能上增加了升降功能，可以使鏡頭在運動時更加“夸張”，借此拍攝出宏偉、大氣的場面，更加突出氣象要素，大大增強節(jié)目的觀賞性。

第二，運用攝像機器人。搖臂需要專業(yè)的攝像師全程拍攝，對工作人員的專業(yè)性要求很高。引入攝像機器人納入虛擬演播室系統(tǒng)，可大大降低對專業(yè)人員的依賴。通過對節(jié)目的策劃，對鏡頭的固化，完全可設計出可行的日常節(jié)目業(yè)務化鏡頭運用模板，大大提高氣象影視節(jié)目的制作效率。

4 虛擬演播室制作安全考慮

播出安全是影視從業(yè)人員的生命線。相對于傳統(tǒng)演播室而言，虛擬演播室系統(tǒng)復雜，涉及的軟硬件設備也更加的多。這要求整個演播室系統(tǒng)能方便的應急調整，便于故障的判斷和維護，出于安全著想，我們考慮了以下幾個方面：

（1）采用多通道獨立式的結構設計，結構上采用一對一的通道化方式，解決了共用式設計可能帶來的前后景切換延時問題。同時，任何一個通道的故障不會影響其它通道的正常輸出，安全系數(shù)大大提升。

（2）為每臺攝像機配置單獨的返送監(jiān)看信號。虛擬演播室多配備搖臂甚至機器人機位，攝像師面對的是綠箱/藍箱，需要時刻獲取主持人在虛擬場景中的空間環(huán)境，才能正確的構圖，單獨攝像機的返送信號配置是不可或缺的。

（3）兩臺播控引擎互為備份。平時一臺播控工作站控制多個渲染引擎，在一臺播控出現(xiàn)故障時，可迅速做切換處理，增強系統(tǒng)安全性。

（4）虛擬演播室系統(tǒng)采用主備雙通道工作方式。正常情況下，主路作為播出通道，備路作為預覽通道監(jiān)看待播機位合成效果。同時主備路還可以通過二選一切換開關直接輸出。當主路出現(xiàn)故障時，可在切換臺上快速切換備路信號。

5 結語

虛擬天氣演播室技術不僅提高了氣象影視節(jié)目制作的效率，拓寬了氣象節(jié)目制作者的創(chuàng)作空間，豐富了節(jié)目的表現(xiàn)形式，同時也大大降低了氣象節(jié)目的制作成本。相信隨著計算機多媒體技術和圖形圖像處理技術的發(fā)展，虛擬技術會愈加強大，在氣象影視節(jié)目中的應用前景也會越來越廣闊。

參考文獻

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