哈尔滨电视台三维网络包装字幕制作播出系统

陈即第，姚晴麟，任志强

（1.哈尔滨电视台，黑龙江 哈尔滨 150036；2.合肥励图数码技术有限公司，安徽 合肥 230088）

责任编辑:孙 卓

1 应用背景和需求

以图文字幕传播方式，通过电视荧屏平台，可以将节目包装和网络字幕的理念融合在一起。哈尔滨新闻综合频道和都市资讯频道在进行专业化频道包装的同时，提升资讯投放量，不仅靓化荧屏，提高频道形象，而且大量的、时效性的资讯信息提升了频道的收视率。

哈尔滨电视台三维网络包装字幕制作播出系统以合肥励图公司的在线包装系统为基础，采用实时三维渲染引擎、网络结构，按照多专业共同协作的运营流程模式，将频道包装、图文信息发布和广告营销工作结合在一起，是一套具有在线包装制作、播出和广告播出管理的综合系统。

系统具有较广泛的图文包装应用场合，满足个性化节目包装、自办栏目包装和整体频道包装的要求。支持片头、宣传片、提要、节目导视等片段性短片合成包装；支持直播类栏目提要、节目标识、广告标识、实时资讯、数据统计图表、视频DVE、片尾职员等在线渲染包装以及播出线应用场合的时钟台标、剧名、冠名动画、资讯游动、节目倒计时、股票财经、短信等在线图文三维渲染播出等。系统可利用移动字幕、挂角、视频开窗等形式实时对本地及国际新闻、政府公告、出行信息、实时路况、股市行情、天气预报等地域性资讯信息滚动播出。该系统弥补传统了传统图文电视业务在信息投放量、时效性、多媒体投送手段上的局限性，为传统电视与新媒体融合作出了尝试性探索。系统具有的特点为:

1）基于工业级三维图形OpenGL接口

采用工业级三维图形OpenGL[1]接口开发的实时渲染引擎，以场景模板播出模式，集字幕、图形、图像、动画、视频等全三维场景进行实时渲染，画面效果良好。

2）具有完善的系统结构

创新性网络化图文场景制作、数据库内容实时更新、多终端集中与分布式控制、节目单方式播出应用等先进的系统结构，为系统顺畅运行和未来扩展奠定了基础。

3）系统可与方正无忧播控系统无缝衔接配套使用

系统和哈台原有播出系统——方正无忧播出系统通过编排单同步和播出节目单实时同步技术，实现两个系统无缝衔接配套使用。频道包装业务和字幕播出业务围绕节目播出进行荧屏靓化和资讯投放。

2 系统设计思想

系统设计思想包括:

1）整体设计思路。该系统是将节目包装和网络字幕的理念融合在一起的全新包装系统。通过网络传输将广电行业各业务部门整合在资讯播出的运营中，采、编、播于一体的图文资讯发布平台，形成了与节目播出并行的又一信息发布平台。信息实时采集，多手段发布方式，有效弥补了传统广电节目编辑时间长的缺点，发挥了新媒体更新迅速、信息快捷的特点，使广大电视用户方便获取信息，并在传统电视与新媒体竞争中寻找到了新的经济增长点。三维网络字幕包装系统不仅将在线包装和三维技术的结合，同时也将自动播出、制作相融合的模式引入到网络字幕中，使包装内容和形式更加丰富，播出也更加灵活、成熟。

2）三维技术开发。利用引擎的方式来构建三维对象的管理系统、建模渲染系统、特效系统等。这种模式可以使三维对象的管理渲染效率更高，同时也容易扩展，为后面的应用开发打好基础。

3）整体框架设计。采用插件的开发方式来构建整个系统，可以使整个系统的开发相对独立，功能管理更容易、更灵活，应用更方便。

4）系统监测和自我修复。通过SNMP协议来监测系统各个模块的运行状况，并在发生故障时能实时报警，对于特殊模块可以进行故障判断和自我修复，以确保播出安全。

3 系统关键技术

系统关键技术包括:

1）基于OpenGL的三维实时渲染引擎。基于OpenGL顶层开发了实时、高效渲染引擎L3D Engine[2]，引擎采用标准化的面向对象语言编写，有着强大的可管理性和可扩展性。利用GPU的图形加速技术和CPU的多线程技术，提高渲染引擎效率。引擎包含了场景管理系统、渲染系统、特效系统、其他功能等。

2）基于SNMP的系统监测和核心模块自我修复技术。系统核心软件包括渲染引擎、场景文件管理器、数据库管理等，支持SNMP的状态检测[3]，运行过程中如果出现故障，AirCG.3D监控软件可进行自我修复，确保播出工作不受影响。

3）C/S系统结构，基于LAN的IP控制技术。系统采用C/S系统结构，核心软件模块和应用软件之间采用特有的IP协议进行数据交换，配置成分布式结构，使得整个系统灵活、安全。

4）自动播出系统和在线包装系统数据交换和联动。系统利用数据交换网关软件和自动播出软件在总编室节目单编排和播出串联单两个阶段进行数据的自动交换。通过采用节目单名称及开始时间自动配对算法，实现节目单整合的智能化计算模式。

5）基于场景模板的实时渲染播出模式。场景模板由三维创作软件制作，编单软件根据场景模版将可变的文本、图片和视频等替换，播出软件即可进行渲染播出，无需每天制作播出场景，极大地提高了工作效率。

6）专门应用的插件开发。针对应用系统开发了多种专用软件，如天气资讯播出、股票播出、短信互动播出、节目导视播出等，这些专用软件全部采用Plug-in的模式，可做到系统的灵活升级，提高了整个系统的稳定性。

7）多种数据源的关联播出。实时数据可采用多种方式关联到场景中，数据源可采用文本、数据库、HTML、XML等形式，提高了系统的适应能力。

8）将信息采集、广告统计和编排等业务功能纳入字幕系统。资讯信息、实时数据可采用文本、数据库、形式，通过专用编排统计模块导入系统，系统贴近实际工作情况。

4 系统的实现

从系统的三维渲染引擎、与自动播出的关联、系统的开发结构及实现、系统监测和安全性等4方面展开描述系统的实现。

4.1 系统三维渲染引擎技术

三维渲染引擎不单单设计一个渲染功能，而是集场景管理、建模渲染、特效实现以及一些特殊功能实现于一体的实时渲染引擎。这也是与其他渲染引擎的区别，其最大优势是能方便有效管理场景内容，提高实时渲染效率。

该系统底层基于OpenGL图形标准的实时渲染引擎L3D Engine。使用面向对象的编程方式，利用GPU的图形加速技术和多线程技术，提高渲染引擎效率。L3D Engine引擎包括了场景管理系统、渲染系统、特效系统等。

场景管理系统是整个引擎的核心。引擎采用二叉空间分割（Binary Space Partition，BSP）的方法来实现场景的数据结构，BSP使用一个分离面，对每一层一分为二，从而实现对空间的划分，其中分割的平面可以出现在任何方位。BSP是八叉树的一般化，可以应用到多维空间的场景管理。与八叉树相比，BSP树有内存耗费小、管理灵活平稳、无效区域小的优点。另外，由于是二分空间，方向性更强、判断更容易，在某些时候可以代替Z-Buffer来解决问题，可以方便执行冲突碰撞检测。同时在场景管理中还应用到一些像场景分割，可见性剔除、数据存储、节点评价、动态网格计算技术以及快速定位活动节点的有效碰撞检测范围，实现了碰撞检测算法的优化。

渲染系统把三维场景的节点以及各种效果渲染出来。主要包括场景内容渲染和Shader渲染。场景渲染主要包括场景内容的遍历、节点的变换、模型的空间转换、灯光、照相机、投影、细节层次选择、背面剔除、透视分割、角度计算、网格模型的裁剪、材质纹理、纹理映射和混合、深度测试、抗锯齿以及Alpha透明测试等；Shader渲染包括顶点着色和像素着色等，主要用到的算法有基于BSP的LOD算法，几何多重映射算法以及线性插值算法等。

特效系统是系统引擎的一个特色。包括了粒子系统、等离子系统、着色系统和纹理混合:粒子系统可以模拟大量的自然现象和一些特殊效果；等离子系统是引擎的一个特有效果，采用多重纹理差值映射算法来实现，可以实现多种梦幻般效果，像分子裂变，图形融合等。

引擎为了更好地丰富包装系统的创作，特别开发了角色动画系统、2D绘图功能、导入常见的建模文件格式等:角色动画系统主要是采用VRML技术将第三方建模软件创建的带有骨骼和变形动画模型导入到L3D Engine的场景中来实现所需效果；2D绘图功能是快速实现2D图像的Alpha混合、图像复制、字体绘制以及2D和3D图形的混合；引擎支持Maya，3D Studio Max，Milkshape，Quake 3 levels，Quake 2 models，DirectX 等第三方模型的导入。引擎是基于GPU图形渲染和CPU多线程实现的，其基本机构如图1所示。

通过与同类型的引擎进行比较，渲染速度有明显提高，在渲染效果上和DirectX 3D比较，效果显著，尤其在开发应用程序方面，其面向对象的设计为应用程序的开发提供了很好的接口，大大提高开发效率和质量。

4.2 内容与自动播出关联

技术思路上利用节目单匹配网关软件来与自动播出软件进行数据交换和关联。在自动播出系统的数据交换和联动上，在线包装系统采用单独开发节目单匹配的数据交换网关软件和自动播出软件在总编室节目单编排和播出串联单编排两个阶段进行数据的自动交换，在线包装系统采用节目单名称及开始时间自动配对算法实现节目单整合的智能化计算模式。播出单首先由总编室读取方正的总编室节目单提前进行字幕播出单制作并且存储于文件服务器，然后播出部从方正播出机通过串口读取节目单与总编室提前制作的节目单比对，其间对广告倒计时长度以及电视剧集数的增加实现了自动设置的功能，全天各时段都提供与总编室节目单对比功能，实现了方正无论何时加载播出单，都可以实时地与总编室节目单比较生成完整的播出串联单。

4.3 系统的开发结构和实现技术

采用插件方式进行开发，插件有统一的开发接口，可以根据不同需要，调用不同插件，这样可以使系统的功能容易扩展和管理。软件系统实现上，三维网络字幕包装系统是以场景模板的方式进行制作和播出。

在软件系统开发结构上，三维网络字幕包装系统是采用插件的方式来实现，每个插件实现特定的功能。在设计应用程序时，可以根据功能的需求选择加载所需要的插件。

在软件系统实现上，三维网络字幕包装系统是以场景模板的方式进行制作和播出。在模板制作方面采用场景树的方式来管理要渲染的节点，可以实现快速遍历和操作。采用关键帧动画来实现场景里面节点的运动，灵活地实现节点的运动和其他动画效果。同时励图三维模板制作除了提供一般的三维包装系统提供的功能外，还开发了一些专门的应用插件像股票K线图、天气图标、卫星云图、表格、图表、短信抽奖等。系统中的插件在播出的时候可以根据不同的需要关联上不同的数据像股票数据、气象数据、云图数据、节目单信息、短信数据以及其他的一些数据，插件会自动根据数据进行计算和建模，从而达到要播出的效果。系统能够实时渲染所要播出的场景内容，同时可以实时更新播出所关联的数据。基本软件开发框架如图2所示。

4.4 系统检测和安全性

采用了基于SNMP的系统检测和核心模块的自我修复功能。利用防火墙构建纵深防御体系来实现整个系统的安全。

在系统检测和播出安全上，系统采用了基于SNMP的系统检测和核心模块的自我修复功能，主要是通过SNMP的方式，对播出所用到的软件进行监控、报警及修复，并为其专门开发了一个监控软件，其中对于播出的核心软件播出引擎模块和文件服务管理模块，如果在检测到播出异常，那么就会自动修复这些异常，从而保证播出正常。项目系统框架如图3所示。

在拓扑结构上，系统以一体化防火墙为核心，将IP划分不同网段，区分不同安全区域。通过设备提供的DMZ策略和系统结构中在DMZ区设置发布服务器，构建堡垒。将信息采集、模板制作易有病毒的部分划在外网，编单、审核、播出工作站和服务器放在内网中，并且通过在防火墙设定内外网访问策略和DMZ区，外网站点安装杀毒软件，建立梯度递进网络深度防毒体系，依次实现信息传输安全管理。同时系统以部门为单位设定权限管理，工作人员分属到不同的部门中，实现人员权限管理的简单化、系统化。项目的实施工程拓扑如图4所示。

5 小结

系统经过近4个月的安装调试后投入使用。其中哈台的都市资讯频道经过多媒体创作人员的整体包装后，专业化资讯频道特色得到突显。系统的投入使用配合哈市100多条道路建设升级改造工程，每日向市民投放大量资讯信息，收到了良好的收视效果。系统运行初期，遇到了两次病毒攻击，但病毒没有扩展，没有波及内网设备，为系统的快速、顺利恢复起到根本保证。随着高清频道的开播，该系统将肩负更大的使命。

[1]施润尼.OpenGL编程指南[M].徐波，译.5版.北京:机械工业出版社，2006.

[2]徐明亮.OpenGL游戏编程[M].北京:机械工业出版社，2008.

[3]李明江.SNMP简单网络管理协议[M].北京:电子工业出版社，2007.

陈即第（1963-），高级工程师，主研广播电视工程；

姚晴麟（1974-），硕士，高级工程师，主研软件工程，广播电视工程；

任志强（1984-），软件工程师，主研软件工程，视音频开发及3D技术。