数字化三维虚拟演播室系统方案设计

罗蕴军，肖 颖

（1.新余市广播电视台，江西 新余 338000；2.国家新闻出版广电局553台，上海 201908）

传统的电视节目制作通常使用摄像机拍摄、计算机三维动画制作等方式得到的视频图像经非线性编辑系统编辑制作成片。非线性编辑系统的处理是基于平面图形图像的处理，将视频图像融合在一起，是对多层视频流图像基于平面图像的特技处理[1]。

三维虚拟演播室是一种独特的电视节目制作技术。其实质是将摄像机现场拍摄人物活动图像和三维虚拟物体图像制作进行数字化的实时合成，使虚拟背景与人物前景能够同步变化，实现二者天衣无缝的融合，以获得完美的合成图像。这项技术目前已在越来越多的节目制作中采用。为了适应社会发展的需要，提高电视节目制作的效率和产出率，丰富电视节目的制作手段，对于广播电视台来说，建设数字化三维虚拟演播室系统是十分有必要的。

1 数字化三维虚拟演播室的优点

相对于传统演播室，数字化三维虚拟演播室系统具有较多优点。具体体现在：

1）视频图像实时生成，通常用作电视节目的实时生成，缩短了节目制作周期，制作效率大大提高。

2）可充分利用演播室资源，节省制景、布景所需的人力、物力、财力和时间成本。

3）可使小演播室实现大演播室的拍摄效果，省去了大量的灯具和耗电费用。

4）系统用软件来生成虚拟道具和虚拟背景，可以在瞬间改变场景，使场景设计制作人员摆脱多方面的限制。

5）可运用真实与虚拟实时完美结合的特点，能完成一些特殊的特技效果，利于电视制作的创作。

6）虚拟演播室系统的应用有效地提高了多媒体产品制作水平及推动多媒体制作发展。

2 三维虚拟演播室系统项目需求

2.1 设计思路

1）硬件需求：三维虚拟演播室系统应为全数字系统，系统视频质量应达到广播级要求，要符合实时真三维虚拟演播室系统技术要求。采用双机位单通道演播室系统，能方便地根据需要进行升级扩展。采用专业图形渲染工作站，实时渲染效率高，可靠稳定。采用高性能数字色键器和视频输出板卡，系统必须有可靠的稳定性。

2）软件需求：系统软件要运行稳定，兼容性良好，具有开放的操作平台；跟踪系统应具有先进的跟踪技术和较高的跟踪精度，系统长时间工作无机械回差；系统应具有三维动态无限蓝箱功能，并支持自动景深识别与自动景置匹配功能；在机位切换过程中，保证前景信号与虚拟背景信号场同步切换；可以实现摄像机的虚拟导轨、摇臂、航拍等运动拍摄效果；系统支持外同步功能，自带同步分配器；系统需确保音视频同步。

3）系统目标：无论是系统框架、硬件设备还是软件都应紧随技术发展潮流；可多个栏目共用同一个演播室，实现小演播室无法实现的功能；系统采用先进的技术和经验，选择先进和实用的软硬件设备；系统对演播室灯光没有严格要求，能够与其他演播室系统进行连接；软硬件升级换代方便、可靠，便于扩展，以适应未来发展的需要。

2.2 施工要求

1）蓝箱搭建的要求：构建的虚拟演播室蓝箱尺寸为宽6.5 m、深4.0 m、高2.5 m。蓝箱地板下木地条相互间隔小于2.5 cm；整个蓝箱箱体漆面不能出现裂缝和缝隙，确保扣像效果；蓝箱所有转角处的圆弧应平滑过渡，确保灯光投射均匀、无阴影。蓝箱必须使用专业进口蓝箱亚光漆刷面；同时蓝箱地面防护使用塑胶地板铺面处理。

2）灯光的要求：合理利用本台原有的部分灯光和灯光控制设备，并在此基础上按照虚拟演播室灯光布置要求完成对演播室的灯光改造，达到演播室内主持人拍摄和节目录制质量规范要求。灯光系统是采用新型的三基色柔光灯为基础，进行区域布光、立体布光、先前景布光，后蓝箱布光。为了保证光照的一致性，要求人物前景与蓝箱背景照度相匹配。

3 数字化三维虚拟演播室系统设计

3.1 设计基本原则

数字化三维虚拟演播室系统是结合三维虚拟演播室技术、三维图文技术、数据库技术的全新一代高性能、高稳定性的复杂系统。结合实际需求，整个系统搭建的基础是系统总体结构的确立。根据总体结构图选用软硬件，使得系统的内部硬件传输图像信号无损，兼容模拟、数字标清、数字高清等各种制式视频。控制界面需要根据操作流程和用户习惯对界面进行分层布局设计。还要充分考虑系统的可扩展性和易升级性。

3.2 系统结构设计

系统可采用多种系统架构，一般有适用于直播系统的“一对一的独立通道化”的系统架构和高集成度的“多对一”系统架构，本台根据实际需求，采用性能价格比中最高的“多对一”的系统架构，如图1所示。

图1 数字化两机位单通道虚拟演播室“多对一”系统结构图

“多对一”系统架构即多台摄像机共用一套图形工作站，前景信号由视频切换器进行不同机位信号的选择，图形工作站根据不同的机位提供相应的虚拟场景。“多对一”系统架构具有高度的集成度，设备构成简洁可靠，具备很好的性价比。系统的升级扩展非常方便，增加机位只是增加一套传感系统即可，对系统的安全性、稳定性没有丝毫影响[2]。

3.3 系统主要设备

1）图形工作站系统。图形系统是基于OPEN-GL图形平台之上加上高效强劲的三维渲染引擎，采用高性能的专业图形工作站以及高质量的专业3D加速处理卡，实时跟踪摄像机的平摇、变焦和俯仰等相应参数的变化，并根据参数的变化实时生成运动的三维虚拟场景。三维虚拟场景中的景物是具纵深感的立体影像，配以场景优化处理技术，保证系统能够流畅地运行复杂的三维场景，使场景画面更细腻、逼真。具体配置：硬件采用HP-Z420工作站为平台，工作站级64位高性能六核双至强E5-2620v2 CPU、8G ECC校验内存、1 Tbyte SATA系统硬盘、专业图形加速卡GeForce GTX 780图形核心、Matrox DSX系列高端专业多通道I/O视频处理卡（64 bit总线处理、存储读写速率2 Gbit/s、支持4路HD SDI数字视频信号输入和4路输出、视频同步锁相）；软件采用MAR⁃IANA.VS虚拟演播室系统图形工作站软件。

2）传感系统。采用日本原装SHOTOKU公司虚拟演播室专用承托设备SH120VR。具备稳定安装摄像机，并通过实时输出云台的摇、俯仰运动参数，来确定图形相形的位置及角度变化。云台与便携式三角架采用100 mm以上球碗连接方式；阻尼连续可调，连续动态平衡调节系统；基于双平衡系统，可承受有效负荷25 kg的设备重量，精度高、可靠性高；摇摆分辨率和俯仰分辨率精度极高。

3）色键合成处理器。系统采用ULTIMATTE 11高清色键技术和设备，采用色度矢量处理方法、线性处理技术和多种参数控制来产生自然的边缘，并能同时实现特殊状态的色键处理（如发丝、阴影、烟雾、透明体和动态模糊的边缘），最大限度地保留了影像细节，使人物和物体与场景合成效果非常真实。

3.4 系统显著特点

1）瞬间自适应初始化定位。系统采用智能识别分析算法，真正实现一键高精度初始化定位，初始化定位不需限定物理摄像机在演播室的摆放位置、不需限定节目主持人在演播室中的位置、不依赖于第三方参考目标、无需人工精确测量和计算、软件操作简单，鼠标一点，即可实现多机位的透视关系定位。

2）高精度的传感跟踪。摄像机镜头及云台运动数据由传感跟踪系统获取，系统采用机械传感器跟踪方式，实现对机位俯仰、平摇、变焦、旋转等任意运动的高精度和高速度跟踪。该方式相当稳定不受环境光源的干扰，传感器直接从摄像机云台数据输出接口及摄像机镜头数据接口处获取运动数据。

3）高质实时三维渲染。在OpenGL技术基础上开发了渲染引擎平台是为三维虚拟场景、三维虚拟图文应用提供功能强大的渲染平台。能够逼真地描绘出物体的凹凸贴图、片段光照、纹理材质、高光反射等细腻真实的效果，实现高质量的实时三维渲染。

4）动态无限蓝箱功能。将动态无限蓝箱技术嵌入到三维渲染引擎中，无需任何测量，数秒钟即可完成动态无限蓝箱的参数设定，摄像机任意推拉摇移，无限蓝箱的范围自适应变化；动态无限蓝箱的边缘实现无级平滑；同时实现节目主持人与场景中道具的正确遮挡关系。

5）沿时间线任意编播。系统中的所有特技效果、活动视频、虚拟灯光和虚拟物体等的运动、缩放、旋转等都可以在时间线上按帧编辑，也可以沿任意轨迹浏览、运动；轨迹曲线也可平移、缩放、旋转，可按关键帧点进行编辑，可和任意物体相关联，实现全场景任意物体沿时间线的任意编辑播出[3]。

4 结束语

数字化三维虚拟演播室技术不仅提高了电视节目制作效率，同时大幅度降低了电视节目的制作成本，而且可以实现以前无法实现的节目制作效果。随着计算机多媒体技术和图形图像处理技术的发展，视频数字化的进步，该项技术会日趋完善，其在广播电视行业的应用前景也愈加广阔。

[1] 朱巍峰，李震阳.数字化三维虚拟演播室系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2010（12）：219-222.

[2] 刘伟.真三维虚拟演播室系统应用与技术[J].电视技术，2011，35（10）：59-60.

[3] 马巾，别业鹏，马双.荆门电视台虚拟演播室系统设计[J].电视技术，2010（3）：70-72.