Mariana.5D 虚拟演播室系统技术在气象影视节目中的应用

胡润虎 李超红 张澍舟

（作者单位：甘肃省气象服务中心）

1 Mariana.5D 虚拟演播室系统技术的概述

Mariana.5D 虚拟演播室系统技术是以图形、图像、视频、控制、传感、机械、电子、光学、多媒体、计算机等应用学科为基础，以视频与图形图像处理为主，软硬件结合的应用与创作平台。Mariana.5D 虚拟演播室系统技术包括摄像机跟踪技术，三维虚拟场景设计与搭建、绿箱技术、灯光布光技术以及色键的抠像技术。

2 摄像机跟踪技术工作原理

Mariana.5D 虚拟演播室系统摄像机跟踪技术，通过加装了传感器的云平台，获取摄像机的位置、高度、摇移、俯仰信息，在机头上加装传感器，瞬间自动确定摄像机的聚焦和变焦信息。Mariana.5D 虚拟演播室系统采用自主研发的智能识别分析算法，真正实现快速高精度初始化定位。采用精确的图形处理和拟合算法，可以精确计算摄像机的俯仰、平摇和变焦的变化，实时生成相对应的虚拟场景，具有处理速度快，精准度高等优点；也可以采用虚拟摄像机（不加传感）进行定位，虚拟摄像机移动或者主持人移动，不需要使用传感器做任何测量，根据实际情况进行调整使用。

3 三维虚拟场景设计与搭建

Mariana.5D 虚拟演播室系统是在计算机三维软件里面创建的虚拟场景，摄像机能够在场景里面自由运动，可以实时读取3D max设计好的场景模型，利用三维软件多边形建模的形式，采用少量多边形建模，有规则的几何体根据实际需求进行修改，达到所需要的三维模型和气象图形图像。采用纹理缓存、渲染状态缓存、GPU编程等一系列手段，充分发挥了高端图形加速卡GPU可编程渲染管线特性，可以同时实时渲染几百万个三维模型面片、200M的三维纹理贴图、多路的视频开窗；因此，使得大的场景、更加精细，实现任意组合的虚拟特效和虚拟场景。

Mariana.5D 虚拟演播室系统采用开放式的整体架构和开放式的软件结构，整个系统包括场景模板设计器、渲染器和播出控制器，真正实现了“制作”“渲染”“播出”分离更稳定、更安全、高质量的工作模式。Mariana.5D虚拟演播室系统突破原有虚拟演播室所受到的渲染能力和效果限制，在场景渲染效果上实现了质的飞跃。

4 绿箱技术

Mariana.5D 虚拟演播室中的摄像机所拍摄的是以绿色为背景的主持人画面，全部绿色区域将被合成到计算机三维软件生成的虚拟场景中。绿箱是由绿墙和绿色的地面组合的绿色区域，该区域没有实际的物理尺寸限制，并且天气预报节目一般只有一个主持人在虚拟场景中活动，一般不需要太大的绿箱。但是，正面临近的墙角应大于90°，这样布光就更容易一点，且墙壁之间不会有相互反射。

5 Mariana.5D 虚拟演播室的灯光技术

虚拟演播室灯光结合室内的高度和录制节目的性质，采用整体格栅灯架式吊挂方式，传统三点式布光和新型LED光源环形布光相结合方式。二者结合使用使人物更具立体感，形象更加生动活泼。所有灯光可前后左右小范围挪动，LED灯具的布光能够满足虚拟抠像技术的需求。根据房间高度，每台灯配备上一副恒力铰链吊杆，可上下移动，使调光更灵活方便，达到立体布光的效果，以保障整个画面的清晰度。

6 Mariana.5D 虚拟演播室系统的色键抠像技术

Mariana.5D 虚拟演播室系统采用外置独立数字色建器，可以独立运行，不依赖图形工作站，产生自然的边缘，实现自然过渡；同时，对阴影、头发、物体边缘和透明体的色键处理，使合成效果更加自然叠加。

7 Mariana.5D 虚拟演播室系统技术的应用

甘肃省气象服务中心的研发团队凭借开发气象影视节目数字化视频产品的丰富经验和对图像处理多年的技术积累，再加上对数字化Mariana.5D虚拟演播室系统长达近2年持续不断的探索应用，所制作虚拟演播室系统是目前全国气象行业渲染能力较强、实用功能较多的虚

（）（）拟演播室产品。

Mariana.5D虚拟演播室系统相对于气象影视节目演播室有很大的技术优势。首先，虚拟演播室可以服务于多个不同的天气预报节目。虚拟演播室“虚拟”的特点决定了演播室场景可以很方便地进行更换，方便到只需打开另外一个场景文件。不同的天气预报节目使用不同的风格的虚拟场景，多个节目公用同一个演播室，很大程度上提高了演播室使用率。

Mariana.5D虚拟演播室系统的场景制作和更换非常方便，也为节目改版更换面孔创造了有利条件。重新制作一个场景文件，在系统里进行场景更换即可完成，现有的三维制作软件为创作者提供了更广阔的创作空间，传统场景制作中难以实现的动画效果，在虚拟演播室系统中用图形工作站轻松制作完成。

虚拟演播室系统是由数字化录制，包括演播室绿箱和灯光声学装修，采集、编辑、播出系统等组成，是提供拍摄、制作各种电视节目录制，并具有现场直播、录播、转播、转录等多种功能。Mariana.5D虚拟演播室系统构成复杂，可以选用的硬件设备较多，设计方案也可以灵活多样。然而，不同的设计方案、不同的硬件配置开发出的系统视频质量、功能特点、可靠性与实用性也不尽相同。因此，可根据不同节目的各自需求，开发出不同需求的Mariana.5D虚拟演播室产品，以供在不同气象影视节目中广泛应用。