浅谈宁夏广播电视台高清虚拟演播室

德亚男

（宁夏广播电视台，银川，750001）

浅谈宁夏广播电视台高清虚拟演播室

德亚男

（宁夏广播电视台，银川，750001）

高清晰度电视技术的迅速发展，虚拟演播室也开发了适合高清电视的高清虚拟演播室，这一技术的应用，极大满足了高清节目制作和播出的需求。本文就宁夏广播电视台高清虚拟演播室系统设计过程中所考虑的技术需求、系统构成以及安装调试中需注意的问题进行了探讨。

三维；抠像；HDVG；3Designer

1 引言

虚拟演播室是建立在高速图形计算机和视频色键（chromakey）基础上发展起来的。虚拟演播室系统（VSS）的技术特点是通过光学识别和机械传感跟踪方式、网格跟踪、红外跟踪方式获取摄像机运动参数，然后将图形工作站实时生成的虚拟背景与色键器抠像后前景无缝合成，得到实拍的人物在虚拟景物中穿梭活动的逼真画面效果。虚拟演播室系统无需搭建实景，只要利用现有的多种三维动画软件，就可以制作出各种逼真的三维场景。这一技术可以更为有效地利用演播室资源，节省大量的制景费用及由于装拆布景耗费的时间和人力，突破了传统布景、道具、灯光、场地等演播室制作工艺的局限，为节目制作人员提供了无限的自由创作空间。

宁夏广播电视台为满足高清节目制作播出的需求，于2010年初设计、建设了高清虚拟演播室系统，并于2013年5月正式投入使用，现已成功应用于各频道各栏目，取得了很好的播出效果。在高清虚拟演播室系统最初的设计过程中，我们经过充分考虑，以直播节目对安全稳定性的高要求为出发点，采用先进技术，使系统能够充分满足当前及今后一段时间电视节目制作播出的需求，并为将来扩展和升级预留出空间。

2 设计思路

采用虚实结合的原则，兼顾系统高清实景录制、直播的功能，最初考虑接入虚拟演播室的设备，必须满足集常规录制、虚拟录制、前景植入等功能于一体。

自项目设立之初，我们重点考虑了虚拟系统中设备的跟踪定位技术、图形工作站的实时渲染能力及输出指标，及其产品的成功案例。且该虚拟演播室平时需要录制的节目形式较多，包括主持人串播、专题类、访谈类等，因此摄像机机位需要满足快速定位、移动拍摄等要求。最终确定使用某公司的Pro Set高清虚拟演播室系统。系统最终设计为三个机位、双通道高、标清兼容的真三维虚拟演播室系统，综合使用网格识别定位，机械传感定位和小红外定位技术，并配备了计算能力强大的视频图形工作站HDVG。

3 虚拟演播室录制系统介绍

3.1 系统主要配置

高清演播室系统配置了三个讯道池上HDK-79E高清摄像机（其中一讯道配备小摇臂），高清切换台为ROSS CARBON ITE。虚拟系统主要设备为4米×6米网格以及为此配套的VDI打码设备、DVP网格识别设备、一个固定机位的机械传感器、一个摇臂机位和固定机位的小红外跟踪，集创作和播出虚拟场景功能于一体的HDVG实时图像渲染工作站等，整个系统配置完备。

3.2 虚拟演播室信号输出流程

图1 虚拟演播室视频信号流程图

在虚拟演播室系统中，具体的信号流程是：摄像机输出的信号，经过VD I设备打入标识码后输入到切换台，供后面的DVP设备识别是哪个机位。然后通过网络控制传输到HDVG图像渲染工作站，把每个机位和对应的虚拟背景做相应的关联，高清切换台辅助母线的输出经视频分配后，一路作为前景信号送到HDVG的延时卡，另一路送给与HDVG配套的DVP网格识别设备。通过对摄像机画面中网格的识别，采集摄像机运动和镜头变化参数完成定位跟踪，HDVG同时也接收机械传感器和小红外传感器采集的摄像机运动和镜头变化参数，实现全方位跟踪。HDVG输出延时后的前景信号、背景信号和MATTE信号，经色键器Ultimatte SR-2合成为一路视频信号，送给切换台和矩阵作为最后的输出，见图1音频信号流程图。

色键器Ultimatte SR-2把前景视频信号里的蓝箱颜色（包括网格的浅蓝色）抠掉，然后用HDVG生成的虚拟场景作为背景视频信号去填充，根据需要在色键器上可以做一些相应的微调，最后实现前景与三维虚拟背景的完美结合。

演播室的音频系统设计为信源共享、互为备份系统。两个系统的信号流程、系统构架基本一致，并由一台倒换器进行倒换。其中主调音台为TASCOM DM-3200 48路数字调音台，备份调音台为Soundcraft FX 8 16路模拟调音台。话筒信号、线路信号分别经过无缘话筒分配器和线路分配器后进入到主、备调音台。播出服务器信号、外来信号的数字输出接到主调音台，模拟信号输出接到备份调音台。音频系统的数字和模拟信号同时接入到主、备嵌入器，数字信号和模拟信号互为备份，见图2音频信号流程图。

实验组中护理满意度为不满意、满意、很满意的患者分别为1例、3例、38例，护理满意度为97.62%，对照组中护理满意度为不满意、满意、很满意的患者分别为8例、10例、24例，护理满意度为80.95%，实验组和对照组患者护理满意度对比，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图2 虚拟演播室音频信号流程图

4 虚拟系统的特点

4.1 主要特点

整个虚拟演播室系统采用Orad系列跟踪系统，即网格识别跟踪为主、Cam Track跟踪和机械传感器跟踪和小红外传感相结合的方式，整合了当今市场上各种类型的跟踪方式；控制软件可同时用于虚拟演播室和在线包装系统；摄像机可自由地移动，包括滑轨、肩扛摄像机以及摇臂摄像机等；无需第三方支持；满足HD/SD兼容，可具备高达6路全屏HD视频插入和12路SD视频插入；基于传感器或红外跟踪，摄像机支持360度拍摄范围，可快速安装和定位；系统具有最小的视频延时，可以作为一个独立系统或附属于一个大的系统，可轻松连接外部数据库；可与文稿系统和自动播出系统结合；具有多场景加载和混合播放功能，支持播放多个不同格式的视频，包括：AV I，MPEG，DV，DV 25，QuickTime；具有庞大的特效库，如凹凸贴图、虚焦、置换贴图和实时视频特效等，以及对象和层的混合模式；制作好的场景模板可作为贴图对象应用与其他场景和层，生成复杂的DVE视频特效。

4.2 系统类型

（1）网格识别-简单快捷，无需改装摄像机的跟踪方式。网格识别跟踪技术可以简单到只使用一套网格和DVP便可以实现系统内所有机位的定位，节省大量投资，即使今后增加跟踪机位也不增加成本。它通过在蓝箱背景上添加相同色调的网格线，优化传统蓝/绿背景色键抠像技术。演播室摄像机只需拍摄到网格的一小部分（至少三横三竖），数字视频处理器（DVP）就可生成准确的摄像机跟踪数据：包括水平运动、俯仰运动、和镜头变化参数。然后通过网络传输到渲染平台HDVG，HDVG根据跟踪数据对背景图像进行渲染。色键抠像可将网格线完全扣掉。从而完成摄像机的定位和与场景的关联，不过定位时，摄像机景别画面必须保持在网格范围以内。

（2）机械传感器。系统机械传感器跟踪装置通常安装在固定机位摄像机云台上，能够实时感知摄像机的多个运动参数，如聚焦、变焦、俯仰、摇移参数，并将这些跟踪数据实时传送到HDVG图形工作站。聚焦和变焦参数可以来自模拟/数字镜头，支持所有类型的镜头。由于机械传感器水平角度范围360度获取传感数据的优点，弥补了网格传感在范围内的局限性。摄像机的定位过程十分便捷：在第一次定位时，可以在地上标出标记点，并将数据存储系统中，以便再次调出。

（3）Cam Track红外跟踪，支持摄像机自由移动。小红外传感Cam Track系统。小红外传感系统支持演播室内摄像机的自由移动拍摄，通过两个红外线摄像头（安装在蓝箱的左右上方），交叉捕捉摇臂摄像机和固定摄像机上红外发射器发出的信号，并进行计算，可以实时获取摇臂摄像机在水平（X)、深度(Y)、高度(Z)中运动参数，直接传送给HDVG，最后和网格数据一起完成对移动摄像机的实时定位。而旋转（摇、俯仰、旋转）通过网格和DVP计算。

（4）网格结合云台传感器和Cam Track跟踪。以上三种跟踪方式结合应用的最大优势之一就是极大降低了节目录制前的摄像机定位时间。当把网格识别与云台传感器结合时，定位变得非常简单和快速。摄像机拍摄到网格信息即可进行定位，获得摄像机的准确XYZ位置参数，以及摇移、俯仰和旋转参数。Cam Track小红外跟踪结合传感器跟踪也可扩大跟踪范围。这三种跟踪方式获得传感数据的有效结合，既可以在跟踪范围内实现摄像机自由移动拍摄，又可播出网格拍摄或特写拍摄；既丰富了节目制作手段，又最大程度满足我们各种栏目虚拟录制的要求。

4.3 实时渲染平台

Orad的HDVG是一个通用的视频图像平台，基于高质量的PC组建和Orad自主研发的视频I/O子系统。Orad的广播级图文解决方案均以HDVG作为硬件平台，包括：普通CG字幕和三维图文系统、滚屏、MCR图文系统、频道包装、虚拟系统和自动播出系统。DVE特效的性能表现在可以同时支持多路视频插入，并将它们贴在任意三维物体。虚拟场景可以实现实时的景深效果。虚拟广告和体育产品使用内置色键、遮罩和视频延时等功能。

HDVG专为广播电视应用设计，是一个3U机架配置的硬件设备，由高质量的PC零件组成，基于强大的Linux操作系统，能够有效防病毒。HDVG的核心是O rad的HDVG输入输出板卡，可直接读取显卡的图文信息，从而释放相当数量的系统资源，达到高效渲染，具有处理多路视频插入和视频素材播放的能力。HDVG采用热插拔双电源机制，当一个电源无法工作时，系统将自动切换到备用电源，从而保证节目正常播出。HDVG也带有旁通机制，自动将插入的视频信号传送到另一通道。HDVG提供1GB双链路以太网卡，为增强其可靠性，可采用RA ID1硬盘。

HDVG具备丰富的媒体资源处理能力，独特的结构支持6路1080i@50hz或者1080i@60hzHD视频插入，也支持12路SD视频插入，所有插入信号都可全屏播放。使用视频贴图技术处理插入的视频信号，可添加到场景中的任意物体。为物体设置的动画也适用于这些插入的视频信号，能够产生无限丰富的三维和二维DVE特效。基于同样的视频贴图技术，HDVG能够同时播放多个不同格式的视频文件，如AV I，Quick Time(可带通道），DV，DV 25，MPEG等。视频可以存储在HDVG本地，或者存放于服务器，通过网络实时传送。

5 实际应用

5.1 场景的制作

该系统虚拟场景的制作可以直接在其制作软件3Designer中完成，也可以导入各种第三方软件创作的图文模型。3Designer的开放性结构允许用户编写自己的特定插件，如Text Effects(文本特技）和Line Graphs(线性图表）已经包含在基本安装中。

3Designer操作界面简单，支持HD，SD，4K分辨率和立体3D模式；可创建无限个层并直接导入Photoshop等合成软件的素材；基于Windows系统，支持本地预览；通过资源管理器可直接访问各种模型、字体、贴图和复杂对象等；支持各种数学运算功能，如自动算出百分比等，尤其适用于大量数据需实时更改的节目，如选举、财经类节目；各种对象编辑器能够方便地控制所有对象参数；高级动画编辑窗口提供关键帧编辑和动画曲线；数据和引出项的关联方便实时修改；模板可共享于不同工作站，提高工作效率；支持3D Studio Max，Maya和Softimage制作的文件导入；具有高级粒子特效，可创建和实时播出雨、雪、火、烟花等效果；支持倒影、反射、折射效果；能够对二维，三维字体做各种动画、材质、纹理、阴影等特效处理；实时三维DVE特效，在图像切换时添加各种特技；自动连接数据库，实时更新内容；支持实时滚动字幕的自动播出；文字控制支持多行文本、自动缩进、对齐和调整等功能；包括丰富的特效贴图，如凹凸贴图、散焦、置换贴图、实时视频特效、对象和层级混合模式等；一个场景贴图可以应用于另一个场景或层。

在3Designer制作时应注意X，Y，Z中的位置，确保场景的X，Y，Z值为0。另外，应该注意各个所创建物体层的顺序，否则会发生错乱、遮挡等现象。确定在3Designer对场景效果制作完成后，需要把做好的场景导入到3D Ed itor中进行编辑，完成动画叠加、遮罩、视频开窗等，主持人实际站位测试，确定场景效果满意后，进行保存模板，最后在3D Controlle实时播放。

5.2 应用中出现的问题及解决办法

宁夏广播电视台高清虚拟演播室系统自建成投入使用以来，碰到了很多的问题，通过我们积极的探索，经验的积累，针对虚拟系统出现的几种问题，已经摸索到一些合适的解决方法。

（1）摄像机定位不准。摄像机定位不准可能由以下两个原因造成，一是摄像机对网格没有对好（解决方法详见虚拟操作手册第3页摄像机定位）；二是因为摄像机光圈过高、过低或是演播室布光不均匀造成DVP识别网格边缘线不完整。可通过适当调整摄像机光圈、调整灯光以减少地方高亮予以解决摄像机定位不准的问题。

（2）定位后，传感机位摇移和俯仰跟踪正常，但镜头推拉没有跟踪。出现此现象是因为镜头数据采集不正常，需要重新采集。通过手动获得镜头Zoom和focus的参数范围，在摄像机端做变焦和聚焦操作，镜头推拉至长焦端和广角端，聚焦正反双旋转向至各自最大值。切记，在此过程当中推拉摄像机动作要放慢，并且重复做两次，以保证跟踪数据的正常采集。

（3）虚拟场景抖动。网格机位使用中要注意摄像机不可以完全摇出网格区域，拍摄网格边缘时尽可能使摄像机寻向器中至少要保证有5横5竖网格线。反之，虚拟场景可能会出现抖动，具体表现在：

⊙ 由于演播室内前景或物体的反光或灯光不均匀，导致DVP将非网格区域识别为网格线应用到摄像机的跟踪，会出现虚拟场景的抖动。这种情况下，可以通过降低错线解决。

⊙ 当摄像机拍摄到网格过少时会丢失跟踪，在网格过少的临界值时，场景还不至于丢失跟踪。但此时也会出现场景的抖动。

⊙ 摄像机拍摄过程中摇移过快，使DVP无法正常识别计算网格数据，也会使场景丢失跟踪。所以在拍摄中要摄像机尽量缓慢。

（4）抠像问题。色键效果的好坏直接影响到整个虚拟演播室最后的效果。采用颜色矢量处理，能够将要抠掉的颜色矢量与视频信号中每一个像素点的颜色矢量进行精确运算，在生成线性键的同时能进行消色补色处理，使人物和物体的边缘能够与场景达到天作之合的真实效果，线性键实现玻璃、烟雾等半透明物体的色键抠像，消色功能能纠正由于蓝幕造成的人物皮肤的淡蓝色反光。

尤其是当主持人着玫粉、粉蓝、绿蓝以及深紫色等偏蓝色衣物时，经过抠像后的显示存在色泽偏差。需在色键器主菜单FG中选择Flare，通过调节Gate1/3和Gate2两个旋钮以矫正偏差，使主持人衣物颜色正常还原。

（5）灯光问题。合理的灯光布置是虚拟演播室实现真实图像合成的关键。如果灯光布置不合理，可能造成合成图像不真实，甚至导致色键控制不能正常工作。虚拟演播室布光和普通演播室布光时有很大不同。节目主持人一般位置要偏一些，而不像新闻节目主持人位置居正中。这样使整个灯光系统的位置也要偏一些。还要照顾到主持人手部的光线也不能太弱，逆光的照度一定要够，而且逆光和顶光范围要大，能够满足主持人一定的活动范围，否则主持人的四周及手部抠像的图像出来就会有黑边，严重影响播出效果。

当主持人穿浅色材料的衣物、亮面皮带或者反光饰品时，会直接反射蓝箱的灯光，造成反光处也被抠掉。这时，我们就要通过调节某些灯光的亮度、调整色键最大限度地减小蓝箱反光。

6 结束语

宁夏广播电视台虚拟演播室自运行以来稳定可靠，主持人与虚拟场景完美贴合，跟踪流畅，视频指标优良，经受住了繁重录制的考验。在100平米的蓝箱里，为多个节目制作三维场景，录制虚拟节目，节约了大量的场景、能耗、设备、人力等方面的成本，达到了我们搭建虚拟演播室的目的。今后，我们将在保证虚拟演播室正常录制的基础上，进一步开发虚拟演播室功能，力求制作出更加精美的虚拟场景及动画特技效果，为节目制作提供更为广阔、更为拓展想象的自由空间。

On Ningxia Radio and Television HD Virtual Studio

De Yanan
(Ningxia Radio and TV Station, Yinchuan, 750001)

The rapid development of high-definition television technology, Virtual Studio also developed for high-def nition television HD virtual studio, Application of this technology, Great to meet the HD program production and broadcast needs. In this paper, the technology needs of Ningxia Radio and Television HD virtual studio systems considered in the design process, system confguration and installation should pay attention to the problem were discussed.

three-dimensional; Key ing; HDVG; 3Designer

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.11.009

TN 948

A

1672-7274（2014）11-0042-05