广播电视台高清虚拟演播室的技术及应用研究

李召征

（临清市融媒体中心，山东 聊城 252600）

导语

所谓的虚拟工作室，主要是基于高速图形计算机和视频彩色键开发的虚拟系统，在运行过程中可以通过多种方法获取摄像机运行参数，实时地进入虚拟背景和色键锐器后，前景无缝合成，使整个镜头绘画面孔变得更加生动，基于虚拟工作室方面开发的3D软件，目前我国正在开发研制的多种三维动画软件都有广阔的应用前景以及良好的商业变现效果。 为了更好的解决这个问题，我国还需要继续加大资金、技术、人才等方面的支持力度。

1.简析广播网络电视台高清虚拟电视演播室特点

一般来说，大多数高清虚拟工作室都是由Orad系统提供支持的一种新的跟踪系统，以网格跟踪为主，辅以红外传感和机械传感的新型跟踪类系统，它在各方面的表现都是国内首屈一指的，尤其是单一的去跟踪模式，在系统的比较中会更加明显。 可以为摄像机提供虚拟工作室，更大的空间允许自由运动拍摄，如肩装相机、摇杆相机，虽然相机的类型不同，但在这个工作室里它不会受到影响。[1]此外，在摄影棚内它可以实现360°无死角拍摄。 在某种程度上，它可以被看作是一个独立的系统并且可以在更大的系统中工作。

2.高清虚拟演播室系统在电视台中的应用效果

2.1 降低后期制作难度，改善画面精度

电视节目的幕后制作也占据较大的制作比例。在高清虚拟演播室系统的帮助下进行后期的构图前，需要对整体画面的质量以及清晰度进行校准，这样，也就能更有效地提高画面表现的细腻精致感效果和真实感，同时还可以根据现场实际环境需要来调节画面灯光的亮度及白天黑暗度的明暗变化，以达到更好的观看体验。[3]值得注意的一点是在大多数录音制作时都采用的高清虚拟演播室系统程序是以线性的编辑方式来制作，通过PR等具有复杂处理功能的编辑软件，实现特效合成和字幕、特效合成等多种功能，也就可以通过 综合编辑等各种方式实现有效地拓宽后期制作技术。

3.高清虚拟演播室系统的应用技术研究

3.1 跟踪定位系统研究

GPS跟踪系统是高清虚拟演播室系统的（如图1所示）一个核心系统，也是编程的重要组成部分。 在大多数情况下，也可以根据运动数据生成精确的跟踪数据来自动调节运动频率、镜头变化和参数。当然，这种类型系统中的设备系统仍须有符合其自身一定数量特性的、可作为优先实现的应用功能。依其所需要的设备系统，保证在其一定宽度范围内能够实现满足其实际应用功能。[4]其次，系统一般多采用机械传感器跟踪装置，这套装置也可以考虑使它同时可以被传感器随时跟踪并感知，接收到多个数据参数信号，并能够同时将所有数据的参数信息进行组合，然后存储起来处理并发送反馈信息到图形工作站。笔者所在单位最近正研究用这个新方法在另一种可能存在误差的情况下，机械传感器可以覆盖获得误差的几乎所有垂直方向。因此，它无疑可以最有效地补偿在机械传感器水平视角方向上所存在的误差问题，由此可以更好的提升检测的精准度，弥补网格传感器缺点的同时，它的本身设计还将会更加有效地来帮助提高机械物体的位置、传感速度、位置跟踪系统的运行效率，使得虚拟位置技术的实际应用空间得到更加有效的扩大。最后，小型的红外传感器系统。这个瞄准系统的优势在于它能够自由且灵活方便地通过控制或移动球拍来进行射击瞄准，以进行实时红外跟踪并获得红外摄像机的红外运动参数，从而实现对移动相机的精确定位。[5]

图1 高清虚拟演播室系统简图

3.2 实时渲染平台技术探究

实时场景渲染及处理技术平台的特点是通过特殊方式将该应用系统自身的各种性能特点优势与实时场景跟踪和实时数据方面的强大性能优势相结合，通过实现虚拟实时场景进行跟踪渲染，文字信息、图像信息数据的实时高速转换及处理等各种处理方式来真正实现高速实时数字信号的渲染输出。

3.3 虚拟场景制作技术探究

虚拟场景的创造在很大程度上依赖于3D技术。有了这个软件技术，首先能够完成足够数量的第三方图形模型的制作。建立贴图模型，根据贴图在打光后产生的情况来自己选择贴图进行三维虚拟的场景构造及制作，保存转换为适当尺寸的格式文件。其次，考虑到模型曲面的数量，最好不要超过一万个正四边形。在提前进行生产建模时就应同时考虑模型不同坐标轴的对应位置，以便确保与场景模型内的坐标值有很好的匹配。与此同时，需要多做一个针对不同模型对象层数的序列架构，以便该序列构架并不会明显影响到整个虚拟生产场景中的仿真制作效果。[6]

4.虚拟演播室系统具体技术探究

4.1 系统主要配置

整体的高清演播室的框架图如图2所示，对高清演播室系统的配置而言，其整体系统由四迅道松下ak—hc931所构成，并且在其中可以由一个小摇臂所搭配使用。虚拟系统的主要设备是由一套九成三的网络网格，以及此配套的v di打码设备与d vp网络识别设备，其整体设备一个由固定机位的机械传感器组成，一个由摇臂机位的小红外跟踪器，以及由虚拟场景功能集成为一体的HD vg实时图像渲染工作站等来组成整体系统。[7]

图2 虚拟演播室框架图

4.2 虚拟演播室信号输出流程

在虚拟演播室的系统开发当中，具体系统应用时，应该将信号的流程进行规划总结。首先应该使用摄像机来输出应有的信号，经过新型的v di设备，在打入标识码之后直接切需要对整体的信号流程进行总结，这样才能在虚拟演播室系统的开发当中，使具体的应用系统得到良好的运行。通过对摄像机的输入输出信号进行调整，经过新型设备v di再打入标识码之后，就应立即切换另一台设备进行操作。同时，利用d vp设备进行整体摄像识别以及摄像头的切换，将整体信号通过网络摄像机进行控制调整，对整体HDVG图像显示器的图像进行渲染，同时调整每个机位的位置，使演播室内的每个机器都正对演播室。在相应关联下进行高清台的切换以及辅助母线信号两路信号的视频处理，一路信号作为输出端对摄像机的前景信号进行输出，将使用信号输出送到HD vg的机器内进行处理。另一路输出信号与摄像机HD NG相匹配，进行d vp网络图像实时跟踪并进行图像数据的时刻采集处理。通过使用对摄像机画面中的网络进行跟踪信号的实时跟踪处理，将采集到的数据与摄像机的运动轨迹进行图像分析，并使其与摄像机镜头的位置变化，信号参数进行对比。以此来完成对摄像机进行定位检测以及动态的实时跟踪。在使用HD vg设备系统的同时，摄像系统也必须能够自动的连接到机器，传感器以及红外传感器上使直接采集到的信息，可以通过摄像机进行远程的信号轨迹分析，实时跟踪摄像机镜头位置变化而带来的信号误差。[8]从而来实现全方位的定位跟踪。HD vg输出后，产生前进信号、背景信号，以及matte信号。最后，经过色键器的合成后，将整体视频送往切换台进行最后一步的信号输出。最后再使用HD vg所生成的虚拟场景作为整体背景视频的信息信号填充，根据场景所需要的整体背景，再通过调色，对颜色进行微调来实现视频与三维模拟背景视频的完美结合。

4.3 虚拟植入技术

通过对虚拟网络演播室系统进行合理的设计与配置，可以同时完成虚拟演播室真实场景的植入，同时也可以利用各种技术手段来对实际工程进行操作，实际上，两种基本功能是相辅相成，相互协调，共同来完成网络演播室系统的运行。虚拟实景的植入，在现今网络演播室中，已经越来越广泛地应用在电视节目录制当中，通过在电视节目的画面中添加一些虚拟舞台效果，例如星光烟雾等可以丰富整个电视舞台，增强电视整体的色彩感。

4.4 场景制作技术

制作三维虚拟灯光场景效果的三维模型可以直接下载在系统内置的三维制作设计软件3D designer中，直接进行渲染完成，也可以通过导入到各种第三方软件中进行创作。比如3D Studio内置的渲染软件Max、Maya和动画软件Softimage等，需要在建模框和贴图板打光用完灯光之后，将灯光中的贴图等图形信息烘焙制发到某一张贴图板文件上，保存为格式通常为wrl格式的文件即可（3D designer只识别这一种格式的文件）。同时也应考虑到对模型面数的特殊要求，一般不允许超过一万个四边角面数（两万个三角面）。

结语

虚拟演播室制作已成为一种新兴的数字电子技术。对电视设计工程师而言，对备件的要求相对不高，所以成本很容易控制。目前，电视台积极制作并宣传推广此类电视节目。文章结合当前流行的中国高清虚拟演播室系统技术在网络电视台技术中的具体应用，同时深入研究分析了卫星定位及跟踪系统技术的重要作用，通过实时图像渲染平台构建、虚拟演播室场景的制作技术等对高清虚拟演播室的系统平台构建策略的探讨等深入分析，希望能真正有效地提高行业档次，从而保证行业持续平稳和快速发展。