孫志清 李想 彭衛(wèi)紅

摘要：經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬演播室技術(shù)已逐步應(yīng)用到了氣象影視節(jié)目的制作中，也漸漸成為了大家豐富氣象節(jié)目的重要手段。本文結(jié)合廣東氣象影視宣傳中心高清虛擬演播室系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)虛擬演播室的工作原理，系統(tǒng)構(gòu)成，功能增強(qiáng)，系統(tǒng)安全等方面做了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：虛擬演播室；氣象；跟蹤；場(chǎng)景渲染

中圖分類號(hào)：TN948.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）08-0215-03

隨著3D、新媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，大眾對(duì)視頻節(jié)目的觀賞水平不斷提升，傳統(tǒng)意義的摳像節(jié)目已很難滿足受眾日益增長(zhǎng)的生活需求。氣象預(yù)報(bào)節(jié)目作為公共氣象服務(wù)體系的重要組成部分，想要在越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)，更好更多的提供氣象服務(wù)，急需在節(jié)目的形式和質(zhì)量上下功夫，為氣象節(jié)目的口碑和公益及經(jīng)濟(jì)效益做貢獻(xiàn)。

三維虛擬演播室技術(shù)可以為觀眾提供更加逼真的視覺效果和場(chǎng)景空間感，擺脫了傳統(tǒng)天氣節(jié)目拍攝中使用色鍵簡(jiǎn)單摳像存在的諸多限制（主要是失真問題）。通過將攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝主持人活動(dòng)圖像與三維虛擬物體圖像進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)合成，主持人能夠與虛擬天氣預(yù)報(bào)演播室及模擬天氣環(huán)境同步變化，實(shí)現(xiàn)了物理上難以具備的超過人們想象的充滿立體感和強(qiáng)烈視覺沖擊力的畫面，大大增強(qiáng)了主持人講解天氣的生動(dòng)性，也使得氣象節(jié)目更加豐富，更具趣味性。

1 虛擬演播室技術(shù)原理

虛擬演播室的工作原理是將攝像機(jī)拍攝到的以綠箱/藍(lán)箱為背景的人物、景物通過適當(dāng)延時(shí)后，送到色鍵器作為視頻畫面；同時(shí)通過攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)將采集到的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、演播室空間位置等信息傳送給圖形計(jì)算機(jī)，然后圖形計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成合適的虛擬背景畫面和遮擋信號(hào)；并按照遮擋信號(hào)提供的關(guān)系，將視頻畫面與虛擬物件進(jìn)行色鍵合成，使人物、景物與虛擬物件能夠同步變化，而且攝像機(jī)鏡頭也可自由運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到擬真的完美圖像。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。

2 虛擬演播室構(gòu)成

完整的三維虛擬演播室大致可以分為三個(gè)部分：攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、場(chǎng)景渲染系統(tǒng)以及色鍵合成系統(tǒng)，配合常規(guī)的燈光設(shè)計(jì)及音頻系統(tǒng)來完成虛擬演播室的制作。

2.1 攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)

傳統(tǒng)綠箱/藍(lán)箱演播室并不考慮攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)變化，僅僅是將背景與主持人“粘合”在一起，一旦主持超出預(yù)設(shè)的位置即會(huì)發(fā)生穿幫。但虛擬演播室不同，它需要時(shí)刻保持主持人與虛擬物件的同步。這就需要攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)去獲取攝像機(jī)在演播室的空間位置（x，y，z），運(yùn)動(dòng)參數(shù)（Pan、Tlit、Roll）以及鏡頭參數(shù)（FOV），判斷攝像機(jī)與主持人及虛擬場(chǎng)景的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)虛擬物件、場(chǎng)景與主持人的綁定。

主流的攝像機(jī)跟蹤方式有三種，分別是紅外線跟蹤（IR）、網(wǎng)格識(shí)別跟蹤（PR）以及機(jī)械傳感器跟蹤（MS）。

2.1.1 紅外線跟蹤方式

利用紅外線收發(fā)裝置判定主持人與攝像機(jī)在演播室的位置關(guān)系。

這種跟蹤方式使得攝像機(jī)可隨意移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)360度的拍攝扇區(qū)，如果在主持人身上添加紅外線裝置，還可識(shí)別主持人的景深參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬物件的自動(dòng)遮擋。當(dāng)然，缺點(diǎn)和不足也很明顯：跟蹤精度相對(duì)較低，特別是無(wú)法捕捉攝像機(jī)鏡頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能獨(dú)立完成整個(gè)動(dòng)作的跟蹤。

2.1.2 網(wǎng)格識(shí)別跟蹤方式

在演播室綠箱/藍(lán)箱上涂上與色鍵顏色相同、明暗不同、線條粗細(xì)不等、線距分布不均勻的網(wǎng)格線，計(jì)算機(jī)通過根據(jù)攝像機(jī)攝取的網(wǎng)格圖像，采用一定的數(shù)學(xué)算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)明顯，即無(wú)需對(duì)攝像機(jī)、云臺(tái)等設(shè)備部件進(jìn)行改造，安裝調(diào)整簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)攝像機(jī)的移動(dòng)也很自由，無(wú)需鏡頭校準(zhǔn)，定位的時(shí)間也很短。但制約條件也多：為了保證跟蹤的精度，畫面中必須出現(xiàn)足夠的網(wǎng)格信息（至少包含三橫三豎）；攝像機(jī)還需保持合適的角度，不能垂直或平行拍攝網(wǎng)格畫面；對(duì)色鍵器的質(zhì)量要求高；對(duì)燈光布置要求嚴(yán)格，要求布光均勻等等。

2.1.3 機(jī)械傳感器跟蹤方式

是最為傳統(tǒng)的一種跟蹤方式，通過在攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)上安裝傳感器和相關(guān)電子設(shè)備，將攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)和鏡頭參數(shù)通過串行接口傳送到圖形渲染工作站，實(shí)時(shí)生成隨攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的虛擬場(chǎng)景畫面。

機(jī)械傳感器的精確性是最高的，系統(tǒng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。但安裝較為繁瑣，除非使用搖臂或機(jī)器人，不然攝像機(jī)機(jī)位只能固定，鏡頭自由度較低。

綜合來看，不管運(yùn)用哪種技術(shù)，根本功能是一樣的，都是通過特定的設(shè)備和算法獲取攝像機(jī)以及鏡頭的參數(shù)。大家可通過比較3種主流的虛擬演播室傳感跟蹤方式，結(jié)合自身的拍攝需求，選擇一種，或者混合應(yīng)用的解決方案。

2.2 場(chǎng)景渲染系統(tǒng)

在普遍高清制作的大背景下，渲染系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的渲染能力。硬件配置自不必說，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展一直是水漲船高。

在軟件上，國(guó)內(nèi)外很多公司都有相應(yīng)的解決方案。以挪威維斯有限公司的Vizrt為例，功能實(shí)現(xiàn)可通過軟件的模塊化組合?；镜呐涮总浖撕诵牡腣iz Engine實(shí)時(shí)渲染引擎外，至少還配有Viz Artist設(shè)計(jì)工作站與Viz Trio播控工作站。

Viz Artist是一款用于3D圖像實(shí)時(shí)創(chuàng)作的軟件，除了具備三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)工具和豐富的插件包外，還支持3ds Max、Maya等多種三維建模軟件的場(chǎng)景源文件。設(shè)計(jì)師可在Viz Artist中自由發(fā)揮創(chuàng)作節(jié)目需要的三維虛擬場(chǎng)景和物件動(dòng)畫。創(chuàng)作后的三維場(chǎng)景和物件可直接在Viz Engine上播出。另外，在Viz Artist內(nèi)部還可進(jìn)行編程，用于實(shí)現(xiàn)二維、三維元素、數(shù)據(jù)以及文字的外部替換，對(duì)于日常變更圖表、數(shù)據(jù)可視化產(chǎn)品需求較多的氣象影視節(jié)目來說，可極大的提高播控效率。

Viz Engine實(shí)時(shí)渲染引擎作為場(chǎng)景渲染系統(tǒng)的核心。每臺(tái)Viz Engine均支持SDI信號(hào)和IP碼流的實(shí)施輸入輸出，可將Viz Artist中的三維場(chǎng)景和物件進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，生成高清、4K及更高級(jí)別的畫面輸出。同時(shí)，將攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)、鏡頭參數(shù)、空間位置與場(chǎng)景信號(hào)相結(jié)合，可達(dá)到真正的攝像互動(dòng)。Viz Engine工作流程圖見圖2。

Viz Trio播控工作站通過網(wǎng)絡(luò)連接，可對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)渲染引擎進(jìn)行播控。播控采用串聯(lián)單控制方式，具有強(qiáng)大的模板功能。設(shè)計(jì)師可通過Viz Trio播控系統(tǒng)對(duì)測(cè)試場(chǎng)景的實(shí)際輸出進(jìn)行測(cè)試；當(dāng)天編導(dǎo)和制作可將設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的模板進(jìn)行素材信息編輯，并自定義保存，自由組合成適用于當(dāng)天的節(jié)目串聯(lián)單。播控操作界面風(fēng)格類似于字幕機(jī)，真的做到了靈活、高效、安全。

2.3 色鍵合成系統(tǒng)

這里所說的色鍵合成系統(tǒng)，其實(shí)就是傳統(tǒng)的色鍵器加上高性能的圖形工作站。在經(jīng)過色鍵摳像處理后，視屏信號(hào)輸入圖形工作站和事先做好的虛擬場(chǎng)景合成輸出。

相對(duì)于傳統(tǒng)演播室，虛擬演播室內(nèi)主持人可能會(huì)頻繁的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于摳像的要求就更高了。推薦使用久負(fù)盛名的Ultimatte 11實(shí)時(shí)高清色鍵器，Ultimatte 11采用先進(jìn)的4：4：4：4圖像處理技術(shù)，可提供更加優(yōu)化的蒙版控制，因此用戶可輕松將主體從背景當(dāng)中精確分離出來。此外，它還能為用戶提供蒙版修正功能、直接和間接燈光功能、溢出抑制工具、邊緣修整控制等，所有這些實(shí)用功能均可實(shí)時(shí)操作并生效。

但如果從簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便日常操作的角度來說，大家也可以選擇軟件摳像。

3 虛擬天氣節(jié)目演播室的功能增強(qiáng)

虛擬技術(shù)的發(fā)展，勢(shì)必是為了更加接近于真實(shí)的視覺體驗(yàn)，除了在場(chǎng)景設(shè)計(jì)、內(nèi)容策劃等軟實(shí)力上做努力外，在硬件上我們也可以做以下的升級(jí)：

第一，使用搖臂。氣象節(jié)目的天氣形勢(shì)講解多需要地理圖形做烘托，搖臂在傳統(tǒng)的三腳架和云臺(tái)功能上增加了升降功能，可以使鏡頭在運(yùn)動(dòng)時(shí)更加“夸張”，借此拍攝出宏偉、大氣的場(chǎng)面，更加突出氣象要素，大大增強(qiáng)節(jié)目的觀賞性。

第二，運(yùn)用攝像機(jī)器人。搖臂需要專業(yè)的攝像師全程拍攝，對(duì)工作人員的專業(yè)性要求很高。引入攝像機(jī)器人納入虛擬演播室系統(tǒng)，可大大降低對(duì)專業(yè)人員的依賴。通過對(duì)節(jié)目的策劃，對(duì)鏡頭的固化，完全可設(shè)計(jì)出可行的日常節(jié)目業(yè)務(wù)化鏡頭運(yùn)用模板，大大提高氣象影視節(jié)目的制作效率。

4 虛擬演播室制作安全考慮

播出安全是影視從業(yè)人員的生命線。相對(duì)于傳統(tǒng)演播室而言，虛擬演播室系統(tǒng)復(fù)雜，涉及的軟硬件設(shè)備也更加的多。這要求整個(gè)演播室系統(tǒng)能方便的應(yīng)急調(diào)整，便于故障的判斷和維護(hù)，出于安全著想，我們考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）采用多通道獨(dú)立式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上采用一對(duì)一的通道化方式，解決了共用式設(shè)計(jì)可能帶來的前后景切換延時(shí)問題。同時(shí)，任何一個(gè)通道的故障不會(huì)影響其它通道的正常輸出，安全系數(shù)大大提升。

（2）為每臺(tái)攝像機(jī)配置單獨(dú)的返送監(jiān)看信號(hào)。虛擬演播室多配備搖臂甚至機(jī)器人機(jī)位，攝像師面對(duì)的是綠箱/藍(lán)箱，需要時(shí)刻獲取主持人在虛擬場(chǎng)景中的空間環(huán)境，才能正確的構(gòu)圖，單獨(dú)攝像機(jī)的返送信號(hào)配置是不可或缺的。

（3）兩臺(tái)播控引擎互為備份。平時(shí)一臺(tái)播控工作站控制多個(gè)渲染引擎，在一臺(tái)播控出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速做切換處理，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。

（4）虛擬演播室系統(tǒng)采用主備雙通道工作方式。正常情況下，主路作為播出通道，備路作為預(yù)覽通道監(jiān)看待播機(jī)位合成效果。同時(shí)主備路還可以通過二選一切換開關(guān)直接輸出。當(dāng)主路出現(xiàn)故障時(shí)，可在切換臺(tái)上快速切換備路信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬天氣演播室技術(shù)不僅提高了氣象影視節(jié)目制作的效率，拓寬了氣象節(jié)目制作者的創(chuàng)作空間，豐富了節(jié)目的表現(xiàn)形式，同時(shí)也大大降低了氣象節(jié)目的制作成本。相信隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)會(huì)愈加強(qiáng)大，在氣象影視節(jié)目中的應(yīng)用前景也會(huì)越來越廣闊。

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