高性价比三维虚拟背景系统的设计-修改稿-岳阳台（4-5）.docx

高性价比三维虚拟场景系统的设计周 巍1 罗洪程2（湖南理工学院教授、岳阳市广播电视台总工程师，湖南 410003）1 （湖南理工学院教授，湖南 410003）1摘要 在中小电视台，昂贵的虚拟系统只是奢侈品，大多数几乎是望而却步。设计一款高性价比虚拟系统，操作简单，对于中小电视台来说是提高整体制作水平，降低成本的理想之选。本虚拟系统完成多机位多角度多景别实时切换，实时大屏幕播放或现场连线。除摄像机外，整个三机位虚拟系统投入成本约5万元，实现了低成本投入，高标清全数字化。此系统已在实际使用中得到检验，是一套具备普及意义的高性价比全三维虚拟场景系统，操作简单，在中小电视台具备实际推广意义。关键词 高性价比，多机位，三维虚拟，DVE，高标清兼容，现场连线，模块化操作中图法分类号 TN948.1 文献标识码 BDesign Cost-effective Three-dimensional Virtual Scene SystemZHOU Hui-zhu1 ZHOU Wei2 （Hunan Radio and Television Station，Hunan 410003,China）1 （Hunan Institute of Science and Technology，Hunan 414006,China）2Abstract In a medium or small television station, virtual systems just expensive luxury that most of the almost prohibitive. Design a high-performance low-cost virtual systems, simple operation, for medium-sized or small television station, is to improve the overall production level, good ideal for reducing costs. The virtual system to complete multi-camera real-time multi-angle multi-Scene switch, live big screen broadcast programs or on-site connections. In addition to the camera, put the cost of the entire virtual system is about 50,000 yuan. To achieve a low-cost investment, high standard definition all-digital. This system has been tested in actual use, is a high cost with the universal significance of the full three-dimensional virtual scene system, simple operation,In a medium or small television station, have actual promotion significance.Keywords Cost-effective，Multi-camera，Three-dimensional virtual，DVE，HD and SD compatible，Live connection，Modular Operation60 引言在中小电视台，昂贵的虚拟系统只是奢侈品，大多数几乎是望而却步。设备投入经费过高，操作复杂，更新淘汰快，专业技术人员少，实际很难推广。设计一款高性价比虚拟系统，操作简单，对于中小电视台来说是提高整体制作水平，降低成本的理想之选。 本虚拟系统完成多机位多角度多景别实时切换，实时大屏幕播放或现场连线。同时实现三维虚拟前景，图文字动画实时叠加，现场简易调音、同步编码录制，互联网视频发布等一气呵成。除摄像机外，整个三机位虚拟系统投入成本约5万元，实现了低成本投入，高标清全数字制作合成一体化。此系统已在实际使用中得到检验，是一套具备普及意义的高性价比全三维虚拟场景系统，操作简单，在中小电视台具备实际推广意义。1 系统设计要求随着广播电视技术的迅速发展，高清电视已经普及。因此，一套专业系统应是高清化，数字化，并可适度考虑与现有标清系统兼容。1 高标清兼容（图一）系统原理图现在的各种摄像机，特别是业务级以上的摄像机几乎都带HD-SDI/SD-SDI接口，而包括消费类产品在内的几乎所有摄像机都带有HDMI接口，高标清兼容。这为三维虚拟系统的高标清兼容提供了技术基础，且降低了成本。另外，用于该系统的色键、切换台、高清播放器、编码器、硬盘录制也应高标清兼。2 接口齐全考虑到现场连线、网络视频、传统标清等设备的大量存在，三维虚拟系统除具备主流的SDI、HDMI接口外，还能接受YUV、Y/C、CVBS视频以及AES/EBU数字音频与模拟音频。充分发挥系统输入输出的处理能力。同时，三维虚拟场景系统不只是作演播室虚拟场景使用，也可以充当EFP切换系统或者网络视频现场采集及实时发布系统。3 高性价比广播级视频质量，低成本运作是本设计的核心，对于我国广播电视现状特别是中小电视台具备实际意义。单从设备的角度来说，一个多级M/E特技切换台就可以做到本设计方案的很多内容，但实际情况是绝大多数中小电视台的切换台都只有1级简易M/E，好的台子买不起，动辄十几万，多则上百万。或者买得起，而使用上没有与之匹配的较好技术人员。本设计方案采用最新的多个BMD ATEM简易切换台，结合通用型制作软件（PS/PR/AE）与三维设计软件(3DS MAX)一起完成复杂的多机位三维虚拟场景系统的搭建。除摄像系统外，系统搭建成本只有5万元左右，功能强大，真正做到高性价比。4 操作模块化在地方台，特别是在中小电视台，技术从业人员技术素质基础普遍较薄弱，就拿一个8路带非线性数字的特技台，许多制作人员只能做简易切换与特技，能使用其DVE编程的人就极少，而且经常要一个人做几个人的事，要求多专多能。事实上很难做到，往往好设备他们很能发挥其潜能，因此，操作简单，模块化、模板化、模式化更能让他们很快得心应手，不因操作繁琐而望而却步。2 系统设计原理1 工作原理该虚拟系统完成三个机位不同角度与景别的实时切换。同时可以进行两路现场视频连线，并可同步现场直播与网络视频编码直播，信号切换同时进行同步录制。见图一，三台摄像机从不同角度分三个通道进入ATEM STUDIO切换台，分别和现场连线信号（EXT1）以及现场放像机信号（EXT2）、高清播放器播放的虚拟场景信号（HD PLAYER）进行合成后进入另一个ATEM 1M/E切换台进行切换，并进行字幕叠加、声音调整、视频编码输出，然后进入控制电脑同步录制，亦可进入专用硬盘录像机录制与网络视频及时发布。整个控制通过一台高性能笔记本电脑完成。这台计算机通过网络控制四个ATEM切换台的所有操作，软件操作界面与实际特技台硬件操作面板布局一致，非常方便，不同切换台使用不同的IP地址进行访问与控制。控制计算机同时向三个高清播放器发送经过生成后的不同角度与景别的虚拟场景，以便于和对应角度的主持人景别进行色键合成，同时通过亮度键控技术将外来现场信号（EXT1）与录像播放信号（EXT2）进行合成。图一中GPI用于对高清播放器的同步触发，特别是三维虚拟场景中本身携带的动态元素需同步播放，如本案例中运动的前景地球、“世界报道”三维字体以及主持人身后的大屏幕，它们是在虚拟场景生成时就预先一起制作好了的。在本虚拟系统中，核心组件是ATEM STUDIO切换台，这款切换台只需7500元人民币，但高标清兼容，性价比极高。该特技台是首款将专业切换台和广播级H.264编码器结合在一起的直播制作切换台。不仅可以进行多机位直播制作，还能完成用于互联网发布的广播级编码,操作非常简单，即使不是视频专业人员也容易掌握使用。连接好HDMI或SDI摄像机后，制作员就可以进行直播制作了，制作员亦可利用低成本消费级HDMI高清摄像机。 该切换台不仅可以用来进行专业多机位直播制作，同时能够实时生成用于网络发布的H.264文件。它使用起来并不麻烦，切换台采用了熟悉的ME风格操作方式。对于用户来说，ATEM的价格很容易承受，起步阶段可以只购买切换台主机，便可工作，价格约在人民币7500元，配合软件控制面板使用。必要的时候，技术员还可以添加专用硬件控制面板，使操作更便捷。为了能提供高质量视频并把处理延时降到最低，ATEM采用全数字10 BIT设计，确保可以从摄像机、服务器和字幕机获得高质量，让真正10 BIT质量贯穿整个信号路径。利用HDMI和SDI信号源可实现更好的色键抠像和无缝的画面合成，所有视频都能保持纯净的广播级画面质量。ATEM有创造力的直播切换解决方案。所有转换特技都能快速实现，而且在传统切换台上常见的切换（CUT）、混合（MIX）和划像（WIPE）等特技在ATEM切换台上都能找到。把素材载入2个标配的媒体播放器帧存中可自定义字幕和图标。如果技术员拍摄的有绿幕或蓝幕，可以利用ATEM的高质量色键抠像，以一种经济的方式制作虚拟场景。该特技台还配有两个下游键，因此技术员可以添加“直播”和“重放”这样的图文，或嵌入活动视频。ATEM为虚拟系统带来更多特性。它提供了一个支持色键、类型键、形状键和线性键的上游键，还有两个下游键和独立的渐黑（FTB）。这些强大的功能让技术员可以制作出专业风格的实况节目。标配的多画面分割让技术员的设备数量和监看成本都降至最低。出众的功能、质量和性价比，这就是的ATEM独有功能与特性。为了实现更好的便携性，每个ATEM制作切换台都配有设计精美的MAC版和WINDOWS版软件控制面板，让技术员在笔记本上就可以控制切换台。在众多切换台中，ATEM能让技术员以一个较低的成本走入实况制作的世界，因为即使没有硬件控制面板，技术员也可以自如地操控切换台。 这款专业的广播级SDI切换台，而且配备了许多HDMI接口，因此技术员可以在起步阶段先使用价格更容易承受的消费级HDMI摄像机，便于广泛应用。另外，和其他品牌切换台不同的是，每个视频输入都配有一个自动帧同步器，让技术员可以接入各种视频源而无需增加同步锁相。ATEM的多画面分割功能可以省下花费颇高的摄像机监看成本。多画面分割允许在一台SDI或（图二）系统实际运用的效果图HDMI电视机或监视器上同时显示10路视频画面。显示画面可以通过切换选择。制作员可以自定义标签，也可以在预监显示器上设定安全框。多画面分割显示提供TALLY功能，正在播出的视频源画面周围有红色边框，而预监视频源画面周围有绿色边框。ATEM的多画面分割十分简单，连接一台HDMI监视器就能使用了，它是一种完美的便携解决方案。图二是系统实际运用的效果图。ATEM STUDIO虽然功能不如多级M/E特技台功能强大，但其性价比极高，操作简单，在中小型电视台中使用具备普遍意义。使用ATEM的CHROMA KEY色键完成主持人与虚拟场景的实时合成。切换台的各类键控技术的键源与键填充均可以自由组合选择，包括所有信号源与媒体播放器中的各种图片等。巧妙利用其携带的下游键DSK1和DSK2，使用虚拟对应制作的亮度通道或ALPHA进行抠像合成，完成左侧两块大屏幕活动视频的实时开窗。2 DSK键源的制作利用DSK亮度键功能，可以很方便的开窗虚拟场景中的大屏视频，只需利用PS等平面处理软件或图文字幕系统制作一副对应的黑白图片（如图三），可以是一个大屏或者两个大屏一起做，两个大屏可以使用同一个键源图片，但可以使用DSK的MASK功能分别进行调整。（图三）两个开窗大屏可使用一个键源3 DVE的实现（1）实时DVE。通过下游键DSK1的黑白ALPHA可以完成大屏幕现场连线信号，但由于高标清信号属于满屏画面，而虚拟场景中的大屏幕视频属于虚拟场景中的画中画，也就是说是整体缩小了的画面，而且有透视度。所以，现场连线视频不能直接与虚拟场景合成，必须先进行DVE处理。由于大屏幕中的电视信号本身就可能是一段从不同角度与景别剪接而来小片子，因此，观众对大屏幕中人物的角度本身就有多角度变化的心理准备，反过来说，观众对大屏幕角度的变化不会观察这么精准。但画幅大小必须是全部在画框里，否则，人物的画面内容就不能充分体现。见图四，现场连线的一个正常机位拍摄的画面当通过下游键和一个虚拟场景中的大屏透视窗合成后，现场连线的画面变得具有透视感，这就是低成本透视DVE形成的基本原理。（图四）低成本透视效果的简易形成另外，如果摄像员在现场拍摄镜头时，采用和虚拟场景中的摄像机机位与角度一致，那么，最终在虚拟场景中的合成大屏效果就是完全真实的。摄像员前期拍摄时甚至可以将三维虚拟场景制作成等比例缩小的透明卡片贴在寻像器上进行现场构图拍摄，从而迅速获得三维虚拟场景中的不失真开窗视频。（2）任意画中画的实现就是实现DVE的关键。专业的DVE太贵，不符合高性价比设计思路。业余级的画中画合成器不能做到画中画大小无级缩放，且位置不能任意调整，只能是按固定级次来变大变小，按预设位置设置。这里提供一种广播级高标清画中画生成系统，成本低，并且可独立使用。使用BMD的UltraStudio Express外置采集卡，将编码信号通过Thunderbolt输入，进入PREMIERE CS5.5中，进入采集状态，见图五。然后任意调整采集窗口大小及位置，和三维虚拟场景中的对应大屏幕外框大小对应，再进入特技台使用下游键DSK进行合成，从而完成虚拟场景中实时DVE功能。加入UltraStudio Express外置采集卡后，可以解决SDI/HDMI/YUV/CVBS等信号源通吃问题，同时计算机要设置在双屏复制工作状态，使计算机的HDMI输出能直接进入切换台。图五的DVE方法在日常工作中完全可以作为独立的非编机使用，做到一机多用，符合中小电视台低成本原则。（图五）现场连线画面的大小位置可任意调整由于PREMIERE CS 5.5是优秀的非编软件，其采集窗口的开窗视频大小与位置可以任意设置，且可存储。因此，可设置计算机自动启动任务模式，启动时自动并调出含有预设值的工程文件，一次性对好虚拟大屏，无需下次再调整。4 软件DVE的实现如果三维虚拟中的开窗视频不是现场连线，没有实时性方面要求，则使用许多软件可以完成虚拟场景中大屏的DVE效果。在PREMIERE CS5.5中，使用其本身携带的视频特效中的摄像机视图特效，可以很快模拟出真实的DVE大屏效果（见图六）。可将制作好的视频与三维场景叠加合成，并存储工程文件，下次只需调用即可进行快速合成。（图六）用软件获得非实时DVE的方法很多在AE中，使用DE_FreeFormAE等特效插件同样可以完成此类功能。亦可直接使用三维虚拟场景的贴图功能直接完成。这些工作均可在控制电脑中完成，因为一旦控制电脑完成对各个特技台的设置后，它几乎就空闲下来，刚好可以完成软件DVE的制作及快速生成任务。如果不是现场连线节目，那么这种制作成本就是最低的了，而三维虚拟场景系统却真实且多角度切换，可以运用到许多栏目。3注意事项（1）三维虚拟场景生成时分辨率尽量高，最好达到4K标准，这在后面进行任意机位虚拟场景切割时，保证画面分辨率足够而不失真，亦可直接使用3D场景重新生成多机位场景。（2）由于没有了超级运算，所以各复杂三维场景中的运动元素，如“世界报道”三维字及球体，主持人背后大屏播放的片头及花絮等，尽早一起生成完后 ，再分发到三台高清播放器中，可自由播放，或GPI触发同步播放。（3）导播切换时，中间过渡使用主持人中