真三维虚拟演播室方案.doc

北京中科大洋科技发展股份有限公司 大洋虚拟演播室系统方案电视台真三维虚拟演播室技术方案北京中科大洋科技发展股份有限公司2003年4月目 录一、用户需求分析 3二、MagicSet 3D 系统简介 52.1 技术背景 52.2 虚拟演播室关键技术分析 6三、MagicSet 3D功能特点 103.1 MagicSet 3D系统强大的软件功能 103.2 MagicSet 3D系统卓越的硬件性能 13四、MagicSet 3D系统技术质量指标 164.1 客观检测指标 16 4.2 主观评测指标 184.3 信号质量 184.4 传感器精度指标 18 五、系统结构设计原理 195.1 跟踪传感技术分析 19 5.2 关于MagicSet 3D的渲染引擎（CrystalRay） 21 5.3 关于MagicSet 3D的色键器 22 5.4 三维场景制作 27 5.5 主输出信号生成 28 六、售后服务体系 29七、大洋公司简介 30八、MagicSet 3D突出的特色优势 32一、用户需求分析：传统演播室的工作流程中，场景需要实际搭建，在实景制作、不同栏目之间的实景更换、实景修改等方面都存在着很大的局限性。一方面很难制作出非常具有奇思妙想的场景，另一方面是工作量增加、材料浪费严重、工作效率降低、不利于消防安全等。因此现在很多用户在设计演播室方案时，都愈来愈多的把虚拟演播室的设计方案提到议事日程上来了。随着非线性技术的日益发展，制作电视节目时对视频工作站的应用也越来越多。但是使用工作站时遇到的一个比较普遍的问题就是操作人员习惯于传统编辑制作机房中编辑机和切换台的操作，而不习惯于计算机的鼠标键盘操作。如何能将这两种操作方式结合起来，能够让电视台制作人员以最快的速度熟悉和掌握系统的使用手段，也是设计方案时应该考虑的问题。我们这套大洋虚拟演播室系统完全按照贵台虚拟演播室招标项目的要求设计完成。基于这款配置精良的系统，电视台用户可以完全不受空间和条件的拘束，制作任意风格的栏目、片头及电视宣传片等的节目。MagicSet 3D虚拟演播室摄像机双机位包含大洋Motion Track数字机械传感器以及Vinten 100型云台、三脚架，带PD-114滑轮车（含电缆护框）。MagicSet 3D虚拟演播室摄像机三机位包含一套配备Intersense超声波定位移动机位传感器以及2套Vinten100型云台、带脚轮的三脚架）。可以实现2台摄像机水平、垂直摇动以及变焦等动态传感，另一台摄像机除上述功能外还可以实现包括机位在内任意方向的自由移动拍摄。根据贵台演播室工程的需求，我们设计以MagicSet 3D真三维系统为核心的虚拟演播室方案、设计原则如下：1. 功能要求虚拟演播室系统除了实现传统演播室中的所有功能之外，还应具备以下特点：1) 系统应能满足同一场景中多个不同虚拟物件设计不同层次的遮挡，实现多层次的演播室效果；2) 系统对演播室场地的需求应该尽量少，利用一套系统应能制作出多个不同风格的栏目，或在一个栏目中针对多个子栏目制作多个不同的场景，达到提高演播室使用效率的目的；3) 场景制作、修改和存档应尽可能地方便，编导对场景的调整、修改可以在视频监视器中实时监看到合成好的画面。使编导在避免制作实景费时费力的前提下应尽可能地提高场景修改、栏目改版的工作效率；4) 场景的设计应尽可能地消除局限性，使栏目编导和设计人员能够充分地展示自己的奇思妙想和创造性；2. 兼容性和扩展性1) 虚拟演播室的场景设计由计算机三维设计软件完成，因此我们的设计方案中尽可能多地兼容了诸如3D MAX、Softimage、MAYA等多种三维建模软件制作的场景；2) 虚拟场景中可以开多个大屏幕电视窗口，其中至少应该可以回放2路不同的视频节目。且电视窗中播放的视频素材应满足目前电视台制作机房节目源的储存方式，尽可能地允许录像带素材、视频素材等；在扩展性方面，我们的系统充分考虑目前虚拟演播室系统在不久的将来能够承受更大的节目制作量，以及具有更强大的功能，系统具有在现有结构基本不变的情况下有平滑升级扩展的能力。二、MagicSet 3D 系统简介21 技术背景二十世纪九十年代后期，国际视频领域开始兴起一股虚拟演播室热潮。国外虚拟演播室的主流厂家纷纷在国内推广其产品，国内也有一些用户尝试行地采购了他们的产品。但国外厂商的工作方式以及文化差异等方面的影响，使得其操作培训和售后服务远远不能满足用户的实际需求，造成用户花了昂贵的价格、买来功能很复杂的系统，却无人能用或是只能用到很少的一部分功能，很难真正的投入到电视节目制作和使用中去，失去了它原本存在的价值和意义。而且国外厂商本土化的技术支持不利，系统出现问题时不能及时有效的解决，结果更令用户头痛不已。大洋公司以发展民族视频工业为己任，在计算机专业视频图形图像处理技术上积累了十余年的经验，很早就开始考虑根据中国电视台的业务流程和当前对虚拟演播室的实际需求。为中国的电视台和中国电视节目制作者研发一套高性价比虚拟演播室系统，使广大电视用户能够使用到价格合理、功能实用、操作简便、服务周到的虚拟演播室产品一直是大洋人的一个梦想。2000年初，大洋公司隆重地向广大广电行业用户推出了大洋虚拟演播室系统VRSET。该产品很快在业内形成巨大反响，并带动了国内虚拟演播室产品的研发、生产和市场启动。2002年初，大洋又推出了第二代虚拟产品MagicSet 3D真三维虚拟演播室，提供PAL制、NTSC制、内置色键、外置色键、数字接口、可移动机位等系列产品供用户选择。不久，MagicSet 3D独家通过了广电总局检测中心的产品化检测，成为国内虚拟演播室产品中独领风骚的一朵奇葩。通过近几年产品推广和用户反馈，我们民族视频厂家终于在用户心目中重新确立了虚拟演播室高效快捷、省钱省地、效果绚丽多彩的产品形象。从国内到海外，有愈来愈多的客户纷纷关注、采购大洋的虚拟产品。现在，大洋MagicSet 3D已行销海外，包括韩国和平电视台、台湾东风电视台、文莱国家电视台、伊朗国家广电局等，多家海外用户正在用大洋的虚拟演播室产品为本国的电视节目增色。通过与用户的交流和电视台的实际应用，MagicSet 3D系统在保持原有技术先进性的同时，在操作上和性能上更加实用和稳定，已成为应用于电视节目制作的成熟产品。2.2虚拟演播室关键技术分析虚拟演播室作为新生的电视节目制作手段，最为突出的优势就是可以改变演播室布景的制作和更换方式，并且可以使创作者有很充分的创作空间。简单地说：虚拟演播室的技术核心是：在演播室现场置需要搭建一个蓝箱（十几平米到几十平米均可）做主持人演示，摄像机把主持人在蓝箱上主持节目的画面拍摄、输入到虚拟演播室主机里面去，虚拟演播室内部进行色键处理，把蓝箱换成电脑制作的虚拟场景，再与前景掩膜合成后形成节目输出。这样，虚拟演播室就可以让用户在一块场地、一台虚拟设备上分别制作出许多个不同风格的栏目，且场景可以随时、随意的修改。从系统架构上看，虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、蓝背景技术和三维场景造型与掩膜生成、色键技术、灯光技术等几个部分。 2.2.1 摄像机跟踪技术摄像机跟踪技术是指在节目拍摄过程中实时获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。其中包括摄像机镜头参数ZOOM、FOCUS，云台运动参数PAN、TILT，以及描述摄像机空间位置和角度的参数ROLL、X、Y、Z。获得这组参数就有可能把摄像机和镜头与一台高性能的计算机连接（该计算机可以生成背景的每一场），背景制作的应用软件根据这些参数来调整虚拟摄像机的位置、方向和镜头参数，使虚拟场景产生对应的变化，虚拟演播室的制作就完成了。2.2.2 蓝背景技术和三维场景造型生成制作虚拟演播室的蓝背景要求背景平滑，还要有空间感，一般是两面或三面蓝色墙面再加上地面。为保证全景镜头的使用，照射在蓝背景上面的光线要均匀。为了保证色键效果最好，要使用纯正的色键蓝色。蓝背景的空间大小，应该能保证可容纳全部道具并且可以使主持人有足够的活动区域。虚拟演播室中的背景图像可以是动态的，也可以是静止的。利用最多的是虚拟场景，也就是由计算机创作的三维图形。在虚拟演播室中，首先要对场景中的所有物体进行建模，也就是设计物体的外形和尺寸，这与计算机辅助设计很相似：在建立一个模型的同时，计算机将他们分解成许多个多边形，一般是三角形，然后定义一个轮廓，在每个多边形上施加材质，可以是简单的颜色，也可以是材料。再把图像或照片施加在多边形上，以产生更逼真的效果。衡量一个场景的复杂程度其中主要一点是看这个场景中所包含的形的数目，而场景制作的越复杂，对系统的三维渲染能力要求也会相应提高。 大洋MagicSet 3D软件的场景制作功能包括虚拟物件控制模块和动作编辑模块两部分。其中，虚拟物件控制模块可以对虚拟场景中每个独立的虚拟物件进行单独的调整，或者对多个物件进行编组后一起进行调整，可以调整该物件的大小、位置和朝向等等，例如将一个电视墙从画左移动到画中，只需用鼠标选中电视墙所包括的所有物件进行编组，然后用鼠标拖动至目的地（或者通过修改位置坐标进行调整）即可；这样可以大大节省节目编导在调整场景方面所花的时间和精力。在这里应该着重指出的是，MagicSet 3D系统提供的虚拟物件是三维物体，场景和物件的尺寸都是根据演播室的实际大小而设计的。例如某个演播室中的蓝箱长、宽、高分别为5米、5米和3.5米，则在虚拟场景设计时可将场景大小定义5米*5米*3.5米甚至更大，场景中的所有虚拟物件都按照实际的尺寸进行定制，这样可以做到虚拟场景与实景和主持人的尺寸大小相符，便于操作人员随时进行调整。 虚拟物件的动作编辑模块：由于真三维虚拟演播室系统处理的是三维场景模型，因此我们可以在系统中设定某个虚拟物件或某个物件编组的动作，包括设置物件的平移、旋转和缩放等等。使用者在拍摄之前将需要定制的动作按照时间码设置完成，按照界面上的动作设置定义为F1、F2等等。为了便于拍摄过程中对虚拟物件动作的控制，我们专门设计了一个操作控制台。在操作控制台中有一个特定的动作控制区域，该区域中的F1、F2等按键与MagicSet 3D软件操作界面的动作设置完全相同，在拍摄过程中无需用鼠标和键盘进行操作。2.2.3 键信号处理与图像合成色键器在虚拟演播室中的色键处理流程中完成的主要工作是从摄像机所提供前景信号中提取出键信号使主体人物同色键背景分离。色键器的质量对虚拟演播室节目质量影响相当大，它除了与蓝背景、制作环境灯光和摄像机有一定关系之外，色键器本身的质量也会影响节目质量。混合生成器掩膜生成器BackgroundB/W 掩膜Composite Image色键器Foreground VideoBackground Video 图1-1色键抠像原理图在摄像机运动参数的控制下，背景生成装置对制作好的背景信号进行处理，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。前景与背景的混合是通过色键合成器来完成的。使用清晰的、亮度平坦的颜色信号可以被演算，使前景和背景分离，然后把演算后的信号用于另一个不同的背景。使用线性键可以把前景的阴影取出来并叠加到背景上。当背景图像与前景图像混合后，才最终完成了虚拟演播室的节目制作。为了成功地合成一个虚拟的场景，要求虚拟演播室的图像保持连续平稳的变化，图形工作站要对视频画面以25帧秒(PAL制)的速度处理数据流，这样才能使计算机制作的背景图像与摄像机拍摄的图像实时合成。224虚拟演播室对灯光的特殊要求在虚拟演播室节目制作中灯光所起的作用是十分关键的。为了消除多余的阴影，保证色键的效果，灯光的布置相当重要。要合理调配灯光，使前景与虚拟背景的照明亮度及方向匹配。主持人及真实道具在蓝箱中投下影子也要随主持人及道具一起进入虚拟空间。如果播音员在演播室中不能投下相同的阴影长度，虚拟场景的设计就应有长的阴影。为了更好地提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大的区别。影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。灯光应具有真实性，以防止出现动画效果。在虚拟演播室中，实际光源和虚拟合成光源之间的同步变化很重要。2.2.5 虚拟演播室的二维半与真三维技术区别所谓二维半系统是以一张图片（可以使平面、立体图形、也可以是数码图片）作为虚拟场景，根据摄像机位的位置关系把背景图预先渲染好。摄像机位置（X、Y、Z坐标）是预先在软件中设置好的，拍摄过程中不能发生变化。这样，在虚拟演播室的现场拍摄时，系统对摄像机变焦、俯仰、平摇等变化进行跟踪处理，虚拟演播室主机的渲染系统根据机位传感器传回的信息对所在机位的场景图实时处理，产生出主持人前景与虚拟背景真实对应的位置关系，再加上前景遮挡输出就可以了。因此，对二维半系统，从场景方面来看，在拍摄的过程中移动摄像机时无法形成正确的透视关系。如果摄像机在拍摄过程中移动前景和背景将会因脱节而造成“穿帮”。也就是说：摄像机位置移动后必须重新渲染虚拟场景。真三维系统与二维半的本质区别主要是两点：一方面：真三维的场景是用三维建模软件（如：3DMAX、SOFTIMAGE、MAYA等）制作的三维立体模型，系统实时地读取场景建模文件，描述摄像机位置和角度的ZOOM、FOCUS（镜头），PAN、TILT（云台），ROLL、X、Y、Z（空间位置）等参数实时地确定和控制场景模型中虚拟摄像机的位置和角度，并通过渲染引擎将当前场（FIELD）的场景图像信号（包括遮挡掩膜的图像）渲染生成并实时输出。因此，真三维系统的渲染方式为实时渲染，不同于二维半的预渲染。另一方面：真三维系统可以采用有别于机械传感的定位跟踪系统，实现摄像机机位任意方式的移动。例如：大洋采用的Intersense超声波定位传感系统，可以实现摄像机肩扛、手提等自由移动，大大提高了节目的拍摄动感。三、MagicSet 3D功能特点大洋MagicSet 3D虚拟演播室有别于其他虚拟演播室系统的主要特点之一是高度的系统集成性。大洋虚拟演播室系统把所有功能模块都集成在了一台高性能PC图形/图像工作站内。系统所需要的外部信号仅为必需的同步时基和摄像机视频。这在组建系统时可以使信号通路连接最为简单，最大限度地减小信号损失，特别是针对现有演播室改造时对现有演播室信号通路上的改动和破坏很小，对系统改造非常有利。由于所有功能模块采用M2BUS数据跨桥及内部数据总线，在系统内部的视频信号都是以4:2:2的数据流的方式传递，在保证了不会有任何信号损失的同时也提高了系统的可靠性，再加上系统采用了非线性方式的视频采集和回放保证了系统在存储媒介上也不会有信号损失使整个系统在信号质量上能始终保持最佳的演播室级指标。最大限度地提高信号质量和制作效率是电视设备发展的源动力，也是电视台和电视节目制作者以及视频厂商一直追求的梦想，唯有具有高度专业水准和技术水平才能实现这一梦想。相信大洋公司能够凭借其十余年的专业经验和优良的技术水平使大洋虚拟演播室能与那些期待着这一梦想的人们一同跨入数字化的未来。3.1 MagicSet 3D系统强大的软件功能1. 软件界面采用三维四视图的结构设计，非常近似于通用动画软件3DMAX的界面风格，使稍有电脑动画基础的人就可以轻松上手。且界面操作简单易学（见下图）。2. 系统所见即所得的动画设计和虚拟物件的实时调整，真实感强，能够与前景信号、掩膜信号较好地融合，并可以实时指定开关掩膜物件和活动视频物件；3. 系统支持在虚拟场景中开多个虚拟视频回放窗口，窗口中可以实时回放两路不同信号源（如：硬盘中的视频素材和录像机信号）的视频节目。电视墙中的画面以场频速度实时生成，软件可以实时对电视回放窗进行随意的移动和变形处理，把窗口设计为圆弧、球面等任意特殊的形状效果。大洋软件还具备视频窗的特技功能，可以实现虚拟视频窗与全屏幕视频画面的自由切换、视频窗的飞入、飞出等特技。命令面板编辑视图区工具栏菜单区1234657特技控制区物件属性显示区动画编辑窗4. 场景中所有物体都采用三维建模软件设计制作，每个物体都可以结合场景的需求实时作出旋转、生长、缩放、变形等动态调整，可以极大地丰富场景的真实感与活泼感。5. MagicSet 3D最多使用8组独立的动画集，每个动画集中有多个独立的动画，可以分别控制动画集的开关，可以实现多个动画不同播控效果的；6. MagicSet 3D最多使用6层遮挡和8盏虚拟灯光，可以分别控制开关，配合自由深度键功能，可以实现空间的多层穿插走位以及丰富的现场灯光效果；在场景中还可以使用最多6组虚拟视频窗，每组包含多个视频窗口，可以分别控制开关；7. 系统具备强大的图形渲染能力，根据实时采集的摄像机参数信号对复杂的景进行实时渲染。渲染速度最高可达到60000个三角形/场。输出图像保证32位真彩色，平滑、稳定、清晰度高，没有抖动、裂像、粗糙等现象。系统配备专业三维图形实时渲染板卡，全面支持硬件图形加速功能和硬件反走样，确保了实时生成场频级的高质量场景。8. 为了使节目画面更加丰富，MagicSet 3D系统内嵌了可以生成雨雪、落叶、礼花、喷射等效果的粒子系统。将这些景观添加到拍摄场景中，可以更好的烘托出不同风格节目的现场气氛。除了系统提供的6个基本粒子模板外，您还可以根据自己的需要通过对粒子基本参数的简单调整得到各种奇妙的效果。9. 系统拥有一项独特的特技功能Billboard。它使用事先渲染好的图像，在场景中仿真动态和静态的三维物体，并实时的控制图像在三维场景中的空间位置，同时可对图像进行任意的平移，旋转，缩放，以满足不同栏目设计的需要。Billboard技术应用广泛，比如它能以很高的精度模仿火焰的燃烧，三维物体的旋转，景观的连续变化等。而这些功能又能够很好的融入到虚拟演播室系统中，无需附加的硬件设备。10. 系统采用Microsoft最新渲染平台，保证最大限度地发挥渲染硬件的加速性能，并对场景中的物件纹理贴图采用了MipMap处理技术，从而保证了动态物件的纹理不会产生抖动现象，得到流畅精致的节目画面。11. MagicSet 3D内部使用全数字高性能高品质的渲染平台，独家渲染32位的真彩色、带alpha通道的三维场景，可以对虚拟场景中任何物件做半透明处理，并可以结合虚拟灯光制作出惟妙惟肖的光感透明效果。12. 系统建立了开放式的数据接口，可支持.3ds、.wrl等的三维建模文件，支持应用3D Max、Maya、Softimage 3D等国际著名的三维建模软件制作的三维场景。13. 虚拟大屏幕电视墙是虚拟演播室背景生成中经常应用的一种，而其对内部视频信号处理和对大屏幕电视墙边缘的处理，是影响虚拟大屏幕效果的关键。MagicSet 3D的对虚拟大屏幕内部进行三线性滤波完全消除了镜头推拉时虚拟大屏幕内部视频纹理闪烁的问题，对大屏幕边缘专门进行多重采样滤波的方式来进行边缘抗锯齿运算，从而使得虚拟大屏幕运动过程中边缘光顺无明显锯齿，大屏幕内视频信号清晰无闪烁。同时，MagicSet 3D可以自由方便地进行虚拟大屏幕自定义动画，丰富了节目内容和表达方法；并且系统中的活动视频信号可以贴在虚拟场景中任意物件表面上，如虚拟电视屏幕上、门、地板、窗户等。3.2 MagicSet 3D系统卓越的硬件性能1 系统支持内置、外置色键器。大洋虚拟演播室系统的色键器是由目前国际顶级色键器制造厂家美国Ultimatte公司提供，采用色度空间中的色度矢量处理方法，能够将要键去的颜色矢量与视频信号中的每个点的颜色矢量进行精确运算，在生成8bit线性键的同时还能进行消色和补色处理，使人物和物体的边缘能够与场景良好地结合，显示最佳的色键效果。值得一提的是，这种色度矢量处理方法生成的8bit线性键能够实现半透明物体如玻璃和烟雾的色键处理，同时其消色功能还能纠正由于蓝幕造成的人物皮肤上的淡蓝色反光。这种色键器的色键效果清晰自然，虚拟场景与人物自然融合，保证整个虚拟演播室系统的真实感，并且进一步提高系统的集成度和性价比。2 MagicSet 3D系统具有无限蓝箱功能，边缘无明显接缝和干扰，即使摄像机大范围摇动也不会“穿帮” 。蓝箱定位简便快捷，只需在安装过程中记录一次蓝箱位置即可，无需针对每套场景重新定位无限蓝箱的位置，使无限蓝箱的概念更加广泛，操作更加方便。3 为使贵台的工作人员更为简便地操作虚拟演播室，我们为MagicSet 3D系统配备了操作控制台，它可以实现机位传感数据的切换，录制、回放的控制、动作和虚拟物体的运动控制等等功能，切实有效地使MagicSet 3D系统的操作得以最大程度的简单化，使拍摄工作简便易行。4 系统采用了加拿大Matrox公司最新的图像板卡，板卡集成实时混合/特技引擎，多种视音频输入输出接口，同时兼容多种视频压缩格式。支持MPEG-2 4:2:2 I-frame码率在10到50Mbps之间可调。5 全新8U服务器级工业机箱，可上机架式设计，方便摆放和接线；系统具备良好的扩展性能；良好的散热功能；电源功率大小匹配，防尘、防震方面也予以充分考虑，保证了系统长时间运转的稳定性。机箱内可全内置超大容量硬盘，最高可达300G。6 高精密度传感器系统：MagicSet 3D机械电子传感器采用的是美国最新数字机电传感芯片的高精度参数采集系统，采用接触式电子传感器和精密耦合信号处理电路，以高精度、高速度实时采集和传输Zoom、Focus、Pan、Tilt等四项参数。结合事先设置好的摄像机机位的X、Y、Z位置坐标参数，可以实现摄像机快速推、拉、摇等任意方式的固定机位变化，画面精确同步，绝无任何撕裂、抖动或前后景错位等现象。先进的机械电子传感器，采用远端低电压供电的模式，信号抗干扰性强、传输距离远（最大可以到100米），安全方便。7 良好的同步信号处理能力：虚拟演播室做为一个广播级的设备，其处理GenLock（外同步）的能力是整个系统的关键。MagicSet 3D无论在三维图形渲染，还是在数字视频信号处理方面，同步信号都可以精确地被和数字信号处理芯片组所接受，从而保证了视频输出不丢帧、不掉场、不撕裂。8 高品质的机位选件:为配合高品质传感器稳定操作，我们选配的云台、三脚架都是采用国际最主流厂家英国云顿公司的产品。根据贵台所用摄像机型号的，特别配备了Vinten 100型（可承重15公斤）云台和带脚轮的三脚架。这样，整个MagicSet 3D机位系统精确快捷、坚固耐用。摄像机镜头用传感器部件安装图样摄像机水平摇移所有传感器部件图样摄像机俯仰摇移所用传感器图样云顿云台与传感器四、MagicSet 3D系统技术质量指标大洋MagicSet 3D系统于2002年6月通过了国家广播电影电视总局广播电视计量检测中心的测试。测试报告提供的结果显示，MagicSet 3D系统指标达到广播级标准，完全能够满足电视台节目制作的需要。4.1 客观评测结果 表1：整个系统数字特性检测结果序号检测项目单位技术要求检测结果1SDI幅度mV800+10%7382上升时间ps13009843下降时间ps13009164 上冲%+5%(800+10%)05 下冲%+5%(800+10%)06直流电平偏移mV+500-9.0 7抖动1kHZps74052110HZps7405028 SDI晃动ppb/s19.4Hz/s0.086表2：系统去掉色键后检测出的数字特性：序号检测项目单位技术要求检测结果1SDI幅度mV800+10%8162上升时间ps130010323下降时间ps130010134 上冲%+5%(800+10%)05 下冲%+5%(800+10%)06直流电平偏移mV+500-8.1 7抖动1kHZps74048210HZps7405028 SDI晃动ppb/s-19.5Hz/s-0.087表3：数字视频特性检测结果序号检测项目单位 测试结果Y Pb Pr1输出幅度mV706.1 523.4 527.62幅频特性频率MHZ0.5-5.75 0.5-2.75 0.5-2.75幅度dB-0.26 -0.15 -0.143非线性失真%0.2 0.7 0.64信杂比dB58.5 56.056.15 K系数%0.5 0.20.2 6 时延ns -5.5-4.07 同步幅度mV 298.88 闪电 符合要求9 矢量 符合要求表4：同步系统检测结果：序号检测项目单位检测结果 1色同步幅度mV298.4 2行同步幅度mV295.4 3行消隐脉冲宽度行 25 4行同步脉冲宽度ms 4.74 5行同步脉冲建立时间ns 129 6色同步持续时间ms 2.23 7行同步前沿抖动ns 3 8长时间同步前沿抖动ns 54.2 主观评测结果虚拟场景与人物融合自然，跟踪协调，图像清晰，边缘无明显接缝和干扰，其功能与说明书相符。4.3 信号质量：视频信号质量满足广播级要求支持MPEG-2 4:2:2 I-frame 码率在10到50Mbps之间可调4.4 传感器精度指标 机械电子传感器（标配）： Pan/Tilt 分辨率不低于0.0001度，精度不低于0.0005度； Zoom/Focus 分辨率不低于0.001mm，精度不低于0.001mm； Zoom，Focus：子像素级平滑 参数采集速度1KHz，参数输出速度50Hz； 采集系统总延时：20ms； RS422接口19200 Baud； 超声波活动机位传感器（Intersense） 在6*6米的空间范围内误差不超过1毫米； 采集系统总延时：20ms； RS232接口19200 Baud； Pan/Tilt 分辨率不低于0.0001度，精度不低于0.0005度； Zoom/Focus 分辨率不低于0.001mm，精度不低于0.001mm； 参数采集速度1KHz，参数输出速度50Hz。 8 Bit掩模信号：掩模信号提供主持人与虚拟场景的穿插及前景物体的256级边缘平滑。五. 系统工作原理说明MAGIC SET 3D工作原理图如图所示，虚线框内是MagicSet 3D 系统主机的结构，其中灰色底色的部分为三维场景生成、色键抠像、前后景叠加生成主场景等核心结构。5.1 跟踪传感技术分析虚拟演播室的摄像机跟踪技术是使摄像机和虚拟背景同步运动的关键。它是指获取摄像机在演播室中的实际运动参数即机位参数和镜头参数。其中机位参数包括摄像机的高度和摄像机的地面位置(X、Y、Z轴)；而镜头参数包括摄像机镜头的摇摆(pan)、俯仰(tilt)、变焦(zoom)、聚焦(focus)，及摄像机的旋转（roll），测量这些参数需要各种传感器技术和测量技术。根据摄像机使用的传感器类型和信息合成方式的不同，虚拟演播室的摄像机跟踪技术主要有3种类型：传感器跟踪、图像分析识别和位置探测。跟踪传感技术比较表比较项目传感器跟踪图像分析识别位置探测参数精度非常精确，旋转角度可以达到0.001，移动距离可以达到0.01毫米的精确度，一般，旋转角度在0.01，移动距离在0.5毫米的精确度，一般，旋转角度在0.01，移动距离在1毫米的精确度，数据处理时间短（无须大量的图像处理和数据校正）长（须大量的图像处理）中（须各种数据的相互校正）视频延时少（壹到两帧）多（五到六帧，甚至更多）少（壹到两帧）镜头校准复杂不需要不需要演播室蓝色背景单色，无尺寸限制无须图案可以使用已有背景限制尺寸、结构及图案必须绘制两种蓝色条纹、图案须阴影补偿处理，键质量难以保证单色，无须图案可以使用已有背景无尺寸限制初始位置测量精确测量和数据校正无要求，精确测量和数据校正演员的活动在蓝箱内不受限制演员被限制必须总是保持在图案墙之前，很难舒服地接受虚拟环境演员的活动必须缓慢，这样才不会丢失跟踪信息由于延时演员会感很不舒服在蓝箱内不受限制摄像机的运动镜头参数不受限制，摄像机可自由摇移、俯仰、变焦及聚焦 位置参数可能受基座的限制如移动车、升降架、吊臂等须在限制图案的区域.不能对现场物体进行特写拍摄,摄像机必须观测至少4个网格以保持跟踪必须在传感器的笼罩范围之内，摄像机的操作无限制必须缓慢、稳定地运动限制一定的角度及方向，如俯仰必须稳定地运动，多台摄像机每台摄像机需要一个跟踪器可支持多台摄像机一般只支持一台摄像机对其它厂商的依赖对摄像机和云台等基座厂家比较依赖，不依赖其它厂商不依赖其它厂商辅助技术读条形码法辅助摄像机技术大洋MotionTrack传感系统简介MotionTrack系统是在云台和镜头上加装高精度传感器的方式进行摄像机参数采集，水平及俯仰精度不低于1/1000度，变焦及聚焦精度不低于1/1000毫米，采集速率为2倍场频，保证了系统能够在最短的时间内采集到最高精度的参数，使生成的场景能够精确而运动平滑。能够精确跟踪摄像机云台的摇移、俯仰角度和镜头的变焦、聚焦参数，并且实时地把这四个参数传递给MagicSet 3D主机。MagicSet 3D系统将根据这些参数生成与实际景物相匹配的虚拟场景。以下是MotionTrack的构成：传感器：MotionTrack系统有四组传感器，分别探测镜头的Zoom和Focus两个参数以及云台的Pan和Tilt两个参数。传动耦合机件：这些机件把摄像机镜头或云台的运动传递到传感器，使传感 器随镜头或云台的运动而变化。采集器：进行模数转换处理，采集传感器的输出，同时通过串口把参数传递给主机。5.2 关于MagicSet 3D的渲染引擎（CrystalRay）MagicSet 3D渲染核心CrystalRay是大洋的新一代三维虚拟渲染引擎。它不同于以前二维半的渲染引擎和其他厂家的三维虚拟渲染引擎，其独有的开放式系统构架、4条独立的渲染流水线、硬件加速的纹理映射和光照、强大的视频信号处理能力、全硬件的三维抗锯齿功能、32位带Alpha通道的三维半透明混合叠加运算、全数字视频信号接口，使得MagicSet 3D在三维图形渲染技术方面遥遥领先。卓越的三维渲染性能在三维虚拟演播室中，虚拟场景源数据是由成千上万个顶点和三角形组成的，所有这些三角形应该在两个场中断的时间段内由三维图形渲染芯片渲染完成，当这个渲染芯片渲染能力较强时，就能使用三角形较多、较复杂的三维虚拟场景，否则只能渲染三角形较少、较简单的场景。虚拟场景只有由相当一定数量的三角形组成，才能使场景动画设计师意图较好地表达出来。MagicSet 3D目前采用的加速卡实际支持每场实时渲染6万个三角形、128M纹理贴图、8个光源，完全可以胜任比较复杂的三维场景实时渲染和场景设计师使用。为了拥有更强、更逼真的渲染效果，在三维虚拟场景中，几乎每个三维虚拟物件都有自己的纹理贴图。这就要求3D图形芯片实时处理、吞吐数量巨大的纹理数据，在实际运用中，为了提高纹理数据上载和传输的速度，这些纹理数据都是存储在图形加速卡的纹理内存中，而不是在计算机主板上的系统内存中。MagicSet 3D目前采用2.5ns的128MDDR（Double Data Rate）显存，由于其利用时钟信号上升沿输出8位数据，同时利用时钟信号下讲沿输出8位数据，DDR显存所以在本质上不需要提高内存时钟频率就能成倍地提高数据的传输速度，即无需提高时钟频率，就可以获得比SDRAM高一倍的数据传输率，5.3 关于MagicSet 3D的色键器大洋为贵台招标提供的色键器为世界最专业的色键器厂家美国Ultimatte公司产品：Ultimatte色键器。该产品几乎凝聚了目前色键器技术的所有核心要素，代表了当今色键器产品的最高水准。下面我们就色键技术本身，对该产品做简要的介绍。5.3.1 相关概念深度键深度键不是键技术，它根本是解决主持人与三维虚拟场景的前后遮挡关系，以确定键或非键。目前市场出现的三维实时虚拟演播室产品中，合成图像的真实性主要表现在可以产生一个纵深方向的信息（即Z轴方向的参数值，称为Z值），它不象二维处理时所用的一层技术，是一种基于三维画面的混合技术，称为深度键（depth-key）。使用传统的色键技术，将主持人从蓝色幕布中提取出来的同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器和发出色键的深度值。目前，获得深度键的方法大致有两种：一种靠近似判断的方法得出。它是用近似的方法判断出前景主持人和摄像机的相对距离，并且用这个值作为整个前景的深度值。如果支持人移动，那么这个值也将改变。通过对合成画面上每个像素Z值的计算和实际内容的需要用手控方式解决前景主持人和虚拟背景的相对关系，这种方法实现起来比较容易，缺陷是逼真度差，而且对主持人的要求较高。另一种获得Z值的方法是采用“自动支持人跟踪系统”。它主要是由一个固定在支持人身上的红外发射器和一套安装在演播室墙上的红外接收装置完成。它可以准确定位出主持人的三维位置，自动识别主持人和虚拟背景的相对位置关系。数字色键 数字色键与模拟色键的最大不同在于它可以在数字领域的1千6百万种颜色中任选一种，这1千6百万种颜色得自计算机的32位机器字长，其中有8位专门用于表示每一种颜色的256种明暗（灰度）变化（即下文提到的ALPHA键），另外的24位可以表示为224种（约为1千6百万种）颜色。当然这是由计算机的处理能力得出的，并不代表自然界真实存在的颜色，有和大一部分为非法色。模拟色键抠像时，可以不分级的连续选择无数色作为键出色。通常选择高饱和度的蓝或绿色。高质量的数字色键针对画面的三个分量（T，B-Y。R-Y）的每一路进行处理，并分别产生一个线性键。这种将一个色键分为三个键来处理的方法，可以允许保留更多的图像细节。由于色键处理是针对背景画面的某一种颜色分量进行键出覆盖，因此键信号的质量高低决定了键信号的质量。为了对色度信号做尽可能细的区分，带宽的保证是必不可少的。众所周知，模拟或数字分量的NTSC或PAL指全电视信号的带宽为6MHZ，而在ITU-601数字分量演播室标准内，采用对Y，（R-Y），（B-Y）3个信号分量分别为编码的方式，取样频率为13.5MHZ，取样结构为4：2：2，假如以10bit作为量化比特数，其编码后的总码率R=10*（13.5+6.75+6.75）=270Mbit/s。柔化键在数字键控领域，提到柔化键，一般包括两层含义。一种是针对传统开关切换的硬色键而言的软色键，其键信号波形是与前景图像透明度相关的斜坡形（梯形）喜好，键信号在上升和下降期间有一定的斜率，能够在很大程度上克服硬色键非0即1的缺点，软色键中将用于硬色键的脉冲门控混合电路改成了线性混合电路。还有一层含义是指在一些数字色键处理过程中，为了得到精细逼真的画面效果，而讲处理模块细化，比如Primatte色键处理软件，在处理蓝屏前的物体和背景叠加时，将处理过程细分为背景彩色分量处理、柔化键彩色分量处理（针对前景物体的透明或半透明部分进行）、蓝色溢出彩色分量处理与前景彩色分量处理。四个过程分别进行，然后再合成。此时的柔化键，已经是特指前景物体的透明度所进行的软件运算了。线性键线性键是在柔化键中软色键技术的基础上发展而来的，它借用了计算机图像处理软件中ALPHA通道分层技术的精髓，通过对键信号的分级来均匀的混合前景与北京能够。采用线性键技术合成的图像，可以根据前景图像的透明度线性成比例的透过背景图像，因此也被称为ALPHA键。线性键是具有半透明混合效果的键控特级，其键信号决定合成图像中前景图像（填充信号）后背景图像以什么样的透明度可见，即键信号根据前景图像的透明度而线性的成比例的决定前景信号与背景信号的合成比例或混合程度。线性键在处理前景信号细节边缘或蓝色阴影时，是在整个背景范围内抵消相应的色度，在混合输出时前景的边缘信号被减弱了，保留下的亮度级也被减弱了，这样在加混合输出时，前景的细节就可能变得灰暗与模糊。5.3.2 ULTIMATTE的数字色键处理ULTIMATTE公司是世界公认的蓝/绿屏技术的领导者，具有20多年的开发应用蓝屏合成图像的经验，无论从传统色键设备到先进的数字色键设备，它一直不断提高产品的功能 ，引领着业界的潮流。ULTIMATTE的数字色键处理是在前后景间作混合而非切换，前后景先分别处理，然后再相加产生合成图像，在处理时它不用限制整体信号。早期的键采用的是非相加的混合，在前后景之间做切换，这种方法的局限性就是没办法将透明或半透明的前景物体叠加到背景上，而同时还要透过它看到背景。与传统的色键处理相比，ULTIMATTE的数字色键处理具有以下特点：1 完全相加混合前景与背景，可以再生像透明物体上的倒影那样清晰的效果2 用特有的算法产生遮罩（matte）信号，可以更好的从前景物体中区分出背景。3 用抑制衬底及平抑蓝溢出的特殊算法处理前景的同时，允许在前景上再现蓝色阴影。ULTIMATTE的数字色键处理提供了以下的功能：1全线性的遮挡：用于消除硬边缘，所有在前景图像中的图像虚化、清晰细致的图像、透明度以及影子都将在最后合成中重新生成。2屏幕矫正：用于对不均匀的蓝屏幕、蓝布景，以及污点的调整，保证最后的合成完美无缺。3噪点消除（Grain Killer）对前景中的蓝屏和绿屏中的噪点进行过滤，不影响前景图像。4自动处理：点击任意污染区域，自动的对噪点消除（Grain Killer）控制进行调整。5冗余色块：提供了一个外部生成的冗余色块（garbage matte）。6闪烁抑制：自动消除蓝屏幕闪烁或前景图像溢出，进一步控制过渡的溢出。前景处理ULTIMATTE在处理前景时，不削弱前景，只削弱描绘背衬的蓝色分量，对前景物体的外边缘的处理，ULTIMATTE可以高保真。它采用独特的算法有选择的减去信号级来表现出衬底，而线性键在处理前景时是在衬底所有的色调范围内抵消色度值，在混合时前景被减弱，留下的亮度级也被消减，有时前景物体的蓝色阴影可能变得灰暗。遮罩信号的产生ULTIMATTE色键处理区别与其他色键设备的第二个特点是用来从前景信号产生遮罩信号的特殊算法。ULTIMATTE从前景信号RGB得出遮罩信号的处理较一般色键信号复杂、灵活，ULTIMATTE可以更好的区分衬底与前景信号物体的颜色，操作者可以更多的控制选取生成遮罩信号所用的颜色纯度，也可以比一般色键更好的支持蓝屏前的蓝色与灰色阴影。蓝溢出的抑制ULTIMATTE含有专门用来抑制由衬底溢出的光引起的前景物体的色污染，这是处理前景生成遮罩信号的处理过程的一部分。Ultimatte 400数字色键器介绍Ultimatte 400 是美国Ultimatte公司的色键器产品中的第三代产品。也是其产品系列中最高端的一款。它代表了蓝、绿背景色键技术产品的最高荣誉。Ultimatte公司声称：许多获得艾美奖、奥斯卡奖的电视、电影节目都是用它制作的。它可以很好地做出烟雾、阴影、柔边以及透明、半透明物体的色键效果。除了我们前面介绍的常规色键器功能之外，它还有一些特殊的功能。1）、背景虚化功能：Ultimatte 400独有的背景虚化功能，可以把主持人背后的清晰背景画面虚化，且该功能的实现是靠系统全自动完成的。这样，既可以省去了制作虚拟场景材质贴图、渲染的复杂工序，又能朦胧地表现出背景的设计效果。此外，它还允许用户在虚化的背景中选择除需要精细表现的部分，清晰地表现出来。2）、过曝控制：当场景的灯光分布不均匀时，会给蓝箱墙面的某一个局部留下较亮的光斑。这被称之为“过曝”。色键器在对这些局部抠像时，键的调节很难做，往往会抠得过透。Ultimatte 400具有