虛擬系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)中的創(chuàng)新發(fā)明

廖欣葉

（湖南廣播電視臺(tái)，湖南 長(zhǎng)沙 410003）

虛擬技術(shù)在媒體行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍，從演播室的新聞、軍事、訪談等節(jié)目到戶外的大型晚會(huì)、體育賽事等，虛擬技術(shù)的加入，豐富了節(jié)目的展示效果，為觀眾提供了真實(shí)場(chǎng)景中沒(méi)有的信息內(nèi)容和藝術(shù)感觀。

相對(duì)于視音頻系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)以及周邊配置并沒(méi)有足夠成熟化、豐富化。系統(tǒng)的集成、設(shè)備的升級(jí)開發(fā)也在一次次使用中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。此次發(fā)明改進(jìn)了虛擬傳感跟蹤數(shù)據(jù)盒，盡可能做到無(wú)線化裝配使用，并且不僅限于某一個(gè)品牌或設(shè)備，可適用于國(guó)內(nèi)大部分使用的攝像機(jī)、云臺(tái)腳架以及虛擬系統(tǒng)，不論虛擬演播室還是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬植入均可獲益。

1 現(xiàn)有虛擬系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)

湖南臺(tái)使用虛擬系統(tǒng)已有十多年經(jīng)驗(yàn)，不同品牌的虛擬系統(tǒng)，不論國(guó)內(nèi)國(guó)外產(chǎn)品；不同的使用環(huán)境，不論室內(nèi)演播室虛擬背景還是戶外虛擬植入，都嘗試引入虛擬效果創(chuàng)新豐富節(jié)目。根據(jù)虛擬系統(tǒng)的使用情況，其工作原理可通用模塊化表示，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作模塊圖

根據(jù)模塊圖，工作流程如下：攝像機(jī)拍攝前景，通過(guò)光纜傳回轉(zhuǎn)播系統(tǒng)，同時(shí)，通過(guò)在攝像機(jī)和云臺(tái)上加裝的傳感跟蹤設(shè)備，將攝像機(jī)鏡頭的推拉（Zoom）、聚焦（Focus），云臺(tái)腳架的俯仰（Tilt）、搖移（Pan）、旋轉(zhuǎn)（Roll），以及攝像機(jī)位置（X，Y，Z）數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)盒，通過(guò)數(shù)據(jù)盒的串口由長(zhǎng)數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳回虛擬渲染端，虛擬渲染端通過(guò)解碼數(shù)據(jù)，使三維虛擬場(chǎng)景根據(jù)攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)變化，最后將合成信號(hào)傳輸給轉(zhuǎn)播系統(tǒng)，供節(jié)目播出預(yù)覽、切換。

2 現(xiàn)有虛擬系統(tǒng)使用中的技術(shù)問(wèn)題

1）針對(duì)大型演唱會(huì)或者戶外賽事等節(jié)目，根據(jù)不同的環(huán)境，不同節(jié)目需求，拍攝端與轉(zhuǎn)播輸出端的距離一般較大，室內(nèi)節(jié)目一般在幾十米到百米左右，戶外節(jié)目一般在幾百米到上千米。為了采集拍攝端的傳感跟蹤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)盒一般附屬在拍攝端，通常是架設(shè)在攝像機(jī)云臺(tái)腳架上。而為了播出控制操作，虛擬渲染端一般集成在轉(zhuǎn)播輸出端或者附近，這就意味著數(shù)據(jù)盒和虛擬渲染端之間的距離和拍攝端到轉(zhuǎn)播輸出端的距離一樣。保證視頻信號(hào)，尤其是現(xiàn)在的高清信號(hào)傳輸穩(wěn)定，成熟解決方案是采用光纖傳輸；而虛擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)線一般采用網(wǎng)線，或者銅纜RS-422數(shù)據(jù)線，信號(hào)一般在300 m之外易衰減，距離過(guò)長(zhǎng)，容易導(dǎo)致信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)。就算在信號(hào)有效范圍內(nèi)，對(duì)于戶外節(jié)目，每次放置幾百米的數(shù)據(jù)線造成很大麻煩外，距離當(dāng)中線材的磨損也不可避免，尤其針對(duì)汽車?yán)愡@種環(huán)境極其復(fù)雜的節(jié)目，數(shù)據(jù)線磨斷或者被泥水泡壞幾乎是必然結(jié)果，只有通過(guò)備用幾倍量的線材才能保證節(jié)目中的虛擬實(shí)施。此問(wèn)題對(duì)于演播室內(nèi)同樣存在，演播廳一般將數(shù)據(jù)線預(yù)埋進(jìn)地板或者天花板，中間一旦發(fā)生意外斷開，比如老鼠咬斷等事故，還需要注意故障排查，并面臨著重新布線的工程。

2）附屬在拍攝端的數(shù)據(jù)盒，一般需要單獨(dú)提供電源。室內(nèi)節(jié)目可以通過(guò)插線板解決，對(duì)于戶外節(jié)目，通常需要額外布設(shè)電源線，或者隨拍攝端攜帶移動(dòng)發(fā)電機(jī)。某些情況，由于數(shù)據(jù)盒供電和拍攝端供電不同源，其間電位差過(guò)大，數(shù)據(jù)盒跟攝像機(jī)相連接的部分會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī)敏感元件燒壞。

3 經(jīng)驗(yàn)中的發(fā)明改進(jìn)

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)大部分使用的攝像機(jī)（Sony，Ikegami，Panasonic等）和云臺(tái)腳架（Vinten，Shotoku等）的研究測(cè)試，找到可以省去數(shù)據(jù)盒的所有外接長(zhǎng)線材的方法，并且自制編碼轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)盒接口，不論室內(nèi)還是戶外節(jié)目，虛擬系統(tǒng)的使用，都不用再布設(shè)幾百米的數(shù)據(jù)線，同時(shí)不用額外供電，使數(shù)據(jù)采集傳輸更加簡(jiǎn)便、穩(wěn)定。

改進(jìn)后的虛擬系統(tǒng)工作模塊如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后系統(tǒng)工作模塊圖

1）此改進(jìn)技術(shù)是將虛擬系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)傳輸加載于已有的成熟穩(wěn)定的視頻光纜。首先找到攝像機(jī)相應(yīng)可傳輸接口，破解光纖傳輸422數(shù)據(jù)協(xié)議，匹配虛擬渲染系統(tǒng)原有數(shù)據(jù)協(xié)議，制作一套短線（2 m以內(nèi)）將數(shù)據(jù)盒采集的所有跟蹤傳感數(shù)據(jù)，通過(guò)攝像機(jī)接口編碼傳輸給轉(zhuǎn)播輸出端的基站，再?gòu)幕窘獯a傳輸給虛擬渲染端。針對(duì)不同品牌攝像機(jī)，對(duì)應(yīng)不同品牌虛擬系統(tǒng)，制作相對(duì)應(yīng)匹配的數(shù)據(jù)線，并且已申請(qǐng)獲專利，專利號(hào)：ZL201520103110.0。

2）從攝像機(jī)取電。通過(guò)設(shè)計(jì)制作轉(zhuǎn)壓模塊，模塊大小約為20 mm×50 mm，將攝像機(jī)輸出電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，并且引入排插接口，直接接入數(shù)據(jù)盒芯片供電模塊，達(dá)到數(shù)據(jù)盒工作要求，保證數(shù)據(jù)盒穩(wěn)定工作。針對(duì)此電源模塊改造，某些品牌數(shù)據(jù)盒可以改進(jìn)為原有尺寸的一半。更小巧輕便，易于攜帶安裝。

通過(guò)此項(xiàng)發(fā)明改進(jìn)，不論室內(nèi)演播室節(jié)目還是戶外賽事、演唱會(huì)等節(jié)目，在搭建虛擬系統(tǒng)時(shí)，只需將數(shù)據(jù)盒架裝到拍攝端的云臺(tái)上，由短線接入攝像機(jī)，之后在轉(zhuǎn)播輸出端以短線接給虛擬渲染端，不但大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)搭建流程，并且可以更緊密地集成于轉(zhuǎn)播系統(tǒng)，只要視頻轉(zhuǎn)播系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境下，虛擬系統(tǒng)不會(huì)再受距離和電位的影響，不但系統(tǒng)穩(wěn)定性有了更高的保障，系統(tǒng)的便攜性和靈活性也將使虛擬系統(tǒng)的使用范圍得到擴(kuò)充。

4 具體實(shí)施案例

經(jīng)研發(fā)、測(cè)試到制作成品，此發(fā)明在湖南廣播電視臺(tái)大型直播晚會(huì)上得到首次應(yīng)用，實(shí)施效果圖如圖3所示。

圖3 實(shí)施效果圖

2014至2015湖南衛(wèi)視跨年演唱會(huì)，在廣州國(guó)際體育演藝中心舉辦，場(chǎng)館總建筑面積120 000 m2，其中觀眾席最遠(yuǎn)端放置的攝像機(jī)位，距離轉(zhuǎn)播車走線距離大于200 m。湖南衛(wèi)視在此場(chǎng)館已經(jīng)舉辦過(guò)3次跨年演唱會(huì)，與往年不同的是，此次虛擬系統(tǒng)沒(méi)有布設(shè)300 m的數(shù)據(jù)線到最遠(yuǎn)的攝像機(jī)位，而是采用本發(fā)明制作的1根2 m的短數(shù)據(jù)線，從Sony1580 R系列的攝像機(jī)連接到Vinten云臺(tái)腳架上的數(shù)據(jù)盒RS-422端口，另一方面，從轉(zhuǎn)播車上通過(guò)1根20 m的數(shù)據(jù)線，從攝像機(jī)CCU基站連接到虛擬渲染器DB9串口上。攝像機(jī)一開機(jī)，數(shù)據(jù)即通，安全穩(wěn)定。在3天的舞臺(tái)施工以及7天的直播準(zhǔn)備中，沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，圓滿順利完成直播任務(wù)，并且，沒(méi)有花費(fèi)人力物力收線放線，大大提高了效率，也方便了與其他部門對(duì)接的環(huán)節(jié)。通過(guò)制作線序不同的數(shù)據(jù)線，同樣適用于湖南衛(wèi)視全跟蹤Shotoku搖臂機(jī)位。

虛擬系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展還有很大空間，每一次使用，每一點(diǎn)積累，都可以促進(jìn)技術(shù)的開發(fā)和升級(jí)，與各行業(yè)各領(lǐng)域分享經(jīng)驗(yàn)，希望學(xué)習(xí)到更多電視技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，將虛擬技術(shù)推向更集成化、專業(yè)化的道路。

[1] 張曉輝.虛擬演播室系統(tǒng)分析[J].新聞愛(ài)好者，1999（S3）：91-92.

[2] 宋金龍.虛擬演播室技術(shù)在電視節(jié)目制作中的應(yīng)用[J].電視字幕特技與動(dòng)畫，2001（8）：54-55.

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