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虛擬演播室系統設計方案

虛擬演播室系統是以視頻流的軟件圖像處理為主,軟硬件結合,涉及電子、機械、計算機、圖像處理、光學、控制算法等眾多領域的一種復雜系統,有很多硬件設備可以選用,也有很多設計方案可以采納,不同的設計方案會出現不同的效果,因此如何選用一種最為經濟實用、高效、功能強大、被用戶接受的方案是設計者的首要任務。

研發團隊憑借著開發廣電行業數字化視頻產品的豐富經驗和對圖像處理多年的技術積累,再加上對數字化虛擬演播室系統的長達近九年的持續不斷的開發研究,所研制的D-BOX系列真三維虛擬演播室系統是目前世界上渲染能力最強的虛擬演播室,是國內首家具有廣播級圖像輸出的真三維虛擬演播室。系統具有三維空間、三維模型和三維跟蹤,廣播級圖像輸出,可同時實時渲染數十萬個三角面片、兩百多兆紋理貼圖、八盞全部類型的燈光及指數型光照模型、多路活動視頻,因此可以實現大場景、精細化、色彩豐富、任意組合的虛擬光效及特技效果的虛擬場景,系統穩定性強,建模人員可以無所顧及的以任意復雜度逼真建模。系統的功能極為強大,四視圖軌跡編輯,基于時軌的播出控制,任意虛擬物體、虛擬燈光、特技效果均可按場頻進行任意運動、旋轉和縮放,而且它們的屬性也都可以實時調整。系統具有世界上最好的跟蹤系統,具有瞬間初始化定位,無需任何測量、穩定好、抗干擾能力強、精度高、頻響快等特點。

數字化三維虛擬演播室系統需要研究與開發的內容主要包括:

a、 系統總體設計方案的確定

系統總體方案的設計包括多個方面:

(a)、系統總體結構圖的設計。對于每種產品,系統的總體結構圖都有多個方案可以采納,每種方案都有各自的特點,有的方案僅能實現部分功能,有的方案需要高昂的系統硬件成本,因此,結合實際需求,選取性能/價格比最高的總體結構圖是整個系統搭建的基礎。設計過程中還要充分考慮系統的便于升級的特點。

(b)、系統總體硬件的搭配選取?;谙到y的總體結構圖選取相對應的硬件設備,應考慮硬件的功能特點、成本、適用范圍等,使得系統的內部硬件傳輸圖像信號無損,對外接口具有良好的兼容性,考慮同各種模擬、數字標清、數字高清以及制式等視頻的兼容性。

(c)、系統總控界面的設計及同各部分的控制接口。系統包含多種硬件設備,其中很多都是需要軟件控制的。我們采用CS結構設計,使得系統的總體控制全部集中在控制機上,因此控制機界面非常復雜,需要根據系統的操作流程和用戶習慣對界面進行分層布局設計,讓界面顯得功能強大、層次清晰又便于操作。同時設計控制機和其它設備的遠程控制,根據對實時性、穩定性等不同要求設計傳輸的方式、優先等級。

(d)、系統的總體加工工藝流程設計。系統有很多硬件部分需要加工生產,因此需要考慮機械設計的精度、成本、工藝的合理性等眾多因素。

b、 系統的各個功能模塊的研究開發

(a)、素材庫模塊。素材庫模塊開發要考慮整個系統的共性,分層開發,便于管理和檢索,區分對三維模型和紋理的管理,能夠讀去盡可能多通用模型、動畫文件及各種特效模式。

(b)、編輯模塊。采用通用四視圖模塊以便于對三維虛擬物體的運動軌跡、運動屬性、關鍵幀、出點/入點等特性進行編輯。

(c)、播出模塊。采用非編系統流行的基于時軌編輯播出的模式,在時間線上可以添加、刪除、拖動、合并各種事件,可以編輯事件的播出屬性及播出模式。

(d)、跟蹤模塊。采集攝像機的平移、旋轉和變焦全部的七個參數,要求高精度、高速度采集,并完成瞬間初始化定位。

(e)、外設備控制模塊。由主控機通過網線或串口控制切換器、色鍵器、數據采集卡、分頻器等外部設備,需要考慮各模塊的優先級、實時性和同步性等特點。

(f)、色鍵器模塊。通過調節色鍵器的參數完成系統的摳像和合成效果以及真實物體和虛擬物體的穿越遮擋。

(g)、三維渲染模塊?;贠penGL和Direct3D開發自主產權的三維渲染引擎,從而可以根據實際需求有選擇的突出某些功能特點,同時結合顯卡的特性,采用顯卡編程技術,實現更復雜、更新穎的三維特技。

(h)、三維特技模塊?;谌S引擎技術,采用粒子系統和三維特效技術,在場景中可以加入豐富的三維特效,并能夠采用所見即所得的方式實時編輯、調節三維特效的播放屬性和運動軌跡。

c、系統功能模塊的時序圖及優先級排列。

數字化虛擬演播室系統的一個突出特點為視頻圖像實時生成,通常用作電視節目的實時生成,這就要求系統全部的功能特點都是以場頻為單位的,在一場(20ms)的時間內系統必須完成諸如外設備控制、跟蹤采集、攝像機定位、外視頻采集以及虛擬物體、虛擬場景、虛擬燈光、三維特技、虛擬大屏幕的三維圖像渲染等全部功能,對實時性要求很高。因此,需要對全部功能模塊的執行時間、執行順序、優先等級進行嚴格分析,精確排序,并采用多線程、多進程、指定CPU渲染、開設緩沖區、設定線程優先級等方法進行處理。


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