Mariana.5D 虛擬演播室系統技術在氣象影視節目中的應用

胡潤虎 李超紅 張澍舟

（作者單位：甘肅省氣象服務中心）

1 Mariana.5D 虛擬演播室系統技術的概述

Mariana.5D 虛擬演播室系統技術是以圖形、圖像、視頻、控制、傳感、機械、電子、光學、多媒體、計算機等應用學科為基礎，以視頻與圖形圖像處理為主，軟硬件結合的應用與創作平臺。Mariana.5D 虛擬演播室系統技術包括攝像機跟蹤技術，三維虛擬場景設計與搭建、綠箱技術、燈光布光技術以及色鍵的摳像技術。

2 攝像機跟蹤技術工作原理

Mariana.5D 虛擬演播室系統攝像機跟蹤技術，通過加裝了傳感器的云平臺，獲取攝像機的位置、高度、搖移、俯仰信息，在機頭上加裝傳感器，瞬間自動確定攝像機的聚焦和變焦信息。Mariana.5D 虛擬演播室系統采用自主研發的智能識別分析算法，真正實現快速高精度初始化定位。采用精確的圖形處理和擬合算法，可以精確計算攝像機的俯仰、平搖和變焦的變化，實時生成相對應的虛擬場景，具有處理速度快，精準度高等優點；也可以采用虛擬攝像機（不加傳感）進行定位，虛擬攝像機移動或者主持人移動，不需要使用傳感器做任何測量，根據實際情況進行調整使用。

3 三維虛擬場景設計與搭建

Mariana.5D 虛擬演播室系統是在計算機三維軟件里面創建的虛擬場景，攝像機能夠在場景里面自由運動，可以實時讀取3D max設計好的場景模型，利用三維軟件多邊形建模的形式，采用少量多邊形建模，有規則的幾何體根據實際需求進行修改，達到所需要的三維模型和氣象圖形圖像。采用紋理緩存、渲染狀態緩存、GPU編程等一系列手段，充分發揮了高端圖形加速卡GPU可編程渲染管線特性，可以同時實時渲染幾百萬個三維模型面片、200M的三維紋理貼圖、多路的視頻開窗；因此，使得大的場景、更加精細，實現任意組合的虛擬特效和虛擬場景。

Mariana.5D 虛擬演播室系統采用開放式的整體架構和開放式的軟件結構，整個系統包括場景模板設計器、渲染器和播出控制器，真正實現了“制作”“渲染”“播出”分離更穩定、更安全、高質量的工作模式。Mariana.5D虛擬演播室系統突破原有虛擬演播室所受到的渲染能力和效果限制，在場景渲染效果上實現了質的飛躍。

4 綠箱技術

Mariana.5D 虛擬演播室中的攝像機所拍攝的是以綠色為背景的主持人畫面，全部綠色區域將被合成到計算機三維軟件生成的虛擬場景中。綠箱是由綠墻和綠色的地面組合的綠色區域，該區域沒有實際的物理尺寸限制，并且天氣預報節目一般只有一個主持人在虛擬場景中活動，一般不需要太大的綠箱。但是，正面臨近的墻角應大于90°，這樣布光就更容易一點，且墻壁之間不會有相互反射。

5 Mariana.5D 虛擬演播室的燈光技術

虛擬演播室燈光結合室內的高度和錄制節目的性質，采用整體格柵燈架式吊掛方式，傳統三點式布光和新型LED光源環形布光相結合方式。二者結合使用使人物更具立體感，形象更加生動活潑。所有燈光可前后左右小范圍挪動，LED燈具的布光能夠滿足虛擬摳像技術的需求。根據房間高度，每臺燈配備上一副恒力鉸鏈吊桿，可上下移動，使調光更靈活方便，達到立體布光的效果，以保障整個畫面的清晰度。

6 Mariana.5D 虛擬演播室系統的色鍵摳像技術

Mariana.5D 虛擬演播室系統采用外置獨立數字色建器，可以獨立運行，不依賴圖形工作站，產生自然的邊緣，實現自然過渡；同時，對陰影、頭發、物體邊緣和透明體的色鍵處理，使合成效果更加自然疊加。

7 Mariana.5D 虛擬演播室系統技術的應用

甘肅省氣象服務中心的研發團隊憑借開發氣象影視節目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Mariana.5D虛擬演播室系統長達近2年持續不斷的探索應用，所制作虛擬演播室系統是目前全國氣象行業渲染能力較強、實用功能較多的虛

（）（）擬演播室產品。

Mariana.5D虛擬演播室系統相對于氣象影視節目演播室有很大的技術優勢。首先，虛擬演播室可以服務于多個不同的天氣預報節目。虛擬演播室“虛擬”的特點決定了演播室場景可以很方便地進行更換，方便到只需打開另外一個場景文件。不同的天氣預報節目使用不同的風格的虛擬場景，多個節目公用同一個演播室，很大程度上提高了演播室使用率。

Mariana.5D虛擬演播室系統的場景制作和更換非常方便，也為節目改版更換面孔創造了有利條件。重新制作一個場景文件，在系統里進行場景更換即可完成，現有的三維制作軟件為創作者提供了更廣闊的創作空間，傳統場景制作中難以實現的動畫效果，在虛擬演播室系統中用圖形工作站輕松制作完成。

虛擬演播室系統是由數字化錄制，包括演播室綠箱和燈光聲學裝修，采集、編輯、播出系統等組成，是提供拍攝、制作各種電視節目錄制，并具有現場直播、錄播、轉播、轉錄等多種功能。Mariana.5D虛擬演播室系統構成復雜，可以選用的硬件設備較多，設計方案也可以靈活多樣。然而，不同的設計方案、不同的硬件配置開發出的系統視頻質量、功能特點、可靠性與實用性也不盡相同。因此，可根據不同節目的各自需求，開發出不同需求的Mariana.5D虛擬演播室產品，以供在不同氣象影視節目中廣泛應用。