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虚拟演播室系统设计方案

虚拟演播室系统是以视频流的软件图像处理为主,软硬件结合,涉及电子、机械、计算机、图像处理、光学、控制算法等众多领域的一种复杂系统,有很多硬件设备可以选用,也有很多设计方案可以采纳,不同的设计方案会出现不同的效果,因此如何选用一种最为经济实用、高效、功能强大、被用户接受的方案是设计者的首要任务。

研发团队凭借着开发广电行业数字化视频产品的丰富经验和对图像处理多年的技术积累,再加上对数字化虚拟演播室系统的长达近九年的持续不断的开发研究,所研制的D-BOX系列真三维虚拟演播室系统是目前世界上渲染能力最强的虚拟演播室,是国内首家具有广播级图像输出的真三维虚拟演播室。系统具有三维空间、三维模型和三维跟踪,广播级图像输出,可同时实时渲染数十万个三角面片、两百多兆纹理贴图、八盏全部类型的灯光及指数型光照模型、多路活动视频,因此可以实现大场景、精细化、色彩丰富、任意组合的虚拟光效及特技效果的虚拟场景,系统稳定性强,建模人员可以无所顾及的以任意复杂度逼真建模。系统的功能极为强大,四视图轨迹编辑,基于时轨的播出控制,任意虚拟物体、虚拟灯光、特技效果均可按场频进行任意运动、旋转和缩放,而且它们的属性也都可以实时调整。系统具有世界上最好的跟踪系统,具有瞬间初始化定位,无需任何测量、稳定好、抗干扰能力强、精度高、频响快等特点。

数字化三维虚拟演播室系统需要研究与开发的内容主要包括:

a、 系统总体设计方案的确定

系统总体方案的设计包括多个方面:

(a)、系统总体结构图的设计。对于每种产品,系统的总体结构图都有多个方案可以采纳,每种方案都有各自的特点,有的方案仅能实现部分功能,有的方案需要高昂的系统硬件成本,因此,结合实际需求,选取性能/价格比最高的总体结构图是整个系统搭建的基础。设计过程中还要充分考虑系统的便于升级的特点。

(b)、系统总体硬件的搭配选取。基于系统的总体结构图选取相对应的硬件设备,应考虑硬件的功能特点、成本、适用范围等,使得系统的内部硬件传输图像信号无损,对外接口具有良好的兼容性,考虑同各种模拟、数字标清、数字高清以及制式等视频的兼容性。

(c)、系统总控界面的设计及同各部分的控制接口。系统包含多种硬件设备,其中很多都是需要软件控制的。我们采用CS结构设计,使得系统的总体控制全部集中在控制机上,因此控制机界面非常复杂,需要根据系统的操作流程和用户习惯对界面进行分层布局设计,让界面显得功能强大、层次清晰又便于操作。同时设计控制机和其它设备的远程控制,根据对实时性、稳定性等不同要求设计传输的方式、优先等级。

(d)、系统的总体加工工艺流程设计。系统有很多硬件部分需要加工生产,因此需要考虑机械设计的精度、成本、工艺的合理性等众多因素。

b、 系统的各个功能模块的研究开发

(a)、素材库模块。素材库模块开发要考虑整个系统的共性,分层开发,便于管理和检索,区分对三维模型和纹理的管理,能够读去尽可能多通用模型、动画文件及各种特效模式。

(b)、编辑模块。采用通用四视图模块以便于对三维虚拟物体的运动轨迹、运动属性、关键帧、出点/入点等特性进行编辑。

(c)、播出模块。采用非编系统流行的基于时轨编辑播出的模式,在时间线上可以添加、删除、拖动、合并各种事件,可以编辑事件的播出属性及播出模式。

(d)、跟踪模块。采集摄像机的平移、旋转和变焦全部的七个参数,要求高精度、高速度采集,并完成瞬间初始化定位。

(e)、外设备控制模块。由主控机通过网线或串口控制切换器、色键器、数据采集卡、分频器等外部设备,需要考虑各模块的优先级、实时性和同步性等特点。

(f)、色键器模块。通过调节色键器的参数完成系统的抠像和合成效果以及真实物体和虚拟物体的穿越遮挡。

(g)、三维渲染模块。基于OpenGL和Direct3D开发自主产权的三维渲染引擎,从而可以根据实际需求有选择的突出某些功能特点,同时结合显卡的特性,采用显卡编程技术,实现更复杂、更新颖的三维特技。

(h)、三维特技模块。基于三维引擎技术,采用粒子系统和三维特效技术,在场景中可以加入丰富的三维特效,并能够采用所见即所得的方式实时编辑、调节三维特效的播放属性和运动轨迹。

c、系统功能模块的时序图及优先级排列。

数字化虚拟演播室系统的一个突出特点为视频图像实时生成,通常用作电视节目的实时生成,这就要求系统全部的功能特点都是以场频为单位的,在一场(20ms)的时间内系统必须完成诸如外设备控制、跟踪采集、摄像机定位、外视频采集以及虚拟物体、虚拟场景、虚拟灯光、三维特技、虚拟大屏幕的三维图像渲染等全部功能,对实时性要求很高。因此,需要对全部功能模块的执行时间、执行顺序、优先等级进行严格分析,精确排序,并采用多线程、多进程、指定CPU渲染、开设缓冲区、设定线程优先级等方法进行处理。


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