【摘要】 本文通過對傳統虛擬圖文包裝（虛擬植入）系統的分析和對目前最新的虛擬圖文包裝系統的技術應用的研究，有針對性的解析了一種全新的應用，在實景演播室拍攝中植入虛擬三維物體和圖文，以“虛”、“實”相結合的、新穎的節目拍攝和制作方式，淺談虛擬技術在演播室不同的包裝效果。
【關鍵詞】 虛擬演播 傳感跟蹤 圖形渲染
近年來，基于IT的圖形渲染技術的迅猛發展，基于GPU+CUP的三維圖形實時渲染技術、演播室攝像機運動及操作動作實時追蹤（傳感跟蹤）技術的演播室環境虛擬化應用取得了驚人的發展速度，并得到了迅速且普遍的發展和應用。這樣以來，各類影視節目圖像的包裝就不僅僅拘泥于通過在線圖文包裝系統以及各類實景大屏的背景包裝，而是通過構建虛擬的三維物件模型及物件設定的動畫動作來三維的具有縱深感的呈現精彩的影視節目內容、實現有效的生動的虛擬廣告植入、欄目演播室環境包裝等等。從而使觀眾直觀的從電視畫面中獲得更多的節目資訊，同時實現觀眾與節目的良好互動。
盡管我們看到的虛擬場景效果可謂美輪美奐，復雜而且逼真，但究其原理卻并不算繁瑣。首先，通過通用的三維創作工具制作好這些虛擬元素，再經過專業虛擬圖形創作軟件加以修飾、完善，通過簡單操作將圖形元素與攝像機畫面追蹤（傳感跟蹤）系統獲取的攝像機畫面運動信息關聯到一起，以保證攝像機運動時，導入的虛擬圖形及物件元素與實景物件保持正確的透視位置關系，這樣一套設備連接非常簡單的系統就可以讓觀眾看到既真實又虛幻的電視節目畫面效果。
虛擬圖文包裝系統的技術實現
一、實時三維模型渲染
實時三維圖形渲染引擎是三維創作軟件的核心，它決定了系統的性能及穩定性，就好比汽車的發動機與汽車的關系一樣，非常關鍵。一個優秀的3D渲染引擎通常包括以下幾個子系統：物件建模、動畫設計光影效果設計、粒子系統、頂點和像素特技、物理特性仿真、碰撞檢測、拾取和編輯、場景優化等。
1. 建模
目前市面上流行的三維建模工具很多，如：3D Studio Max、SoftImage、Maya、Lightwave等，均具備強大的三維建模能力。因此，一個優秀的三維渲染引擎首先要具備廣泛的數據文件接口，如.3ds、.obj、.wrl等，這也是我們迅速完成場景構建的小秘訣。為了得到樹形的3D對象集合，3D模型文件的解析器需要封裝成插件的形式。初期時只有可以僅僅完成限量版的幾種3D模型文件的解析器，隨后能夠不斷以插件形式拓展對多格式文件的支持。同時，三維渲染引擎應該支持對一些簡單幾何圖形的建模支持，如圓、平板、球、錐、柱、正六面體、圓環面等，因為他們造型簡單，易于實現。
2.物件動畫設計和光影效果設計
動畫有很多種，準確的講任意幾何體的任何一種屬性均可以表現為動態變幻的形式，如形體位移動畫、紋理圖形變換動畫、色彩動畫、粒子系統屬性動畫等。就形體位移動畫來說，可以分為骨骼驅動動畫和模型動畫兩類，前者物體的形狀變化取決于其內置的骨骼運動，常用于游戲設計中；而后者則是通過對位置矩陣的改變來實現動畫。
目前市面上的各種三維建模造型軟件均具備較強的動畫設計功能，而我們所設計的三維渲染引擎在導入這些建模軟件輸出的模型時必須要支持它們所創作的動畫屬性的導入。同時，三維渲染引擎本身也應該具備相當豐富的基于關鍵幀的動畫設計手段以及軌跡設計功能，從而有效滿足特體空間運動動畫和屬性動畫的創作需求。
光影效果變換現在基本上都可以通過硬件加速來實現，而三維渲染引擎可以實現傳統光照效果基礎上，還可以實現實時影子、增強的高光等效果，通過GPU編程也可以實現想要達到的光影效果，當然犧牲一點渲染效率是不可避免的。
3.圖形系統軟件接口
目前比較流行的圖形系統軟件接口標準有兩個：即:OpenGL和Direct3D，這兩個標準被業內主流的圖形加速卡廠家提供的驅動程序廣泛支持，使用面非常的廣泛。其中OpenGL是三維渲染工業標準之一，它只致力于渲染本身，同時提供了數百個API驅動加速卡，國際上高端的三維渲染引擎基本都是基于OpenGL標準開發的。而Direct3D是由許多類庫來實現渲染，它是由美國微軟公司參考OpenGL思想設計的，為了方便用戶實現和游戲開發應用，微軟公司提供了豐富的用戶接口類，這個與OpenGL標準大不相同。與OpenGL標準相比較，Direct3D為操作3D加速卡提供更好的模塊封裝工作，但是也一定程度上限制了對加速卡渲染能力的充分發揮，而且只有在Direct3D有針對性升級之后，新一代加速卡的高級功能才能使用，而OpenGL則可以通過擴展的方式，很快就可以利用上硬件新的特性。目前，三維圖形渲染引擎可以基于以上任意一種圖形軟件接口標準均可以相當好的完成三維圖形的實時渲染，滿足演播室的應用需求。
二、攝像機畫面追蹤（傳感跟蹤）技術
為了模擬人物所在的三維環境，系統配置的高性能圖形工作站必須根據攝像機在取景拍攝過程中的水平、俯仰、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS、平移X、縱移Y等參數的變化，不斷調整三維視圖，從而實現依據攝像機所拍攝圖像視野與視角的改變，產生正確的位置透視關系。而攝像機跟蹤系統的作用正是獲取攝像機的位置信息和運動數據，實時的跟蹤真實攝像機，以保證攝像機前景畫面與高性能的圖形工作站所提供的三維圖文畫面同步“聯動”。
在虛擬圖文包裝系統中，目前國內外廠商基本都是采用機電傳感的跟蹤方式，機械轉電信號傳感跟蹤的方式穩定性好，延時小。機械轉電信號傳感跟蹤方式也支持大型的移動式“機器人”，搖臂以及固定機位等。
機械傳感跟蹤系統是用來采集攝像機的透視數據及位置信息，并將其轉化為電信號，它們通常會被安裝在基座或者三角架上面。為捕捉攝像機鏡頭的運動狀態參數，通常情況下需要在攝像機的鏡頭上安裝附加裝置，如：俯仰、平搖、變焦、聚焦的運動狀態傳感器（如圖2）。加裝的這個附加裝置包含：被稱作鏡頭運動參數編碼器的傳感器和有關電子裝置，這種編碼器是通過精確旋轉進行高精度的編碼，以更加高效準確的方式實現攝像機各種動作的全紀錄。鏡頭編碼器通過鏡頭上變焦環和聚焦環的齒輪與托架緊密咬合實現精確編碼。當聚焦環或者變焦環發生位置的變化時，鏡頭編碼器就能夠檢測出上、下、左、右擺動的細微角度并將其編碼轉化為電信號輸出。同時，安裝在云臺上的俯仰和平搖傳感器可以感知云臺的變化并將其編碼輸出，產生的跟蹤編碼數據通過串行接口傳送給圖形渲染工作站。
（圖2）
目前，日本SHOTOKU、英國VINTEN等攝像機三腳架、云臺設備供應商均已推出基于遙控云臺的攝像機傳感跟蹤系統，對于攝像機運動參數，遙控云臺在控制攝像機運動的同時，將這些運動數據參數精確的發送給圖形渲染工作站，如：虛擬渲染工作站等，使得虛擬演播系統應用時的跟蹤精度有了很大的提升。
虛擬圖文包裝（虛擬植入）系統的欄目應用
廣播電視行業近年來的發展勢頭迅猛，各大電視媒體之間的資源競爭策略不斷深化，同時繼續影響各個電視節目收視份額，全國電視內容市場競爭進一步凸顯強者愈強、弱者愈弱的態勢。在各種電視臺節目同質化越來越嚴重的今天，如何提高自身的收視率，如何規避風險，如何更有效的提高節目的品質，這是擺在各個電視臺、制片人，導演們面前的重要問題。
電視節目的包裝對于電視臺節目的形象起著至關重要的作用,極富震撼力的畫面和音效能第一時間吸引觀眾的注意。因此,各電視臺對節目包裝的重視程度越來越高,投入也越來越大,制作水平也有了大幅提高。要想使制作出來的畫面、文字及音樂引起觀眾的注意，激發觀眾的興趣，節目前期的創意是非常關鍵的。單就節目包裝來說,創意是指藝術表現的創作與構思。這個過程既要準確傳播信息,又要使主題成為觀眾最易接受、最受感染和最能記憶的,然而它又不象純藝術創作那樣“信馬由韁”,它必定會受到一些因素的制約；如欄目的個性化、頻道的專業化、節目的定位等等,正因如此多的限制,使節目的包裝創意工作充滿了挑戰性。賞心悅目的畫面包裝效果，新技術的應用，不僅能大大提高了節目本身的視覺效果，也能給電視觀眾帶來極大的視覺震撼力，節目本身以及一些包裝技術的視覺效果能迅速的成為業內以及觀眾的熱點話題，這無疑是提升節目收視率的有力保證。
1、專題節目的包裝
專題節目包裝講求將專題內容盡可能全面深入的傳達給電視觀眾，而虛擬植入無疑可以將內容采用可視化、三維化的方式進行呈現。例如近兩年浙江衛視的<<直播錢江潮>>欄目，通過虛擬植入直觀的將錢江大潮恢宏氣勢直接的呈現在觀眾面前，通過對多個觀潮點三維地理位置的分析詳細展現大潮的壯美，并通過三維動畫效果解析錢江大潮的成因。全方位、多角度、立體化將這檔專題欄目呈現出來。
2．氣象播報欄目應用
在氣象欄目播報欄目中融入虛擬植入方式，可以給觀眾帶來了全新的視聽沖擊。無論刮風下雨還是霧霾冰雪都可以通過粒子效果呈現出來。這樣的視覺沖擊力，會讓觀眾對天氣預報內容記憶猶新。
3．新聞欄目應用
新聞類欄目播報采用虛擬植入的也越來越多，比如一些突發的新聞事件，記者在沒有第一時間抵達事件現場或在海外的一些新聞播報中，可以通過三維虛擬演播技術還原新聞事件，對于強化新聞播報的時效性和新聞播報的延展性顯得尤為重要。
4．大型綜藝欄目應用
大型的綜藝欄目已經使虛擬植入在電視欄目制作的應用達到了新的高度，例如2013年CCTV春節聯歡晚會、CCTV的“中秋歌會“、前兩年湖南衛視的<<超級女聲>>……。虛擬植入使得大型綜藝舞臺更絢麗，舞美布景顯得更有層次，舞臺效果和舞臺藝術表現力也更生動。
5．體育賽事欄目應用
面前，各類體育賽事轉播中也廣泛應用到虛擬植入技術。不論是跳水、體操比賽的虛擬三維動作解析，還是游泳比賽、田徑比賽運動員所屬代表隊、各項紀錄的同步時間線都很直接的幫助觀眾更清晰的獲得賽事信息。
結束語
廣播電視技術不斷發展的今天，虛擬技術在節目的制作中所占的比例已經越來越重，虛擬演播技術已經得到了廣泛的應用。隨著虛擬演播室成本的不斷降低，技術的日臻完善，更多的用戶會選擇虛擬演播技術來完成各種類型的節目錄制和包裝。在不斷的摸索和實踐中，創作出越來越多內容殷實，形式和表現新穎的節目，帶給電視觀眾更好的視覺體驗與精彩！