虛擬演播室系統設備的分析與比較

虛擬演播室系統設備的分析與比較

虛擬演播室系統設備的分析與比較

《世界廣播電視》2001年9期發表

    目前,許多廠家致力于虛擬演播室技術的開發與研究，并在把產品推向市場的同時，不斷的改進與完善。面對市場上繁多的各種產品類別，本文力求站在專業用戶的角度，對面臨的選擇做一個理性的思考。以下通過對VI[Z]SET公司的IBIS虛擬演播室系統和國內一些廠家的產品，在虛擬演播室系統的三個關鍵性環節系統主機部分、跟蹤部分和色鍵部分的比較，對虛擬演播室系統的設備進行分析。

一、 系統主機部分

     在虛擬演播室系統中，系統的硬件平臺應該為軟件運行提供強有力的保證。衡量的標準關鍵在于它的實時計算能力，繪圖能力和視頻處理能力。IBIS虛擬演播室系統采用SGI公司的O2圖形工作站，而目前國內的幾乎所有的公司都采用NT基PC作為虛擬演播室系統的主機。兩者之間的內部機理有何不同呢？現分析如下：

(1) 體系結構

     PC工作站利用系統總線連接PC的各個子系統和獨立的本地緩存（包括幀存、紋理內存、Z緩存或圖像存儲）。即在整個存儲結構制造了許多獨立的數據區，這些數據區可以通過總線連接。在這種結構中，Microsoft/Intel Windows BIOS（基本輸入輸出系統）定義了只有CPU和主存儲能夠使用系統總線。所有其他子系統的數據只能駐留在PCI或ISA總線中，與CPU和主存儲的數據交換通過橋接完成。如下圖（1）所示。

    每個子系統共同分享具有50-80MB/sec處理能力的PCI總線。而用于I/O上30MB/sec 的UltraSCSI通道也要消耗PCI總線，使得PCI總線趨近于飽和。雖然PC系統結構中在特殊區域采用了能夠控制并實時地在本地緩存之間傳遞數據的高速總線將各部分連接起來，但是CPU與本地緩存之間不能實現實時數據交換。由于系統瓶頸，當把數據通過橋接傳向系統總線時，這些數據到系統總線不可能實現實時傳遞。

    O2的UMA（一體化存儲結構）不同于PC的結構，它將一個系統內所有的緩存捆綁在一起形成一個存儲池，成為系統的主CPU存儲區。它擁有基于4組多路復用的SDRAM來支持2.1GB/sec的帶寬。主存儲單元通過這個充分預留的帶寬來確保各子系統不會發生數據堵塞現象。如圖（2）所示。 

以下是O2的UMA（一體化存儲結構）的特點：

A、本地緩存

     O2中的所有子系統都用主存儲區作為數據緩存，這樣可以顯著地降低系統開銷。對O2而言不需要對視頻、圖像、圖形處理或壓縮數據等建立單獨的緩存。主存儲區存儲的數據類型有：

幀存（支持雙32bit緩存、Z-緩存、模板平面和材質貼圖）

2D圖形數據
CCIR601中規定的未壓縮的Y、Cr、Cb視頻信號
應用程序數據和操作系統內核
P緩存（非演示的幀緩存渲染）
低壓縮的JPEG、MPEG-1和H.261數據

B、低數據運動量

     O2中各種類型的數據都被保存在主存儲區中，數字媒體數據從一個數據源傳遞到另一個數據源只須提出申請。這個過程中無數據的運動。這項技術使得在處理過程可省去數微秒至數秒的時間。此外O2又引入了一種數字媒體流的機制，當有數據從一個子系統傳遞到另一個子系統時，數字媒體流從源到目的地的連接就建立起來。如果數據不需要轉換，則只需發出一個到目的地的指令。如果需要數據轉換，則轉換方式會被放置于源和目的地之間。

C、有效存儲

     O2的統一存儲結構不僅通過降低本地緩存數量來降低系統開銷，也能有效地提高存儲使用效率。存儲單元只有需要時才會分配。當不被使用時，可被其它子系統或應用程序調用。

D、CPU可視察性數據

     O2的另一個關鍵優點在于CPU可以實時視察和操作各種類型數據。這種能力意味著一個應用程序在對子系統進行數據操作的同時也可有效并實時地支持大范圍系統的特性，減少系統整體開銷。

簡而言之，O2的UMA（一體化存儲結構）具有以下特性：

（1）避免了系統之間相互拷貝數據的需要，因此削弱了系統的瓶頸。
（2）隨著每個子系統的本地存儲緩存的削減，整個系統的開銷顯著降低。
（3）存儲資源的高效利用。未被使用的存儲單元會返回到CPU存儲池供其它子系統或應用軟件使用。
（4）允許申請直接提交運算結果，而無須通過應用軟件或算法程序。

2、CPU和操作系統

     現階段，PC的CPU大多是32位的CPU，采用CISC指令集執行命令，PC采用Windows操作系統將CPU的95%的處理能力放在GUI的運行和對子系統傳遞控制信息之上。而O2采用64位的CPU，盡管主頻慢，但采用RISC算法執行命令，可以同時執行4條命令，所以主頻相當于PC的4倍，而且有專用的Mips芯片執行浮點運算，用于多媒體、圖形圖像的實時處理。此外，O2的CPU承認全部類型數據，使它具有靈活的運算能力。而PC的CPU沒有這種能力。

    通過對PC和O2的內部機制分析，具體到采用PC的虛擬演播室系統和采用SGI O2的 IBIS虛擬演播室系統的比較，有以下幾點：

1、 圖形運算：

     PC將圖形卡置于PCI總線上，圖形卡上依靠專用的不可以擴展的圖形處理、顯示內存進行圖形處理，當圖形運算量超過圖形卡的內存時，只能以犧牲圖形質量來完成運算，而且可能發生系統死機。而O2由于將圖形卡的功能置于主板上，又是一體化存儲結構，對圖形處理所需的內存自動優化配置，可以避免系統死機現象的發生。

2、 圖形質量：

     PC對圖像處理時，對圖形邊緣必須作反鋸齒效果，占用有限的系統資源，從而使圖形質量下降。PC的圖形分辨率一般為512*512像素，虛擬場景設置的顏色最多為24位真彩色。而O2可以進行實時圖像處理，不會占用系統資源，圖形視頻指標不會下降。且圖形分辨率高達4096*4096像素。虛擬場景設置的顏色可達全32位真彩色。在IBIS系統的實際應用中，一般由SGI圖形工作站制作高質量場景圖像，再導入給O2的虛擬演播室應用軟件使用。以具有Vpro圖形系統的SGI的圖形工作站為例。每個彩色分量通路處理信號的精度最高為12bit。較高的分辨率，加上透視校正的彩色和紋理。意味著更高的透視精度，對具有透明度的形體有更好的色彩交融，具有三維紋理的更高質量的體視化。SGI獨有的Vpro圖形系統包含的單個芯片執行Open GL的功能，幾何圖形加速流水線以及專業水平的紋理映射功能，保證向O2提供高質量的背景圖像，而O2工作站的標準32位雙緩沖圖像顯示、硬件OpenGL圖形子系統和對紋理映射及Z緩沖的硬件支持，可以盡量保證SGI圖形工作站提供的原始大型高分辨率背景圖像信號質量。而PC由于硬件處理能力不足，很難支持這種高質量的原始背景圖像。

3、 活動視頻輸入：

     PC最多支持一路活動視頻，而且是將活動視頻在圖形卡內存上帖圖的方式來實現的。需要緩存的支持，占用系統資源。而IBIS支持兩路512*512全視頻分辨率活動視頻，且都在內存中實現。

     另外，在視頻窗口DVE效果上，PC在視頻窗口作特效時明顯視頻指標下降，而IBIS系統不會出現這種問題，且視頻窗口能做淡入淡出、劃像、柔化邊緣、陰影效果等特效。在延時上，PC虛擬演播室系統的視頻延時有3幀或更多的延時，而IBIS系統只有2幀延時。在用戶界面上，PC的操作要在多個視頻窗口中切換，而IBIS系統標準的用戶界面均在一個窗口中，非常容易操作及維護，一個操作員就能控制工作站中的幾臺不同的攝像機。在制作上，PC不能讀取幾個場景及容易地變換場景，而IBIS系統能夠讀取多個場景文件并且非常容易地相互快速轉換。在攝像機位置校準上，IBIS系統也比PC系統要迅速，節省很多時間。

    綜上所述，作為虛擬演播室系統的主機，IBIS虛擬演播室系統采用的SGI公司O2圖形工作站強于目前大多數國內公司采用的NT基PC。此外，SGI公司還有Onyx超級圖形工作站，由于Onyx模塊化的擴充方式可以使系統帶寬隨CPU的數量而增加，與此同時內存訪問延時大大降低。使用Onyx用戶可以通過硬件支持的剪切貼圖，紋理分頁處理，體積模型渲染以及在高分辨率模式下全屏反走樣處理等功能來實現實時渲染和交互應用，所以可以用于實時處理三維圖形、圖像和視頻數據。Onyx通常用于三維虛擬演播室系統，這里就不再詳細闡述。

二、攝像機跟蹤部分

     對于攝像機跟蹤部分的設備考慮，主要在于使用圖案辨識技術還是采用機械跟蹤技術。兩者都是通過攝像機跟蹤器把真實演員及物體與攝像機之間的位置及透視信息送給圖形計算機，然后以攝像機的鏡頭產生虛擬環境，把真實演員與虛擬場景匹配起來。以IBIS系統為例，它采用的是機械跟蹤，而一些廠家采用圖案辨識。對二者的分析如下：

（1）圖案辨識

     圖案辨識是將一個精確的網格圖案以兩種不同的藍色形狀繪制于藍背景上。通過攝像機識別這種圖案并與計算機跟蹤軟件及硬件預先確定的模型進行對比，以確定物體與虛擬場景的透視關系及距離。

     圖案辨識的優勢在于無需鏡頭校準；同一個跟蹤器可同時用于一個以上的攝像機；攝像機可以不用軌道進行運動。不足之處在于精確的藍色圖案必須被繪制在藍背景之上；藍色網格圖案在制作色鍵過程中的陰影很難處理，并且很難保持良好的鍵的質量；攝像機拍攝不能垂直于藍色網格圖案，必須偏離30度角以上，否則不能準確定位。而且為了保持精確的跟蹤，攝像機的焦點必須始終保證在網格上，否則真實的演員會有模糊的缺點。

    攝像機只能有限的運動，不能搖移及俯仰出網格，否則不能定位，但仍然可以跟蹤真實物體，例如演員。攝像機必須同時觀察4個網格點以保持跟蹤。這就不可能對人物進行特寫鏡頭的拍攝。人物不能在藍背景上自由移動。人物必須站在網格之前，由于網格大小是固定的，這使在虛擬環境中的人物看起來很不自然。攝像機必須緩慢移動以避免跟蹤混淆引起跳幀，并且攝像機的俯仰角度受到網格角度的限制。另一方面，真實及虛擬物體的使用也很有限，真實物體一定不能遮擋網格，否則跟蹤信號將消失。象藍色盒子之類用于為虛擬物體提供支持的道具一定不能遮擋網格。

     圖案辨識需要附加的硬件，需要額外的工作站把網格坐標信息轉換為搖移、俯仰及變焦坐標信息供圖形計算機使用。在延時上，圖案辨識的延時有時高達8至12幀。

（2）機械跟蹤

     這種攝像機跟蹤系統采集攝像機的位置及透視數據，它通常被安裝在三角架或基座之上。機械跟蹤器一般使用傳感器來確定需要的數據。信息經常通過一些串行接口類型如RS 232或RS 422被傳送給計算機。

     機械跟蹤的優勢在于單顏色藍背景，無需用戶繪制背景墻。很容易照亮藍色背景而不用擔心照亮網格。跟蹤數據沒有延時。攝像機運動不受限制，可以60 Hz速率進行搖移、俯仰及變焦，允許更好的攝像機角度及更好的拍攝。演員的活動不受限制，在藍色舞臺范圍內可以任意速度自由活動。機械跟蹤無需額外的工作站處理跟蹤信息�？梢宰杂墒褂谜鎸嵉乃{色支持道具，不用擔心遮擋網格。另外，在合成拍攝過程中可以很容易處理陰影，無需進行額外的修補。不足之處僅在于每臺攝像機必須有一個跟蹤器。

     在經過廣泛的研究及現場測試后，結論是圖案辨識是一種令人感興趣的技術，但對虛擬演播室來說卻是不實用的。雖然這種技術有幾處優勢，但它的不足之處卻遠遠多于它的優點。詳細對比見表

三、色鍵部分

     色鍵的優劣直接決定虛擬演播室系統的生產質量的好壞。為了使同一節目中的演員、實物道具和虛擬背景之間可以相互動態遮擋，實現演員在虛擬或實際物體后方或前方行走，要求色鍵具有縱深方向的信息，即虛擬攝像機到每個像素的距離。使用傳統的色鍵技術，將演員從藍色幕布中提取出來的同時產生一個前景遮擋信號即鍵信號，然后通過深度鍵發生器求出色鍵的深度值。獲得深度鍵可以通過近似判斷的方法得出。IBIS系統就是用近似的方法判斷出前景演員和攝像機的相對距離，并且用這個值作為整個前景的深度值。如果演員移動，那么這個值也將改變。通過對合成畫面上每個像素Z值的計算和實際內容的需要用手控方式決定前景演員和虛擬背景的相對關系，這種方法實現起來比較容易，缺陷是逼真度差，而且對演員的要求較高。

     IBIS系統采用美國Ultimatte公司的400型數字色鍵。高質量的數字色鍵針對畫面的三個分量（Y，B-Y，R-Y）的每一路進行處理，并分別產生一個線性鍵。這種將一個色鍵分為三個鍵來處理的方法，可以允許保留更多的圖像細節。Ultimatte的數字色鍵處理是在前后景間作混合而非切換，前后景先分別處理，,然后再相加產生合成圖像,在處理時它不用限制整體信號。傳統的鍵采用的是非相加的混合，在前后景之間做切換，這種方法的局限性就是沒辦法將透明或半透明的前景物體疊加到背景上，而同時還要透過它看到背景。

ULTIMATTE的數字色鍵處理提供了以下的功能：

1） 全線性的遮擋：用于消除硬邊緣，所有在前景圖像中的圖像虛化、清晰細致的圖像、透明度以及影子都將在最后合成中重新生成。
2） 屏幕矯正：用于對不均勻的藍屏幕、藍布景，以及污點的調整，保證最后的合成完美無缺。
3） 噪點消除（Grain Killer）: 對前景中的藍屏和綠屏中的噪點進行過濾，不影響前景圖像。
4） 自動處理：點擊任意污染區域，自動地對噪點消除（Grain Killer）控制進行調整。
5） 外部色塊: 提供了一個外部生成的冗余色塊（garbage matte），填充指定的非藍區域。
6） 閃爍抑制：自動消除藍屏幕閃爍或前景圖像溢出，進一步控制過渡的溢出。

     與傳統的色鍵處理相比，Ultimatte的數字色鍵處理具有以下特點：第一、完全相加混合前景與背景，可以再生象 透明物體上的倒影那樣的清晰效果。第二、用特有的算法產生遮罩(matte)信號，可以更好地從前景物體中區分出背景。第三、用抑制襯底及平抑藍溢出的特殊算法處理前景的同時，允許在前景上再現藍色陰影。

     Ultimatte在處理前景時,不削弱前景,只削減描繪背襯的藍色分量,對前景物體的外邊緣的處理,Ultimatte可以高保真。它采用獨特的算法有選擇地減去信號級來表現出襯底,而線性鍵在處理前景時是在襯底所有的色調范圍內抵消色度值,在混合時前景被減弱,留下的亮度級也被消減,有時前景物體的藍色陰影可能變得灰暗。在遮罩(matte)信號的產生上，Ultimatte色鍵處理區別于其他色鍵設備的第二個特點是用來從前景產生遮罩信號的特殊算法。 Ultimatte從前景RGB得出遮罩信號的處理較一般色鍵信號復雜、靈活，Ultimatte可以更好地區分襯底與前景物體的顏色，操作者可以更多的控制選取生成遮罩信號所用的顏色純度，也可以比一般色鍵更好地支持藍屏前的藍色與灰色陰影。Ultimatte含有專門用來抑制由襯底溢出的光引起的前景物體的色污染，這是處理前景生成遮罩信號的處理過程的一部分。Ultimatte在處理前景時，將襯底的藍（綠）抑制為黑，前景中的其他區域的藍（綠）被減弱到一個合適的水平。傳統色鍵通過抵消色度中的指定色調來抑制藍溢出，而Ultimatte是有選擇的減少藍（綠）色分量。不同在于傳統色鍵中的前景物體的藍色將變為灰色，而Ultimatte中的藍色仍保持藍色。

     由于Ultimatte色鍵具有以上特點，特別適合于虛擬演播室的應用，可以保證圖像合成的最后質量。這也是許多廠家選用該色鍵的原因。

四、總結

     通過以上對虛擬演播室關鍵設備的分析與比較，可以看出廠家針對虛擬演播室系統所做出的努力。在實際確定采購方向時，價格因素肯定是一個極為重要的因素，因與本文討論的主題無關，不再涉及。虛擬演播室技術的發展方興未艾，相信它將會成為一種極為有力的節目制作工具。

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