虚拟现实技术在新闻直播节目中的应用研究

【摘要】虚拟新闻是战略态势表现中，极新颖的一种表现形式，它将叙事性表现技术应用到战略态势表现领域中，目的是把对战略态势的文本描述，用图像转化为虚拟新闻的形式，把逐步变化的战略态势事件“生动形象”的展现给决策者。战略决策模拟的特点决定虚拟新闻需要具备快速生成的能力，因此本文重点研究了文本的自动分析和合成虚拟新闻所需素材的检索选择技术。

【关键词】虚拟现实；虚拟新闻；实时直播；虚拟事件还原

传统的电视台制作节目一般都要制作真实场景。无论是新闻联播、体育节目还是文艺节目，都要花费大量的资金和人力，制作出许多场景出来。越是大型的节目，制作场景的任务就越重，要求就越高，花费就越超，布置场景用的时间就越多、更换起来就更困难。而且，有些真实场景的创意用一般方法根本就制作不出来。

虚拟演播室，保留了传统的色键合成系统，却突破了传统色键系统的限制，消除了摄像机不能与背景同步运动的致命弱点，实现了真实的演员能深入到虚拟的三维场景中，并能与其中的虚拟对象实时交互。在虚拟演播室中，演员在一间蓝幕里进行现场表演，摄像机采集前景视频信号，同时安装在摄像机上的跟踪系统实时提供摄像机的信息，这些数据被送至一台高速图形计算机，三维计算机图形发生器实时渲染生成一个逼真的虚拟背景，以蓝色屏幕为背景拍摄的摄像机图像，经延时后与计算机创建的虚拟背景同步进行工作，并通过色键器的抠像合成，实时产生一路合成后的视频信号作为最后的输出[1]。

虚拟演播室的优点显而易见：降低节目的制作费用。由计算机制作三维虚拟场景，不需要搭建真实场景，只需要一个蓝色的背景即可，避免了真实场景的制作、安装、拆除、运输、存储空间，节省大量人力、物力和财力。

提高节目的制作效率。制作三维虚拟场景比传统的人工搭建真实场景快捷方便，并且制作完成后的虚拟场景，易于保存在计算机数据库中，方便重复使用，携带便捷。大大缩短了节目的制作周期，提高了效率和资源的利用率。

可以改善节目的质量。节目制作中，导演可以摆脱时间、空间及道具制作等方面的限制，充分发挥想象力，在广泛的想象空间中进行自由创作出人工难以甚至无法实际制作的虚拟景物，提高节目的质量。

虚拟现实技术（Virtual Reality），又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法[2]。

虚拟现实技术，其特点是计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中，产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时。计算机产生虚拟场景来代替真实场景的构想早在1978年就有人提出，但是长期受制于计算机软硬件的发展条件。随着计算机运算速度的提高及计算机视觉和图形学理论的发展，虚拟演播室技术逐渐走向成熟，并得到推广和使用。

虚拟现实技术发展的十分的迅速。在三维虚拟画面的的地形化场景可视化已经不难在现实中实现了。而三维的建模在城市的规划、工程勘察与设计、环境监测、灾害预测与预报、军事、游戏娱乐等诸多领域都运用的极为成功。其中虚拟现实技术对电视行业的贡献特别突出！但是在学术文库当中，探讨虚拟现实技术对电视节目的影响类的文章著作还是偏少。本文力争在虚拟现实技术在应用在电视节目中的方法、策略上面给我们电视工作者一个启发。着重探索虚拟现实技术中的佼佼者――虚拟演播室在电视节目中的开发与创新！

以德国为例，虚拟现实技术在电视方面的应用比中国要早得多。而且虚拟现实技术在德国发展的速度也略微快于我国。这其中固然有德国人才优势、体制优势等等因素，但是更为主要的一个原因是：我国对于广播电视产业的硬件设备过分依赖于进口，不仅会提高我们国家广播电视行业的技术成本，也间接提高了我国广电事业人力资源的成本。早在几年前，西方国家的电视演播室系统，为达到优秀的虚拟现实场景的制作，配备了标准桌面电脑与2.4GHz的英特尔奔腾IV标准的图形硬件。这在今天看来以经不是什么先进硬件，但是当年这一整套系统不是任何影视制作机构能承担得起的。加上运行相对稳定的Linux操作系统，让西方电视机构的虚拟现实技术达到了广播级标准[3-4]。

我国的电视台对虚拟现实技术的运动目前主要还是虚拟演播室。实事求是的说，我国的在虚拟现实技术的运用相对国外还处于初级阶段，在20世纪90年代末，我国陆续引进了各大著名公司的虚拟演播室系统，如大洋公司，奥维迅公司，索贝公司。他们的产品各有千秋，大洋公司的虚拟演播室系统设备相对完备，其系统中加入了非线性编辑系统、字幕添加系统等功能；奥维迅公司的产品能实时产生虚拟场景，而且具有空间感，并且与演播主体之间保持透明的透视关系；索贝公司的产品能够在运算上有优势，实时的合成、实时的着色，让真实的光影效果淋漓尽致的发挥出来。

与文字、图像相比，视频含有更为丰富、直观、形象的语义信息。而新闻视频作为目前情报部门获得情报的重要渠道之一，蕴含着大量重要的信息，其对敏感和突发事件的报道及时全面，成为反映各国各地区政治、经济、军事、外交、舆论等最新动向的窗口。新闻视频大多具有及时、直观的特点，因此时常被人们当作一个有用的工具来指导决策。

针对上述战略态势表现存在的问题以及新闻视频的特征，本文引入虚拟新闻的概念。虚拟新闻在讨论式对抗模拟过程中的作用，是辅助白方（导演方），把不断变化的战略态势用图文声像的手段将其快速、准确地展现在决策者面前，使决策者对当前的战略态势有一个形象、全面的了解，从而为下一步的决策提供强有力的辅助。

首先 虚拟演播室技术能突破传统场景制作方式的局限性，通过计算机三维建模软件和贴图软件的结合可以制作出极具创意的虚拟场景，可以体现出全新的创意 ，正如一句广告词说的： 思想有多远我们就能走多远。

其次.能实现更加丰富的节目效果，虚拟场景中真实的三维效果克服了传统抠像背景平面、呆板、不联动的视觉缺陷而更具有视觉；中击力。

第三，节目场景是由计算机提供的虚拟场景，节省了实景制作的昂贵费用 克服了传统布景不宜随便搬动 ，场地不能重复利用的缺点 一个演播室可 以供多个栏 目分时复用，大大降低了节目制作成本.提高了演播厅的利用率，实现了节目制作与播出的高效率，为新闻资讯直播的高收视率立下汗马功劳。

目前，国际上虚拟演播室系统已经达到了商品化程度，但这些系统均是基

于工作站的独立系统，其价格昂贵，一般都在100～300万元左右，在中国难以普及，开发一个低成本的虚拟演播室系统，是使其普及推广的重要途径。

本系统所有软件功能均在普通PC机上测试通过，且均基于C++、WIN32API和Direet3D技术实现。本系统所采用的硬件平全基于普通Pc机，避免了价格昂贵的图形工作站，从而在很大程度上降低了硬件成本。这样就使得虚拟演播室系统的整体成本得到了有效的降低，为虚拟演播室的普及和推广奠定了基础

虚拟场景生成系统是虚拟演播室系统的一部分，它是基于Direct3D技术开发的一个三维虚拟场景生成系统。它充分利用了Direet3D强大的三维渲染能力，能够在普通的PC机上实现较高质量的图形效果，因而具有较强的实用价值。与一般的二维背景绘制系统相比，场景生成系统可以很方便的实现三维场景的平移、倾斜等，对前景摄像机的运动没有任何约束。

为了与主系统进行隔离，本系统采用动态链接库的形式为主系统提供虚拟场景渲染功能服务。它封装了复杂Direct3D知识和三维图形学的知识，提供一个统一的接口给虚拟演播室主系统调用，使得调用者既不需要图形编程的知识，也不需要管理复杂的三维场景的知识，而只需要提供需要渲染的三维场景数据文件，这样就可以让前端的数据提供和后端的数据渲染分离，简化了整个系统的复杂度，降低了整个系统的出错率，提高了整个系统的运行效率。

Visual c++7.0是Microsoft公司开发的一套使用C++十作为开发语言的、支持windows应用程序开发的可视化编程集成开发环境。它包含了文本编辑器、资源编辑器、工程编译工具、源代码浏览器、集成调试工具，以及一套帮助文档。使用它，可以高效方便的完成创建、调试、修改、等各种操作。

基于此，为了提高开发效率，本系统使C++作为开发语言，采用了visualc++7.0作为开发工具。

目前开发三维图形系统的主要工具是OpenGL、Java 3D、Direct3D等，它们之间有很大的不同，都有各自的应用环境。OpenGL因为其图形库丰富，功能强大而一直是PC机上的主流三维开发平台，不过由于近几年的发展停滞，而逐渐有被Direct3D取代之意。Direct3D是Microsoft公司推出的三维图形编程API，由于Microsoft公司的大力投入和支持，其三维图形功能越来越强大，也因此获得了主流显卡厂商的支持，这些都极大地扩展了Direct3D的应用范围。当前，Direct3D已经是Windows环境下进行三维图形系统开发的首选开发平台。为了获得开发效果和开发质量，本系统选择了目前成熟的Direct3D 9.0版本作为3D开发平台[5]。

本系统虽然只是虚拟演播室系统中的一个部分，但它也是一个结构比较复杂的独立系统，为了保证其开发质量和开发效率，采用了面向对象的软件设计方法应用于其开发过程中。

在运用面向对象的软件设计方法进行软件开发的时候需要运用一些成熟的设计原则和设计模式。设计模式是软件设计人员长期以来工作经验的积累，这些模式体现了面向对象软件设计思想的精髓，它们遵循了各种软件原则，合理地运用这些设计模式能够有效地提高软件的可扩展性和通用性。本系统的开发过程中用到了如下的几种设计原则和设计模式：

单一职责原则（SRP）。就一个类而言，应该仅有一个引起它变化的原因。在系统中每一个类应该有且仅有一个职责。这样做是由于每一个职责都是一个变化的轴线。当某一条轴线变化时类就需要改变。如果一个类承担了过多的职责，那么引起它变化的原因就有多个。这样就等于把程序功能耦合在一起，类的一个职责的变化就很可能会削弱它完成其它职责的能力。比如，在本系统中可能会有一个三角形类，它表示一个空间中的三角形。三角形可能被用来进行几何计算以完成诸如相交检测一类的工作，同时它还要记录空间位置信息以供屏幕输出。这两个功能实际上就不应该在同一个三角形类中完成。

接口隔离原则（ISP）。类的接口应该保持内聚。这里的内聚意味每一个接口应该只提供给外部用户单一的功能。因为如果一个接口提供了多于一个的功能，那么当其中一个功能改变时另外一个的使用就会受到影响，这会导致模块间的藕合。

TemplateMethod模板模式。模板模式可以将相同的执行步骤（通用算法） 从不同的程序中抽象出来。GoF这样定义模板模式：在基类的一个操作中定义一个算法框架，在派生类中定义算法的各个步骤，使得算法框架不变的情况下可以重新定义各个执行步骤。比如在进行三维场景渲染的时候，虽然渲染的虚拟场景不同，但都要执行接收输入、更新状态、渲染输出的过程，那么这个过程就可以抽象到基础类中。

Command命令模式。命令模式把各种操作抽象封装成独立的Command类对象。这样操作可以完全脱离它的执行者独立存在。

Singleton单实例模式。单实例模式保证实现它的类在程序运行的任何时刻都至多只有一个实例化对象存在。在三维场景生成的过程中通常都需要管理渲染状态，而实现渲染状态管理的类就应该用单实例模式来实现[19]。

在设计虚拟新闻生成系统的时候，既要考虑用户的实际需求，又要保证系统的技术性能。整个系统的设计思路如图1所示。

情景描述文档经过叙事性组织后，从中提取出新闻播报稿、新闻标题、叙事要素、显示实体，生成规范化的叙事性模板。有关叙事性模板生成的工作将由我们设计的叙事性组织子系统来完成。得到情景描述文档的叙事性模板后，从多媒体素材库中检索出符合叙事要素的素材，进一步进行排序选优，通过时间约束策略最终选定素材。最后，将语音合成引擎生成的新闻播报音频和选定的素材通过一定的表现形式组织生成有助于战略态势表现的虚拟新闻节目。

虚拟新闻生成系统的总体结构如图2所示。

本系统作为虚拟演播室系统，其中一个组成部分。主系统控制了本系统的全部操作过程，因此，必须要有一个接口能够让主系统调用。该接口将根据主系统发送的操作命令，随时来调用本系统内部对象的操作，从而实现本系统与主系统的隔离。

在本系统中，定义了一个类CMy3DCommand来实现该模块的功能，CMy3DCommand提供一系列的方法给主系统。当主程序发送命令给接口后，CMy3DCommand就调用已经封装在其内部的各个子模块的对象中的方法来实现具体的操作。实际上，CMy3DCommand起到了一个包装器的作用，将渲染系统内部的渲染逻辑细节隐藏起来了。比如说：初始化、设置数据文件、渲染等等。图3描述了该模块与主系统的交互过程。下面是该类的定义[6]。

虚拟新闻生成就是要把选定的视频、图像素材以及新闻播报稿音频合成一段完整的新闻节目。系统中我们采用DirectX中的Directshow Editing Service（DES）作为合成视、音频素材的基础。DES提供一个虚拟的时间线，应用程序只需设定输出视频的格式，以及视、音频源的位置和起始、结束时间，就可以轻松地实现视、音频合成。DirectX9.0中还提供了多种镜头切变效果工具，应用这些工具，可以使原本切换唐突的视频变得流畅一些。

虚拟新闻生成表现时采用了如下三种虚拟新闻内容的表现形式：主持人口播镜头，完整播报一整条新闻，即整则新闻故事完全是主持人口播镜头。针对检索中没有检索到任何相关的新闻视频场景以及图片的情况而定；主持人口播镜头，叠加一幅主题图片位于视频窗口的右上角。针对只检索到相关图片素材而定；播音员播报新闻+小窗口，然后播报具体内容，视频或图片（视频关键帧）显示，针对检索到相关视频场景素材而定。这是最理想的新闻故事的表现形式，也符合人们日常观看各类新闻的习惯。

随着计算机技术的发展，虚拟演播室技术的发展是必然的。随着人们生活品位的逐渐提高，人们对电视节目画面的要求在逐渐的提高，传统演播室为观众带来的视觉冲击，已远远达不到人们的需求。虚拟演播室技术是电视节目制作技术的一种革命性飞跃， 它伴随着计算机技术的飞速发展而不断进步成熟， 在今后的电视节目制作中将会有更大的发展空间。虽然目前它还无法完全代替传统演播室， 但随着成本的不断降低， 技术的日臻完善， 虚拟演播室技术注定将会在电视节目制作领域发挥出更为重要的作用。

参考文献

[1]张连军.虚拟演播室系统的分析与比较[D].东北师范大学，2007.

[2]袁兆辉.虚拟演播室技术与应用研究[D].东北师范大学，2004.

[3]索贝数码等.虚拟演播室技术新发展.电视字幕・特技与动画，2001.

[4]赵永岐等.虚拟演播室--演播室前期节目制作的一次革命[J].中国电化教育，2004.

作者简介：陈（1985―），女，河北涉县人，山西广播电视台影视频道编导，编辑助理。