如何实现演播室低成本数字化技术改造.docx

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如何实现演播室低成本数字化技术改造

如何实现演播室低成本数字化技术改造

－－——南京广播电视台60平方米虚拟及120平方米演播室系统方案介绍

[作者：

江苏省南京广播电视台顾卫东]

    随着文化产业体制改革的深入，数字新媒体技术的迅猛发展，电视台将面临市场经济的严峻挑战。

它不仅在行业内部存在着境内与境外，中央、省、市台之间激烈角逐，还面临着数字电视、直播卫星、移动电视、手机电视、IPTV等新媒体的竞争。

大力推进电视台体制创新、机制创新、管理创新，创建节目品牌、降低节目成本，是电视台保持核心竞争力的主要手段。

本文通过南京广播电视台60平方米虚拟及120平方米演播室系统低成本数字化技术改造方案介绍，说明了加强台内技术管理，注重科技创新，是降低节目生产成本，提高生产效率的有效手段。

    一项目采购实施管理

    项目采购实施过程分为采购方案制订、采购实施二个阶段，全过程采购实施管理是控制整个采购成本和质量的关键。

    南京广播电视台60平方米虚拟及120平方米演播室位于演播中心6楼，建筑设计位置相邻，且共用同一导控室。

两个演播室目前主要用于新闻、访谈、少儿、影视类栏目的拍摄录制。

由于演播室仍为模拟系统，主要设备陈旧，使用年限均达10年，急需数字化改造。

项目在年初预算中，按照常规方案，预算共需资金550万元，最后由于资金原因集团决定只对60平方米虚拟演播室进行改造。

    在项目采购方案制订阶段，技术部门又反复调研、多次组织方案论证。

考虑到现有60平方米虚拟演播室与120平方米演播室共用导控室，空间狭小，如果2个演播室的数字化改造工作分别进行，一方面导控室空间严重不足，施工难度很大；另一方面不能最大限度做到系统设备间资源共享，二次技术改造不可避免会带来资金浪费。

    系统实际设计中，我们在确保满足节目制作需求的前提下从如下几方面控制成本：

    *立足于演播室日常节目制作需求，2个演播室的切换台均选用输入信源只有16路，直切信源10路的Synergy100一级M/E数字视频切换台，其中只有120平方米演播室切换台选购DVE选件；

    *2个演播室音频系统各自独立，视频系统既互为一体，又相互独立，5个讯道同时接入2个系统，演播室共用1套32×32数字视频矩阵作为2个系统的信号调度、应急、演播室返回、技监等，最大限度实现系统资源共享，系统建设后能实现2个演播室互动，丰富了演播室节目制作手段，同时增加了系统的安全性；

    *2个演播室测试仪器、同步系统共用；

    *5套摄像机设备选用广播级多芯电缆数字系统，满足图像质量要求，降低系统造价；

    *虚拟演播室系统根据节目制作需要和场地条件采用双机位、双通道三维数字虚拟演播室系统，跟踪系统只要求实现对固定机位的摄像机做水平摇移、俯仰及变焦等运动的高精度、高速度跟踪。

    在采购实施阶段，我们具体将一个项目拆分为演播室摄像机设备采购、演播室设备数字化改造、三维虚拟演播室系统建设、机架和控制台设备采购4个标段，技术方案和设备性能指标要求合理，部分关键设备选用国内成熟品牌，设备选型定位准确，最后通过公开招标方式采购，同时2套数字视频切换台直接通过自行进口、办理免税方式向国外厂家购置，最大限度降低了整个项目购置成本，整个项目最后只用了270万元完成了2个演播室的数字化改造，较常规节省资金280万元。

    二方案设计原则

    南京广播电视台60平方米虚拟及120平方米演播室系统方案设计的基本原则是：

技术先进、系统安全、经济实用、满足需求。

2个演播室系统设计要求能同时具有现场直播和演播室联播的功能，满足本台教科、少儿、影视频道各类栏目的拍摄录制、现场直播需要。

    三系统设计遵循标准

    系统设计要求符合下列标准：

ITU-RBT.601-2、ITU-RBT.656-3、SMPTE259M、EBUTECH3267、AES/EBU数字伴音标准、《GB/T14857-1993演播室数字电视编码参数规范》、《GB/T17953-20004:

2:

2数字分量图像信号的接口》、《GY/T156-2000演播室数字音频参数》、《GY/T158-2000演播室数字音频信号接口》、《GY/T161-2000数字电视附属数据空间内数字音频和辅助数据的传输规范》、《GY/T165-2000电视中心播控系统数字播出通路技术指标和测量方法》、《GY/T152-2000电视中心制作系统运行维护规程》。

    四视频系统设计

    1.视频系统设计

    如图1，南京广播电视台60平方米虚拟及120平方米演播室目前主要用于新闻、访谈、少儿、影视类栏目的拍摄录制。

60平方米虚拟演播室视频系统按照2讯道设计，120平方米演播室按照3讯道设计。

由于导控室共用，空间狭小，系统设计按照无屏幕墙方式设计。

    2个演播室视频系统设计要求相互独立，同时所有讯道接入对方系统，既大大增强了整个系统的安全性，又有利于演播室的联播制作要求。

2个演播室系统主通道均选用Synergy100一级M/E数字制作切换台，其中5路摄像机CAM1-5信号、2路数字录像机VTR1-2信号、2通道硬盘录像机DDR1-2信号、2路总控机房调度外源信号EXT1-2、1路测试TEST信号共计12路信源同时进入2个演播室制作切换台的输入端，进入60平方米虚拟演播室制作切换台的另外4路信源为2路三维虚拟摄像机合成信号VIRTU1-2、字幕机的V、K信号，进入120平方米演播室制作切换台的另外4路信源为2路32×32数字视频矩阵输出信号ROUT1-2、字幕机的V、K信号。

    2个演播室系统应急播出通道共用1套ASTEROID32×32数字视频矩阵。

进入数字视频矩阵的信源为CAM1-5、VTR1-2、DDR1-2信号、EXT1-2、TEST、VIRTU1-2、虚拟合成VIRTUPST1-2、60平方米虚拟切换台PST1、CLEANPGM1、PGM1及2选1自动倒换器输出2路PGM、120平方米演播室切换台PST2、CLEANPGM2、PGM2及2选1自动倒换器输出2路PGM共计26路信源。

    2个演播室切换台PGM输出信号分别与32×32应急数字视频矩阵对应PGM输出信号经过2选1自动倒换器进行自动切换后，输出最终节目。

其中120平方米演播室应急数字视频矩阵PGM输出信号进入2选1自动倒换器前首先经过键混处理，确保在应急情况下能制作字幕。

    2个演播室系统导演监视区各采用1台Kaleido-ALTO-AD2十画面分割器和1台46英寸液晶电视进行显示。

由于演播室较小，根据现有节目制作需求，一般节目同时使用的信源一般不会超过8路，实际设计时，我们采用32×32数字视频矩阵的1-20路输出分别送给2个演播室的十画面分割器和46英寸液晶电视，每个演播室可以同时显示8路输入信源和PST、PGM输出。

另外通过矩阵调度功能和十画面分割器信号源名动态显示功能，通过编程，可以根据不同节目的制作要求，任意选择8路常用输入信源，用于节目制作。

2个切换台的TALLY输出信号，通过TALLY控制器后分别送到2台十画面分割器及CCU控制器，实现系统TALLY功能。

选用5台JVC公司TM-A101G监视器作为2个演播室摄像机调整和技术监视，同时作为画面分割器或液晶电视故障时，应急监视。

    32×32数字视频矩阵的1路输出送给WVR6100数字波形监视器和TM-H1750CG17英寸数字监视器，用于2个演播室的技术监视；2路输出用于120平方米演播室切换台的输入信源调度；1路输出送给120平方米演播厅内大屏幕，1路输出送给录像机。

    32×32数字视频矩阵配置1个XY控制面板和3个单母线控制面板。

XY控制面板用于信号调度，3个单母线控制面板用于技监和2个演播室的应急播出。

为了使应急播出更安全可靠，利用XY控制面板最大输出口限制设置功能，对数字视频矩阵第31、32路应急PGM输出信号进行屏蔽，仅由各自的单母线控制面板进行控制。

    同步系统2个演播室共用，同步机与总控机房输出同步信号锁定。

    通话系统采用南京广播电视台现有CLEARCOM2线系统；时钟系统采用7寸子钟，与12楼播出中心时间锁定。

    该系统设计最大的优点是系统设计灵活；2个演播室资源实现最大化共享；2个演播室制作系统使用时可以完全互换，极大提高系统安全性；同时可适合2个演播室的节目制作联动，丰富节目制作手段；采用多画面分割器和46英寸液晶电视进行画面显示，有效节省空间，满足制作需要；整个系统性价比较传统设计方法有大幅度提高。

    2.导控室平面布局设计

    图2是导控室平面布局图。

由于60平方米虚拟和120平方米演播室导控室空间狭小，方案设计既要符合节目制作流程，有利于2个演播室独立使用，又要兼顾美观时尚。

实际设计控制台布局为L形，拐弯处弧形设计。

控制台从左到右分别是：

60平方米虚拟演播室音频、字幕、导播、虚拟图像处理、技术和编辑控制、技术监视；控制台从右到左分别是：

120平方米演播室音频、字幕、导播、硬盘录像机控制、技术和编辑控制、技术监视；2个演播室的技术和编辑控制、技术监视布置在控制台的中央，有利于2个演播室共用监测设备，方便摄像机参数调整和图像信号监视、监测。

显示屏幕采用2台46英寸液晶电视，分别悬挂在控制台导播区前上方，液晶电视两边固定悬挂GENELEC1029监听音箱，方便导演进行电视画面切换。

    3.视频系统主要设备选型

    考虑2个演播室面积不大，摄像机日常使用固定，5套摄像机统一选用品质优良、性价比高，由日本IKEGAMI公司生产的HC-D57广播级数字多芯电缆摄像机系统，镜头选配CANONJ17EX7.7BIRSE17倍标准镜头。

该演播室摄像机采用3×2/3英寸47万像素ITCCD，12bitA/D转换，30比特内部数字处理。

由于预拐点后的处理皆为数字化处理，所以可得到稳定的高质量图像和较好的性能指标。

该机型工作格式：

PAL4:

3，灵敏度：

F11，水平清晰度：

800电视线，垂直清晰度：

570电视线，信噪比：

63dB，拖尾电平：

-135dB。

    视频切换台是整个视频系统的核心设备，所有的视频信号源必须通过切换台进行选择和特技处理，最后才能播出。

经反复比较，我们选用加拿大RossVideo公司生产的Synergy100SD数字制作切换台。

Synergy100SD是一款性价比很高、耗电省、结构紧凑、系统灵活、功能强大的1级M/E小型全数字制作台，特别适合各类新闻、小型栏目的节目制作。

系统全数字10bit4:

2:

2处理，支持525和625行电视格式，宽高比4:

3、16:

9可切换；输入信源16路，直切信源为10路；5路固定SDI数字视频输出（PGM×2/PVW×2/CLEAN）、8路AUX母线；内置双通道“Squeeze&tease”3DDVE，预建100种DVE效果；3轴操纵杆，3路键（2MLE＋1DSK），2路色键，先进的DSK边缘控制，Tally/GPI和工业标准编辑接口。

    数字应急切换矩阵供系统应急播出切换使用，我们选择了国内品牌大连捷成ASTEROID32×32数字视频矩阵。

    模拟及数字视频分配放大器、数字分配监视器、A/D和D/A编解码器、音频加解嵌、帧同步、SDI2选1自动倒换器、键混等周边设备统一选用国内品牌大连捷成产品。

该产品双电源，同一机箱内支持各种板卡混插，模块化设计，支持热插拔，结构紧凑，占用机架空间小。

    多画面分割器选用加拿大Miranda公司生产的Kaleido-ALTO-AD2，产品具10路SDI/模拟复合视频输入，10路立体声音频输入，能动态显示:

信号源名、TALLY、计时或时钟、电平指示，具备冗余电源。

    同步机选用Tektronix公司生产的SPG300，它具有2路可独立定时的包含16个通道嵌入音频的数字SDI黑场、测试信号输出，4路模拟（3路黑场、1路测试）信号输出，2路接口为XLR连接器的模拟或AES/EBU数字音频（可设置）测试信号输出，1路字时钟输出。

    数字波形监视器选用Tektronix公司生产的WVR6100，具有复合波形、矢量、色域、图像显示、模拟、数字音频测量，它具有2路SDI数字、2路模拟复合视频输入，2组16通道AES/EBU数字和2组12通道模拟音频输入，特别适合演播中心数字、模拟视音频信号监测。

技术监视器选用JVC公司17英寸TM-H1750CG数字监视器。

    数字字幕机选用新奥特公司生产的A8字幕机。

    数字录放像机选用松下公司AJ-D930、AJ-D955，产品DVCPRO50、DVCPRO格式录制，具有数字慢动作重放，完善的编辑功能，标配数字视音频信号输入、输出，性价比较高。

    五音频系统设计

    2个演播室采用各自独立的音频系统。

60平方米虚拟演播室采用南京广播电视台现有SONYMXP-2108路输入模拟调音台，进入调音台的输入信源分别为：

4路话筒、2台VTRMonitor、2台硬盘录像机Monitor，8路信号通过音频跳线板接入调音台；调音台主输出PGM信号经过音频跳线板和立体声音频分配器后，2路送至主备音频嵌入器，1路送到WVR6100A1输入，1路送给VTR。

调音台的Monitor输出至GENELEC1029A监听音箱，调音台的AUX1输出给主持人监听，AUX2输出给120平方米演播室调音台。

    120平方米演播室采用YAMAHAMG24/14FX24路模拟调音台，进入调音台的输入信源分别为：

4路话筒、2台VTRCH1-CH4、2台硬盘录像机CH1-CH4、4路EXT1-4、2路热线电话（具有时间延时）、1台DVD信号L/R、1路60平方米虚拟演播室调音台AUX2输出、1路通话，合计22路信号通过音频跳线板接入调音台；调音台主输出PGM信号经过音频跳线板和立体声音频分配器后，2路送至主备音频嵌入器，1路送到WVR6100A2输入，1路送给VTR。

调音台的Monitor输出至GENELEC1029A监听音箱，调音台的AUX输出给主持人监听。

    WVR6100同时可显示2个通道的嵌入音频和6个通道的模拟音频信号电平，可以对播出模拟和数字SDI嵌入音频信号进行监测。

    六三维数字虚拟演播室系统设计

    南京广播电视台三维数字虚拟演播室系统设计以技术先进、系统安全、经济实用为原则，根据节目制作实际需要和直播安全性要求，对国内外现有主流虚拟演播室产品的关键技术、性能、价格进行综合比较。

系统最后采用了新奥特NASET独立通道系统构架的双机位、双通道三维虚拟演播室系统。

考虑到60平方米虚拟演播厅空间有较大的限制，无论是被拍摄人员还是摄像机都不可能有足够的空间运动，左右只有两米移动范围，前后只有一米移动范围，摄像机跟踪目前只采用固定机位机械跟踪技术。

    1.系统构架方案比较：

独立通道VS共用通道

    虚拟演播室系统一般采用独立通道和共用通道2种系统构架。

独立通道系统构架是指每台摄像机输出的前景信号都分别经过各自对应的数字视频延时器处理后，通过数字色键器与相应的图形图像处理工作站实时渲染输出的虚拟背景信号共同合成输出虚拟演播室合成信号，各路合成信号最后经过切换台播出最终节目信号。

共用通道系统构架是指多台摄像机输出的前景信号首先经过切换开关选择后，仅有1路主前景信号经过数字视频延时器处理后，通过数字色键器，与图形图像处理工作站实时渲染输出的虚拟背景信号共同合成一路虚拟演播室合成信号，作为最终节目信号。

    虚拟演播室独立通道与共用通道系统构架方案相比，优点是采用独立通道构架可以为每个机位提供独立的预监合成信号，方便自由调机和拍摄；采用独立通道构架，系统中每台摄像机所在通道都输出一路合成信号接入切换台，可方便实现各机位间的叠画和扫画等操作；采用独立通道构架，可以通过监看预监，方便调整每个机位色键参数，确保每个机位都获得较好的合成效果；采用独立通道构架，独立通道间可以互为备份，系统安全系数大大增加。

缺点是采用独立通道构架，每个机位均配置一套数字视频延时器、一套数字色键器和一套图形图像处理工作站，系统造价昂贵。

    随着国内虚拟演播室技术迅猛发展，图形图像处理工作站性能不断提高，价格也大幅度降低，因此我们方案选择了独立通道系统构架。

    2.跟踪方式的比较：

网格VS机械

    摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、演员或主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。

目前，摄像机跟踪技术主要有网格识别和机械传感两种方式。

    网格识别主要优点有：

可以获取摄像机的8个参数，摄像机种类、型号、数量不受限制，无需繁琐的镜头校准，摄像机可以不用轨道进行移动，一个跟踪器可同时用于多个摄像机。

但其缺点在于：

为了精确的跟踪，必须使网格图案保持清晰，这使得摄像机景深范围受到限制；只有当画面中含有一定数量的网格图案时，系统才能进行测量计算，使得演员的活动范围受到一定的限制，无法拍摄一些特写镜头；由于背景有深浅两种蓝色，对演播室布光要求比较严格，对色键器的质量要求很高。

    机械传感主要优点有：

测量摄像机运动参数非常精确，旋转角度可以达到0.001°，移动距离可以达到0.01毫米的精确度；摄像机运动不受限制，演员在蓝色布景范围内的活动自由度大。

但其缺点在于：

每台摄像机必须有一个跟踪器；摄像机移动不便，定位、镜头校准较复杂。

    网格和传感器各有所长，目前较为流行的几种虚拟演播室系统，在以某种跟踪技术为主的同时还融入了另外一种以及更为先进的技术，如红外线跟踪技术、超声波跟踪技术、辅助摄像机技术。

    考虑到60平方米虚拟演播厅空间有较大的限制和价格因素，目前我们方案选择了只采用固定机位机械跟踪技术。

    3.虚拟演播室方案介绍

    如图3，系统方案采用了新奥特NASET独立通道系统构架的双机位、双通道三维虚拟演播室系统。

2讯道摄像机对应各自独立的视频通道（每个通道包括：

一套独立的传感系统，一套独立的数字视频延时器，一套独立的3D图形图像处理工作站，一套独立的数字色键器），摄像机输出的前景信号分别经过视频延时器处理后，送入色键器，与图形图像处理工作站实时渲染输出的3D图形背景信号合成为虚拟演播室的合成信号，摄像机的各种参数（平摇、俯仰、推拉）信息通过传感器送入电脑进行数据分析，使输出的图形背景根据前景的变化同步作相应的透视变化。

虚拟演播室系统的两路合成输出信号分别接入切换台，通过切换台进行各种切换制作最终节目信号。

    4.三维数字虚拟演播室系统的总体功能要求

    传感跟踪系统：

目前仅要求实现对固定机位的摄像机进行跟踪，今后可根据需要方便实现对移动机位的跟踪。

跟踪系统要求摄像机初始化定位方便、快捷，实现对固定机位的摄像机做水平摇移、俯仰及变焦等运动的高精度、高速度跟踪，系统跟踪主输出合成图像的前景部分和背景部分同步运动，图像连续，无抖动、无漂移、无撕裂。

    遮挡键功能：

虚拟景物既能作为真实人物的背景出现，也能作为前景出现，即我们常提到的“遮挡”功能，目前仅要求手动控制，今后可根据需要，实现自动遮挡。

    实时三维虚拟场景渲染输出：

基于OPEN-GL图形渲染平台之上，采用高质量的专业3D加速处理卡，配以相应的场景处理技术，实时渲染输出复杂三维虚拟场景模型。

    场景调整：

三维场景中的物体都是模型搭建的，用户只需选中需要修改的任何物体，即可实时地随意改变其大小、位置、颜色及材质，动态改变场景中各种虚拟物体的属性。

    场景显示效果：

三维系统的虚拟场景建立在矢量模型实时生成的基础上。

因此，当摄像机推近景的时候，无论场景放大到什么程度，都可以保证三维场景清晰地显示。

    场景范围：

三维系统的虚拟场景的大小不受限制，允许摄像机在360°空间任意运动拍摄，配合无限蓝箱技术，可实现全场景显示。

    场景文件格式：

支持3DMAX、Maya等主流三维建模软件制作的*.3DS或*.WRL文件。

    三维虚拟屏幕电视墙开窗功能：

系统支持多个大屏幕电视墙开窗，具有1路SDI活动视频输入，支持多路视频和动画同时播放，对虚拟大屏幕的播放内容、运动轨迹、DVE等参数可自由设定。

    色键器要求采用美国Ultimatte公司的400型双通道数字色键器，该数字色键器针对画面的三个分量（Y，B-Y，R-Y）的每一路进行处理，并分别产生一个线性键。

与传统的色键处理相比，Ultimatte数字色键处理具有以下特点：

完全相加混合前景与背景，可以再生像透明物体上的倒影那样的清晰效果；用特有的算法产生遮罩（matte）信号，可以更好地从前景物体中区分出背景；用抑制衬底及平抑蓝溢出的特殊算法处理前景的同时，允许在前景上再现蓝色阴影。

    本次数字化技术改造工作取得了预期效果，系统总体性能指标均满足南京广播电视台节目制作需

    要，系统整体造价得到大幅度的降低。

总结经验主要是领导重视，方案论证充分，设备选型务实。

以上案例足以说明加强台内技术管理，注重科技创新，是降低节目生产成本，提高生产效率的有效手段。

    摘自《现代电子技术》