转-虚拟布景技术的应用

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最早的虚拟现实技术应用于军事和航空领域，应用成本相当昂贵。它通过计算机仿真技术模拟出虚拟的现实世界，再利用某种人机交互手段使人感到置身于真实世界。比如飞行模拟训练器：受训人员可以观察驾驶舱屏幕，通过驾驶盘、操纵杆等传感系统来控制飞机的起飞、降落。虚拟演播室则是今年来虚拟现实技术和传统的色键抠像技术的结合在电视节目制作领域中的应用。随着广大电视观众对电视广播以及各种实时娱乐欣赏水平的不断提升，用户开始追求各种新颖、奇特的实时效果，并引导着电视广播技术往着向数字化、实时化方向发展，为满足这种市场需求，虚拟布景系统也正日益受到广大电视工作者的认可。
　　所谓虚拟布景技术是指将计算机制作的虚拟三维场景与真实的人或物体的活动图像进行数字化的实地合成，使人或物体与虚拟背景能够同时变化，从而实现两者融合。
　　传统的虚拟演播系统由两个联机和脱机部分组成。联机部分包括色键合成器和具有蓝色前景的演播室；跟踪系统是能够检测和提供摄像机参数、演员位置的系统；背景生成系统，即能够根据摄像机参数实时形成背景图像的成像系统；合成系统，即把前景的演员图像和虚拟背景图像实时混合的系统。脱机部分一般包括虚拟背景的设计和生成，如场景中三维模型物体的建立和场景的整体设计等。
　　其工作过程是将计算机制作的三维数学模型和帖在模型表面上的纹理映射存储在图形工作站的数据库中，然后在前景摄像机运动参数的控制下，虚拟摄像机对预先制作的虚拟布景进行三维重建，即将三维模型通过工作站提供给虚拟场景制作软件系统，场景需要对事先制作的虚拟布景进行控制和操作，利用纹理匹配工具使物体更具真实感。
　　但基于传统的虚拟布景系统也存在诸多的不足。如对静止背景与动态的人或物进行虚拟合成时，从不同角度观看合成图像很可能出现不同的效果。同时，为了解决由网格识别而引起的视频延迟给制作带来不便，摄像机必须缓慢稳定地操纵才能使虚拟场景可靠地跟踪。除此之外，拍摄特写镜头时受到网格的限制，演员的活动范围和摄像机的景深范围受很大程度的限制。关键性的虚拟场景的灯光和实际拍摄时的灯光也很难配合。
　　为了解决传统虚拟布景系统中的种种不足，NVIDIA于近期发布了基于广播视觉处理的解决方案——NVIDIA Quadro 数字视频管线（DVP），这是一种基于GPU的全集成解决方案，可用于捕获、处理以及实时生产高分辨率的视频。摆脱了传统虚拟布景系统中有角度偏差、灯光、延迟等因素导致的真实感不足等问题。
　　相对传统虚拟布景系统中应用的各种复杂而昂贵的设备，NVIDIA Quadro数字视频管线全集成解决方案，使用简单而价格也低很多。NVIDIA Quadro 数字视频管线解决方案由一块用于捕捉视频流的Quadro SDI Capture 采集卡和一块用于输出合成视频流的Quadro SDI Output输出卡组成。同时，还需一张支持SDI解决方案的高端Quadro FX系列专业卡配合使用。目前，NVIDIA Quadro数字视频管线集成解决方案包括了基于数字广播、电影后期制作以及互联网视频流的一系列解决方案。
　　数字广播虚拟背景实时合成

图1 基于数字广播的实时虚拟布景解决方案

　　如上所示，我们只需一台配置Quadro FX高端系列专业卡的主机，通过PCI插槽接入Quadro SDI采集卡和Quadro SDI输出卡，便可很容易的实现虚拟布景的实时显示，以实现如同真实的画面效果。
　　与传统虚拟布景的复杂场景布置不同，通过Quadro SDI采集卡，我们最多可同时捕捉4个HD-SDI单链路源，让多流、未压缩的视频直接流入Quadro SDI采集卡显存中，并支持所有SMPTE标准格式，如3G、2K、高清等。其实现原理便在于非压缩视频流易编辑，能与其它视频流数据合成处理并显示。
　　通过将Quadro SDI采集卡捕捉的视频流放入GPU缓存，再通过在高端专业卡上对捕捉视频流与虚拟背景的合成处理，我们便可通过Quadro SDI输入卡实现视频的输出显示。
　　Quadro SDI输出卡能让用户将二维与三维特效实时的合成到2K、标清以及高清视频中，并能实现与外部同步锁相或Quadro SDI采集卡的同步，实现无延迟显示效果。
　　除此之外，NVIDIA Quadro数字视频管线全集成解决方案还用于电影后期制作。

　电影后期制作

图2 基于电影后期制作实时预览的解决方案

　　Quadro SDI采集卡能直接捕捉最高12位色SDI视频，可从摄像头、胶片扫描机、数字数据录像机以及视频磁带录像机（VTR）捕捉源内容。此外，Quadro SDI 还能让用户在SDI监视器或投影仪上进行精确的实时预览。
　　通过使用NVIDIA Quadro数字视频管线解决方案，可在电影的后期制作过程中加入特定的场景或特效，通过在Quadro GPU上进行视频的编辑与合成，使从事电影制作的人士得到想要的电影效果。
　　互联网视频流编码

图3 基于GPU的互联网视频流编码解决方案

　　Quadro数字视频管线为广播质量视频的捕捉和编码提供了最佳捷径，是新媒体市场的理想平台。以上为基于GPU的互联网视频流编码，我们可通过一张Quadro SDI采集卡捕捉视频，通过在Quadro GPU加工编码后可通过互联网传输。
　　目前来说，支持Quadro数字视频管线的Quadro解决方案包括Quadro FX 5800、Quadro FX 4800、QuadroFX 3800以及Quadro CX系列。Quadro FXSDI专业级图形解决方案均兼容所有基于CUDA的应用程序，支持最多4GB显存，并拥有双槽与多槽两种解决方案。
　　Quadro Digital Video Pipeline将会在今年8月份开始出货，售价在5000~8000美元之间，相对传统的虚拟布景系统，无论在价格上还是在实现效果方面，Quadro数字视频管线集成解决方案都有着无可比拟的性价比。

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