автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.18, диссертация на тему:Исследование и разработка методологии оптимизации видеокомплексов различного назначения

Анализ требований к видеокомплексам Структура, классификация и задачи видеокомплексов различного назначения и уровня сложности Структура телецентра Основы технологии телепроизводства Внестудийные средства вещания Форматы видеозаписи Аналоговые форматы видеозаписи Цифровые форматы видеозаписи Классификация форматов видеозаписи Дисковые устройства видеозаписи Классификация дисковых устройств Совместимость и взаимозаменяемость видеоаппаратуры

Преобразование сигналов изображения и звука в видеокомплексах

Интерфейсы

Многократное копирование и каскадное соединение устройств со сжатием

Системы автоматизации вещания

Студии виртуальной реальности

Выводы к главе

Разработка методологии оптимизации видеокомплексов

Критерии оптимизации, номенклатура оптимизируемых параметров и характеристик Расчет эффективности видеокомплексов монтажа Оценка эффективности видеокомплекса методами обобщенного показателя

Оптимизация видеокомплексов методами нелинейного и линейного программирования Метод интерактивной оптимизации Методы обработки и анализа результатов Выводы к главе II

Оптимизация видеокомплексов различного назначения (монтажные и новостийные студии) Монтажные студии

Проекты монтажных студий с совместным использованием интерфейсов RS-422 и LANC Проекты монтажных студий на основе монтажной системы FXE-120P

3.1.3 Проекты монтажных студий на основе системы

Video Machine

3.1.4 Проекты монтажных студий на основе генератора спецэффектов Magic DaVE 4D

3.1.5 Проекты монтажных студий на основе систем спецэффектов фирмы Pinnacle Systems

3.2 Основные принципы построения новостийных сту

3.2.1 Проект новостийной эфирной студии

Выводы к главе

Глава IV Проектирование студий виртуальной реальности

4.1 Общие принципы построения студий виртуальной реальности

4.2 Техника совмещения «живого» изображения с виртуальной средой

4.3 Способы достижения эффекта виртуальной реальности

4.4 Способы контроля движения видеокамеры в системах виртуальной реальности

4.5 Взаимодействие актера с виртуальной средой

4.6 Проекты недорогих студий виртуальной реальности

Выводы к главе

Видеокомплекс - это взаимосвязанная система из телевизионной аппаратуры и оборудования, обеспечивающая все технологические приемы создания телепрограммы. Одно и тоже качество программы может достигаться применением видеокомплексов разной структуры и сложности, а значит их эффективность, т.е. затраты на приобретение и эксплуатацию, производительность работы, требуемая квалификация работников и др. аспекты будут разными. Поэтому важным является вопрос о технической и экономической оправданности того или иного комплекса для выполнения определенных задач.

Цифровые технологии в телевидении возникли далеко не вчера. Однако только в настоящее время есть все основания говорить об эре перехода от аналоговых технологий к цифровым, в том числе от аналоговых форматов видеозаписи к цифровым. Именно появление на мировом рынке новых цифровых форматов видеозаписи, таких как DVCPRO, DVCAM, D9 (Digital-S), Betacam SX, сделало процесс перехода от аналоговой техники к цифровой практически необратимым. Цифровая техника не просто улучшает технические показатели телевизионного оборудования - кардинально меняется вся технология производства и распределения телевизионных программ. По существу, речь идет о проникновении цифровых технологий во все сферы технической базы современного телевидения.

Однако вряд ли кто принимает решение о переходе на цифровые методы из «любви к искусству». Причины здесь, прежде всего, экономические. Эксплуатация грамотно построенного цифрового комплекса обходится дешевле, чем традиционного аналогового комплекса с теми же возможностями. Цифровой комплекс надежнее работает, требует меньше технического обслуживания. Поэтому для телекомпаний, желающих оставаться «на плаву», вопрос состоит не столько в том, переходить на цифровые технологии или нет, сколько в том, когда и в каком объеме. Относительно просто этот вопрос решается для компаний, находящихся в начале 5 пути. Это - сплошной переход на цифровые телевизионные технологии. Существенно сложнее тем, кто уже имеет солидную техническую базу, основанную на аналоговом оборудовании. Как правило, здесь требуется очень взвешенная, поэтапная модернизация.

Главная задача телеорганизации - создание конкурентоспособной программы на рынке информационных услуг. Для этого программа должна быть, прежде всего, высокоэффективной, т.е. затрачиваемые на ее создание технические и экономические ресурсы должны сопоставляться с той задачей, которая ставится конкретным вещателем. Для создания «высокоэффективных» программ нужен и «высокоэффективный» видеокомплекс. Видеокомплекс - это основные средства производства телекомпании, поэтому при его разработке нужно учитывать не только текущие, но и перспективные задачи, для решения которых в будущем не потребуется коренной перестройки, а достаточно постепенного наращивания мощностей.

В качестве «высокоэффективного» видеокомплекса будем рассматривать такой комплекс, в котором оптимально сочетаются технические, творческие, экономические, функциональные, эксплуатационные и другие требования, необходимые для достижения определенной цели вещателя. Организация телевещания с оптимизационным подходом получила название «Системная интеграция телепроизводства» и была впервые в полном объеме разработана автором [1]. Системная интеграция предполагает поиск таких способов использования различной аппаратуры, чтобы создать функционально законченную систему под определенные задачи и эффективную по стоимости. Для этого необходимо исследовать все оборудование, изучить его характеристики, функции, принципы управления элементами системы, интерфейсы, возможности постепенного расширения, возмещения затрат на оборудование с максимальной выгодой. Причем при создании видеокомплекса необходимо учитывать как настоящие, так и будущие требования. Системная интеграция - это такое объединение систем, 6 объектов, в основе которого лежит системный подход. В свою очередь, системный подход - это подход к решению любой сложной задачи с учетом всего многообразия влияющих факторов, всех внутренних связей между системами, объектами.

Сегодня вопросы системной интеграции оборудования становятся вопросами первостепенной важности. И связано это, прежде всего, с появлением новых цифровых компонентных форматов видеозаписи. Это существенное дополнение к уже существующим форматам делает выбор основного формата для своей компании, а тем более выбор мультиформатной студии, задачей не из легких.

Безусловно, никто не запрещает потребителям полупрофессионального и профессионального рынков использовать формат Digital Betacam, так же как и вещательным компаниям использовать DV или S-VHS в случаях, когда стоимость является критическим параметром. При выборе формата записи видеооборудования для конкретной компании осознанно или неосознанно учитывается множество факторов: технических, экономических, организационных и даже политических.

Реализация системной интеграции требует выполнения работ по двум направлениям: создание нормативной базы на элементы видеокомплекса и разработка методов и принципов оптимизации видеокомплексов. Нормативной базой системной интеграции являются международные и государственные стандарты по телевещанию. Благодаря усилиям комитетов по стандартизации ITU и МЭК ( прежде всего это работы М.И. Кривошеева [2, 3, 4] ) достигнуты большие успехи. Приняты стандарты на системы по кодированию, цифровому сжатию, интерфейсам, по форматам цифровой видеозаписи. Работы по отдельным элементам систем производства программ проводились и проводятся такими известными компаниями как Sony, Panasonic и др. Отдельные вопросы системной интеграции в телевидении рассматривались и другими авторами [5, 6, 7,8,9,10,11,12,13]. 7

Данная работа посвящена разработке принципов, методологии, критериев, технологии создания видеокомплексов, обеспечивающих решение конкретных телевещательных задач.

Анализ развития современного телевидения позволяет сформулировать следующие основные принципы построения видеокомплексов:

- максимально возможное качество программы при заданных условиях;

- оптимальное сочетание форматов видеозаписи;

- обеспечение совместимости интерфейсов;

- обеспечение многофункциональности;

- интеграция имеющегося оборудования с проектируемым;

- блочно-модульное проектирование;

- учет перспективы развития телевизионных технологий;

- оптимальное соотношение цена/качество.

Каждый видеокомплекс представляет собой довольно большую систему, отдельные элементы которой не всегда одноформатны и создаются различными разработчиками. Поэтому необходимо обеспечить функциональную и электрическую совместимость всех составляющих. Видеокомплекс должен обеспечивать возможность наращивания функциональных возможностей и улучшения характеристик постепенным добавлением новых элементов. Таким требованиям отвечает блочно-модульный принцип проектирования. Разработка конфигурации видеокомплекса с учетом всех перечисленных требований представляет собой сложную научно-техническую проблему. Ее решение с использованием новейших компьютерных технологий в процессе проектирования представляется очень актуальным.

При оптимизации видеокомплекса важным является выбор такой величины (или параметра), которая отражала бы основные свойства системы, 8 была бы достаточно понятной для реализации и позволяла бы проводить процедуру оптимизации. В качестве такой величины введем обобщенное понятие «эффективность видеокомплекса» по отношению к решаемой задаче. Решающими при выборе технологии и структуры комплекса могут быть самые разные, порой совершенно неожиданные факторы, но чаще всего это: качество производимой программы (формат видеозаписи), стоимость, производительность, оперативность, многофункциональность, возможность поэтапного наращивания, взаимозаменяемость, надежность, сложность освоения, эксплуатационные затраты и др.

Существование многих форматов и стандартов на основные элементы видеопроизводства ставит также задачу системной интеграции как в рамках одного формата, так и в условиях разноформатности. Эти задачи часто усложнены ситуацией, когда нужно проводить оптимизацию с учетом имеющегося в компании оборудования.

Качество программы, создаваемой на видеокомплексе, зависит от принятого базового формата видеозаписи, определенных преобразований сигналов изображения и звука, взаимозаменяемости и совместимости аппаратуры, используемых интерфейсов и др. Компьютерные технологии стали существенным элементом в структуре видеокомплекса. Они могут быть не только отдельными элементами системы, но могут иметь и самостоятельное значение.

Под эффективностью видеокомплекса будем понимать степень его приспособленности к выполнению конкретной задачи. В качестве критерия эффективности введем функцию E=E(pi,p2,.pn), где рп - параметры, характеризующие видеокомплекс. Видеокомплекс может характеризоваться очень многими параметрами, но основными являются следующие: pi -техническое качество производимой программы, р2 - общая стоимость, р3

- оперативность работы, р4 - многофункциональность, р5- надежность, р6

- эксплуатационные затраты, р7 - возможность постепенного развития (ап9 грейда). Задача оптимизации видеокомплекса теперь сводится к нахождению максимума функции Е путем подбора ее переменных (параметров). Функция Е многомерная и нелинейная, поэтому нахождение ее максимума представляет собой сложную математическую задачу. В общем случае оптимизацию функции Е можно проводить методами нелинейного программирования [14]. Если в каких-то частных случаях, например, в области оптимальности, ее можно представить в линейном виде, то возможно применение методов линейного программирования. Однако и в том, и в другом случаях требуется знание аналитического вида функции EfpJ, что практически нереально. В диссертации рассматриваются эти случаи для наиболее простых систем - монтажных комплексов.

Как уже указывалось, видеокомплекс создается под определенные задачи, поставленные потребителем. Это означает, что при оптимизации накладываются определенные ограничения. Например, потребитель самостоятельно устанавливает формат видеозаписи, ограничивает стоимость определенным бюджетом, требует использования уже имеющейся аппаратуры и др. Другими словами, он задает значения некоторых параметров p0l. Тогда эффективность данного комплекса может быть представлена в виде Е0 = E(poi,po2, ■■■Рок,Рк+1--Рп)', здесь к - число заданных параметров. При заданных ограничениях функция Е может и не иметь максимума, а поиск оптимума будет сводиться к нахождению ее наибольшего значения. Цель диссертационной работы - создание единого методологического подхода для разработки оптимизированных видеокомплексов, обеспечивающих наиболее эффективное проектирование, построение и эксплуатацию, и производство конкурентоспособной видео и аудио продукции;

- практическая реализация полученных результатов для разработки видеокомплексов с заданными требованиями;

- повышение качества вещания путем создания воидеокомплексов, наиболее полно реализующих потенциальные возможности аппаратуры.

10

В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи: изучение вопросов совместимости, взаимозаменяемости оборудования одного формата, разных форматов, одного производителя, разных производителей; исследование специфики преобразования сигналов изображения и звука в видеокомплексах; исследование критериев оптимизации видеокомплексов различного назначения и разработка номенклатуры оптимизируемых характеристик; анализ и рекомендации форматов видеозаписи для видеокомплексов, отвечающих требованиям оптимизации; разработка алгоритмов проектирования видеокомплексов для эффективного решения задач по производству программ; разработка принципов создания малобюджетных студий виртуальной реальности.

Структура диссертации определяется поставленными задачами. В первой главе проводится анализ всех факторов, влияющих на эффективность видеокомплекса, исследуется преобразование сигналов изображения и звука. Во второй главе описываются методология оптимизации, критерии оптимизации, номенклатура параметров и характеристик. В третьей главе приведены результаты оптимизации видеокомплексов различного назначения, в частности, новостийных студий, систем линейного и нелинейного монтажа, тележурналистских комплексов. В четвертой главе представлены результаты по разработке студии виртуальной реальности.

Диссертация завершается изложением основных результатов и списком цитируемой литературы.

11

Основные результаты и выводы

1. Обоснован выбор параметров и критериев оптимизации видеокомплексов. Установлены основные факторы, влияющие на выбор базового формата видеозаписи. Сформулированы принципы проектирования видеокомплексов с учетом электрической, форматной и программной совместимости отдельных элементов. Предложена классификация цифровых форматов видеозаписи по их назначению, отличающуюся тем, что позволяет давать предварительную оценку эффективности использования выбранного формата для конкретных задач вещателя.

2. Сформулирована концепция системной интеграции , позволяющая создавать высокоэффективные видеокомплексы разного назначения. Разработаны методические предложения, позволяющие проводить процедуру оптимизации видеокомплексов.

3. На основе требований нормативных документов и статистического анализа основных требований вещателя разработаны номенклатура оптимизируемых параметров и критерии оптимизации видеокомплексов с применением методов обобщенного показателя, нелинейного и линейного программирования. Выбор приемлемого способа оптимизации определяется назначением и типом видеокомплекса, количеством и характером оптимизируемых параметров, заданными начальными условиями.

4. Предложен феноменологический подход к исследованию эффективности видеокомплекса на основании требований вещателя и максимизации обобщенной эффективности видеокомплекса. На основании расчета эффективности двенадцати линейных монтажных систем показана возможность использования предложенного метода для определения оптимального видеокомплекса.

5. Разработан и внедрен принципиально новый метод оптимизации видеокомплексов различного назначения и сложности - метод интерактивной оптимизации. Он позволяет через Интернет в реальном времени вы

124 брать один из более чем 10 миллионов комплексов для телерадиовещания, наилучшим образом отвечающий техническим, финансовым и другим требованиям вещателя. Внедренная «Интерактивная система подбора комплексов для телерадиовещания» эксплуатируется тысячами потребителей в течение двух лет. Приведен пример реализации метода для выбора оптимального тележурналистского комплекса (ТЖК).

6. Разработана виртуальная студия с предварительным расчетом виртуальных декораций. Преимуществом разработанной системы является высокая степень реалистичности виртуальных объектов при невысоких требованиях к аппаратному и программному обеспечению.

И в заключение заметим, что здесь важно правильно поставить задачу, определить стратегию ее реализации и решить ее с оптимальным соот ношением цена/качество. Выводы к главе 3.

1. Методом интерактивной оптимизации разработаны детальные проекты монтажных и новостийных студий. В проектах предусмотрено использование разноформатной аппаратуры различного уровня сложности и качества. Анализ приведенных примеров позволяет сделать рад полезных выводов: не всегда использование цифрового интерфейса SDI приводит к максимально возможному качеству видеосигнала, например, при использовании любого 8-битного цифрового видеомагнитофона в процессе однократного сброса видео целесообразнее использовать короткое соединение по имеющемуся аналоговому компонентному интерфейсу, как с точки зрения качества, так и стоимости; во всех случаях многократного соединения использование SDI интерфейсов абсолютно оправдано.

102

ГЛАВА IV ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТУДИИ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Переживаемое нами в последнее десятилетие бурное развитие компьютерной и цифровой техники, появление совершенных и мощных программных средств компьютерной графики привело к возникновению нового направления в компьютерных технологиях - технологии виртуальной реальности. Эта технология в последнее время получает все большее распространение и вызывает всеобщий интерес. Не обошла она стороной и производство телевизионных программ. За рубежом существует уже достаточно много фирм-разработчиков, направляющих свои усилия на создание различных студий виртуальной реальности, а крупнейшие телевизионные компании обзавелись такими студиями и активно их используют.

Студия виртуальной реальности - это студия без декораций. Специальное оборудование, составляющее основу этой студии, позволяет поместить находящихся в ней людей и настоящие предметы в реально не существующий интерьер (рис. 4.1).

Рис.4.1. Пример виртуального интерьера.

Этот интерьер, так называемая виртуальная декорация, создается с помощью компьютеров методами трехмерной графики. В определенном смысле съемка в виртуальной студии является разновидностью давно и хорошо известного метода комбинированной съемки, когда реальный артист

103 совмещается с искусственной декорацией, но реализован этот метод на базе современных компьютерных технологий. Естественно, что использование технологии виртуальной реальности предоставляет создателям телепрограмм новые, ранее недоступные возможности.

Помимо расширения творческих возможностей, к преимуществам виртуальных студий можно отнести и то, что их использование позволяет избежать значительных расходов, связанных с изготовлением и монтажом декораций, необходимостью частого переоборудования съемочных павильонов. Экономия студийных площадей и возможность создания в маленькой студии сложных проектов также очень важны, особенно для небольших телекомпаний.

Стоимость систем виртуальной реальности пока еще очень высока, и потому они еще достаточно долго будут доступны лишь очень ограниченному числу крупных компаний. В то же время, как будет показано ниже, многие эффекты из арсенала дорогостоящих студий виртуальной реальности можно реализовать гораздо более простыми и недорогими средствами.

4.1 Общие принципы построения студий виртуальной реальности

Как уже отмечалось, основным элементом виртуальной студии является так называемая Blue Room («голубая комната»). На этом синем фоне действуют актеры, а сам фон при помощи метода цветовой рир-проекции может быть замещен любой необходимой по сюжету передачи компьютерной декорацией. Компьютерное пространство, в котором действуют живые актеры, не остается статичным. Вычислительная мощность используемых в системах виртуальной реальности компьютеров такова, что трехмерная сцена может обсчитываться в реальном масштабе времени. Это позволяет отслеживать перемещения съемочной камеры и достигать эффекта перемещения камеры относительно виртуальной декорации, добиваясь тем самым полной иллюзии присутствия актера внутри этого компьютерного пространства. На поверхности виртуальных объектов могут про

104 ецироваться различные отражения. Типовая схема построения систем виртуальной реальности представлена на рис. 4.2. Изображение артиста, снимаемого обычной видеокамерой на синем фоне, через линию задержки поступает на вход устройства цветовой рир-проекции. Изображение виртуальных декораций, синхронизированное с перемещением камеры, рассчитывается компьютером в реальном времени и также поступает на блок рир-проекции, на выходе которого получается совмещенное изображение. Далее мы рассмотрим более подробно основные компоненты студий виртуальной реальности [15, 1].

- Video

Линия задержки --* \ / Компьютер (SGI ONYX Infinite Reality) jj- / 9 / / ./. Расчет виртуальной декорации в реальном времени

Информация с датчиков перемещения видеокамеры

Специализированная плата вывода (SGI Sirius))

Цифровой хромакейер

Ultimate-8)

Программа

Рис.4.2. Структурная схема системы виртуальной реальности.

4.2 Техника совмещения «живого» изображения с виртуальной средой

На сегодняшний день все системы виртуальной реальности используют традиционный метод цветовой рир-проекции (Chromakeying) для совмещения изображений. При этом методе съемка ведется на ровном одноцветном фоне, который впоследствии замещается другим изображением. Как правило, применяется рир-проекция по синему цвету. Естественно, что в одежде снимающегося на синем фоне артиста не может быть никаких деталей этого цвета.

105

Одной из ведущих фирм, производящих устройства для рир-проекции, является фирма Ultimate. В большинстве систем виртуальной реальности применяются устройства Ultimate System 7 или System 8 этой фирмы. Эти совершенные цифровые устройства позволяют совмещать несколько слоев изображения.

Метод цветовой рир-проекции достаточно «капризен» и требует весьма тщательной настройки оборудования, камер и света даже при неподвижной камере. В том случае, когда камера свободно перемещается в пространстве или используется несколько камер, обеспечить качественную «прорезку» фона становится еще труднее. Поэтому предъявляются весьма высокие требования к качеству синего задника в студии. Применяются специальные светоотражающие краски, в углах между стенами и полом делаются плавные скругления, обеспечивается максимально равномерное освещение.

Совсем недавно израильская фирма ORAD, один из лидеров в области систем виртуальной реальности, предложила новый метод совмещения изображений, названный ею дифференциальной рир-проекцией (Difference Keying).

Идея этого метода достаточно проста: в памяти компьютера хранится шаблон - образ студии, в которой происходит съемка, и он вычитается из изображения, поступающего от съемочной камеры. Таким образом, в кадре остаются только те объекты, которых не было на шаблоне, занесенном в память компьютера (например, изображение вошедшего в студию артиста). Этот метод требует значительных вычислительных ресурсов, поскольку требуется в реальном времени обрабатывать по пикселам изображение с высоким разрешением. ORAD впервые продемонстрировала новый метод на прошедшей в 1997 году выставке NAB (до этого времени в системах ORAD используется обычная цветовая рир-проекция).

106

Если метод дифференциальной рир-проекции будет успешно реализован, это позволит исключить из оборудования виртуальной студии такой неотъемлемый ее элемент, каким является сегодня синий задник. При этом будут сняты и ограничения, связанные с использованием синего цвета. Очевидно, что такая технология имеет хорошие шансы на успех.

4.3 Способы достижения эффекта виртуальной реальности

Как уже отмечалось, практически во всех системах для получения эффекта виртуальной реальности используются мощные многопроцессорные компьютерные системы, выполняющие расчет трехмерной виртуальной сцены в реальном масштабе времени.

Для того, чтобы создать иллюзию движения съемочной камеры относительно виртуального пространства, в системах виртуальной реальности непрерывно отслеживается и поступает в компьютер информация о положении камеры в реальном студийном пространстве. Эта информация включает в себя пространственные и угловые координаты камеры и фокусное расстояние ее объектива (угол зрения).

При формировании изображения виртуальной декорации эти данные определяют точку зрения, из которой компьютер строит вид трехмерной сцены.

Часто камера устанавливается в студии на неподвижном штативе или пьедестале. Это позволяет несколько упростить задачу и ограничиться анализом только угловых перемещений камеры и фокусного расстояния.

В других случаях, наоборот, учитываются дополнительные параметры. Так, например, в системе ELSET фирмы ACCOM (США) в зависимости от расстояния, на которое сфокусирован объектив камеры, одни планы изображения виртуальной декорации делаются более четкими, а другие, наоборот, более расплывчатыми. Таким образом, имитируется ограниченность глубины резкости объектива, что позволяет достичь большей естественности сформированного изображения.

107

В любом случае решение описанных задач в реальном времени требует очень больших вычислительных мощностей. Практически стандартом стало использование в системах виртуальной реальности компьютеров фирмы Silicon Graphics Instruments, которые в наибольшей степени ориентированы на решение сложных задач компьютерной графики.

В большинстве случаев используется компьютер ONYX Infinite Reality фирмы SGI.

Следует заметить, что даже при той производительности вычислений, какую обеспечивают эти компьютеры, время, затрачиваемое на пересчет сцены при изменении положения камеры составляет обычно порядка 3-4 кадров. Это вызывает необходимость предусматривать в системах соответствующие линии задержки для компенсации рассогласования компьютерного изображения с изображением, поступающим с видеокамеры.

По этой же причине в том случае, когда в студии используется несколько камер, большинство разработчиков виртуальных систем используют отдельный компьютер на каждый камерный канал. Что касается программного обеспечения, то диапазон пакетов трехмерной графики, применяемых для создания виртуальных декораций, достаточно широк. Среди них можно отметить такие пакеты, как Alias/Wavefront Power Animator, ElectroGig, Softimage 3D.

Трехмерная модель виртуальной декорации создается, разумеется, заранее. Во многих случаях тогда же могут быть определены требуемые фактуры поверхностей и просчитаны необходимые световые эффекты.

На долю обработки в реальном времени приходятся согласованное с движением камер построение видов и расчет компьютерной анимации. Программное обеспечение виртуальных студий часто допускает также интерактивное взаимодействие с оператором за пультом, который может оперативно изменять виртуальную обстановку: добавлять в нее новые эле

108 менты или заменять одни объекты на другие, внедрять компьютерную анимацию или «живое» видео.

Системы, которые используют мощные компьютеры и программное обеспечение трехмерной компьютерной графики для создания эффектов виртуальной реальности, относятся к так называемым ЗБ-системам.

Наряду с ЗБ-системами существуют и 2Б-системы виртуальной реальности. В этих системах для имитации перемещения камеры относительно виртуальной декорации используются обычные цифровые видеоэффекты (DVE).

Этот метод реализован в системе Virtual Scenario - совместной разработке Би-Би-Си и фирмы RADAMEC BROADCAST. Здесь датчики, установленные на съемочной камере управляют не компьютерами, а специальным высококачественным блоком DVE.

Угловые перемещения камеры имитируются с помощью эффектов панорамирования и вращения плоскости изображения в сочетании с перспективными искажениями, а наезд/отъезд камеры - с помощью масштабирования видеоизображения. Линейные перемещения камеры в такой системе невозможны.

В качестве виртуальной декорации может быть использовано компьютерное изображение, статическая картинка из накопителя неподвижных изображений или живое видео. Несмотря на то, что возможностей у такой системы меньше, несомненным ее преимуществом является простота и существенно меньшая стоимость (приблизительно 25-30% от стоимости систем с расчетом сцен в реальном времени).

4.4 Способы контроля движения видеокамеры в системах виртуальной реальности

Наиболее очевидным и потому получившим наибольшее распространение способом контроля перемещений камеры является контроль с помощью установленных на ней датчиков. В телевещании уже давно приме

109 няются различные роботизированные системы управления движением видеокамер. В этих системах используются пьедесталы и панорамные головки, оснащенные электромеханическими или электронно-оптическими датчиками обратной связи. Эти устройства, которые производят многие фирмы (Vinten, Radamec, Ultimate и др.), без существенных доработок вполне могут быть использованы и при построении студий виртуальной реальности.

В виртуальных студиях могут использоваться как дистанционно управляемые камеры, так и камеры, управляемые оператором. В последнем случае камерные пьедесталы не имеют сервоприводов, но оснащены аналогичными датчиками.

Принципиально иной метод для определения пространственного положения видеокамеры использован в системе CYBERSET уже упоминавшейся фирмы ORAD. Какие-либо датчики на камерах здесь отсутствуют, а их положение вычисляется с помощью нерегулярной прямоугольной сетки, нанесенной на стене студии (рис. 4.3).

Рис.4.3. Использование нерегулярной прямоугольной сетки для опре деления пространственного положения видеокамеры.

110

Эта сетка имеет цвет, отличающийся от основной голубой окраски стен студии, но такой, чтобы он попадал в диапазон цветов, исключаемых при рир-проекции.

Для того, чтобы определить положение камеры в пространстве студии, достаточно, чтобы она «видела» как минимум две вертикальные и две горизонтальные линии сетки (рис. 4.4). к Ж а б в щ 4У г д е

Анализ перемещения камеры методом оптического распознавания шаблона: а) Исходное положение камеры б) Смещение камеры по горизонтали в) Отъезд камеры назад г) Наклон камеры д) Панорамирование в вертикальной плоскости е) Панорамирование в горизонтальной плоскости

Рис.4.4. Принцип пространственного позиционирования по шаблону.

Вычисление положения камеры выполняет специальный многопроцессорный блок DVP-100, являющийся собственной разработкой фирмы. Преимуществом этого метода является то, что отпадает необходимость в специальных дорогостоящих устройствах для установки видеокамер, оснащенных датчиками. В системе могут использоваться любые, даже наплечные видеокамеры.

Единственным ограничением в этой системе является то, что сетка должна постоянно быть в фокусе видеокамеры. Эта технология, называемая методом оптического распознавания шаблона, завоевывает признание и у других разработчиков систем виртуальной реальности.

4.5 Взаимодействие актера с виртуальной средой

Важным моментом в любой студии виртуальной реальности является достижение естественности поведения артистов внутри виртуальной деко

Ill рации. Важно, чтобы при своем движении артист не "сталкивался" бы с ее элементами, кроме тех случаев, когда это должно происходить по сценарию передачи (например, когда ему нужно пройти через стену). Поэтому практически в любой виртуальной студии всегда предусматривается зрительная обратная связь - телевизионный монитор, в котором артист видит себя внутри виртуальной обстановки, словно в зеркале. Для того, чтобы актеру было легче ориентироваться в пустом пространстве «голубой комнаты», используется также разметка на полу студии или устраиваются специальные площадки, на которые должен вставать артист.

Существует также ряд интересных технических решений, среди которых в первую очередь следует опять-таки отметить разработки фирмы ORAD. Вместо разметки в студии ORAD применила световой луч, который управляется компьютером и «рисует» на полу студии «следы» объектов, появляющихся в виртуальной сцене. Эти световые пятна указывают актеру зоны, в которые он не должен заходить. На качество рир-проекции этот свет, проецируемый на поверхность пола студии, практически не оказывает никакого влияния.

Другим техническим решением, реализованным в системе CYBERSET фирмы ORAD, является возможность автоматического определения взаимоположения реальных и виртуальных предметов. Для определения положения артиста в пространстве студии используется дополнительная камера, которая устанавливается на потолке студии, и изображение с которой анализируется компьютером.

При расчете виртуальной декорации положение артиста учитывается с целью предотвращения конфликтов с обстановкой. Из оригинальных решений, использованных в системах других фирм, следует упомянуть систему Brainstorm ESTudio испанской группы DIGIMEDIA.

112

Самым интересным элементом студии здесь является движущаяся дорожка, которая позволяет артисту шагать по протяженному виртуальному пространству, находясь при этом практически на одном месте (рис. 4.5).

Рис.4.5. Создание иллюзии протяженного пространства с помощью движущейся дорожки.

Изменение траектории движения ведущей по компьютерной декорации моделируется поворотом платформы с бегущей дорожкой.

Естественно, что скорость движения дорожки и ее повороты должны согласовываться с рассчитываемой виртуальной сценой.

Помимо живых людей в трехмерной виртуальной среде могут обитать и компьютерные герои, причем расчет анимации также может вестись в реальном времени в интерактивном режиме. Поведением компьютерного персонажа управляет артист, находящийся вне студии и облаченный в специальный костюм с множеством датчиков.

Информация обо всех движениях артиста от этих датчиков поступает в компьютер, занятый расчетом анимации, и компьютерный герой на экране повторяет все движения и жесты живого человека.

113

Такие возможности предлагаются, например, программным обеспечением фирмы SOFTIMAGE. Реализована такая возможность и в системе ORAD.

Подводя итог всему, о чем было сказано, можно дать некоторую классификацию существующих систем виртуальной реальности. Эта классификация представлена в виде Таблицы 4.1.

114

1. Гадиян Г.С., Никонов А.К., Глассман К.Ф. и др. Все для видеопроизводства и компьютерной графики //Системная интеграция. Жуковский, ЭРА.-1997. -№10.

2. Кривошеев М.И. Международная гармонизация цифрового ТВ-вещания. Наступление эры интерактивных технологий и мультимедиа // Материалы Международного конгресса HAT, М., 17-20 октября 2000. С.24-34.

3. Кривошеев М.И. Сигнал «стоп» многостандартности в спутниковом телевидении //625. 1998. - №1. - С.68-70

4. Кривошеев М.И. Новые системы цифрового вещания //625. 1999. -№10. - С.72-77.

5. Лубенченко О.Р. Системный подход к организации технического видеоцентра на киностудии// ТКТ.-1990.-№10 С.37-42.

6. Лубенченко О.Р. Системная интеграция оборудования для ТВ комплексов в условиях российского рынка //Материалы Международного конгресса HAT, М., 1-3 ноября 1999. С. 191-193.125

7. Колосков А. Некоторые вопросы поектирования крупных систем кабельного телевидения //625. -2000. №3. С.64-68.

8. Бутовский Я. Л. Системность во всем. FOR.A Company Ltd. В год юбилея //ТКТ. 1996. - №5. - С.25-27.

9. Осьминский Д., Степанов Р. Эффективность/стоимость. Комплектация цифровых видеостудий //ТКТ. 1996. - №3. - С.58-60.

10. Morly S.A., Thyagarajan K.S., Irvine С. Balancing the Technologies in Digital Cinema Systems // SMPTE Yournal. -April 2001. -V.110. P.220-227.

11. Seigle M. Storage Area Networks in Video Applications // SMPTE Journal. April 2001. - V. 110. - P.220-227.

12. Щербина В.И. Реконструкция технологической базы региональной государственной радиовещательной компании // ТКТ. 2001. - №11. -С.13-17.

13. Новаковский С.В. Некоторые организационные, экономические и социальные проблемы внедрения цифрового ТВ-вещания в России //ТКТ. -2000. -№1. С.44-46.

14. Кремер Н.Ш., Путко Б.А., Тришин И.М. и др. Исследование операций в экономике. /Под ред. Кремера Н.Ш. М., ЮНИТИ, 1997.

15. Гадиян Г.С., Терехова М.М., Дуплищев В.А. и др. Учебное пособие. Техническая база современного телевидения. Жуковский: ЭРА, 1999. -85с.

16. Мусатов И.А., Воробьев Н.Н., Елехин А.В., СолодовВ.Н., Губакин Ю.Н. Развитие телевизионного вещательного комплекса ТТЦ в современных условиях //ТКТ. 1997. - №6. - С.6-10.

17. Лишин Л.Г. Еще раз о форматах//625. 2001. -№1. - С.72-73.

18. Соколин А. Если бы директором был я //625. 2001. - №1. - С.68-70.

19. Соколин А. Критика критики // 625. 2001. - №4. - С.74-76.126

20. Садындыков Г. Цифровые форматы испытание практикой // 626.2000. -№7. С.84-86.

21. Топчиев А. Цифровое видеопроизводство: к выбору формата //Телевидение и радиовещание . Broadcasting. -2000. -№8. С.72-74.

22. Гадиян Г.С., Никонов А.К., Терехова М.М. и др. Все для видеопроизводства и компьютерной графики. Жуковский, ЭРА. 2000. №14.

23. Гадиян Г.С., Никонов А.К., Олефиренко П.П. и др. Развитие технической базы современного телевидения. Методическое пособие . Жуковский: ЭРА, 1999.-80с.

24. Хлебородов В.А. Анализ формата Betacam SX фирмы Sony Corporation //ТКТ. 1999. - №10. - С.6-10.

25. Хлебородов В.А. Анализ формата DVCAM и DVCPRO //ТКТ. -1999. -№8. -С.52-54.

26. Гласман К. Формат Sony Betacam SX // 625. -2000. -№8. С.64-77.

27. Василевский Ю.А. Digital S видеокомпрессия, запись и интерфейсы //ТКТ. - 1998. -№1.-С.17-19.

28. Брайс Р. Справочник по цифровому телевидению. Жуковский, ЭРА.2001.-230с.

29. Хаимов В.З. SDI/SDTI в иерархии последовательных цифровых интерфейсов // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. 2000. - №1. -С.50-53.

30. Clarke С., MacComack М., Mitchell J., Zubrzycki J. A wireless Digital Television Camera // SMPTE Journal. June 2001. - V.l 10. - P.365-371.

31. Гласман К. Методы передачи данных в цифровом телевидении //625. -1999. -№5. -С.70-77.

32. Шпиль В. Компьютерные устройства для работы с видео // 625. 2000. - №3. - С.64-68.

33. Милехин В., Носов О. Цифровые видеокамеры фирмы Sony: целесообразное разнообразие // 625. №9. - С.26-36.127

34. Михайлов В., Шурбелев П. Видеокамеры //625. 2000. - №9. С.5-13.

35. Методы информационного сжатия в телевидении. Сборник. HAT. -1997.

36. Кривошеев М.И., Мкртумов А.С. Методы измерений качества изображений в цифровом телевидении // Материалы Международного конгресса HAT, М., 1-3 ноября 1999. С. 189-190.

37. Lamborelle В., Legauet A., Matey J., Mattioli М. Integrating PC-based Editing, Compositing and Graphics Systems into the Digital Studio //SMPTE Journal. June 2001. - V. 110. - P.372-376.

38. Гласман К.Ф., Логунов A.H., Перегудов А.Ф., Лычаков В.Н. Объективная оценка артефактов видеокомпрессии // ТКТ. 2000. - №2. - С.40-43.

39. Мкртумов А.С. О субъективных испытаниях качества цифровых ТВ систем //V Международный конгресс HAT, 24-27 октября 2001. М., тезисы докладов. С. 95.

40. Кривошеев М.И., Хлебородов В.А. Историческое решение для мирового телевидения, кинематографии и компьютерной индустрии// ТКТ. -1999. -№9. -С.3-5.

41. Василевский Ю.А. 70 см или 80 см, 4:3 или 16:9. Какой размер экрана, какой формат изображения? // ТКТ. 1998. - №8. С.62 .

42. Мазо В., Успенский П. Новые технологии в телевидении: стратегия выбора // 625. 1999. - №2. - С.66-69.

43. Олефиренко П.П. Новая концепция видеосерверов для многоканального телевещания // ТКТ. 2000. - №7. - С. 16-18.

44. Олефиренко П.П. Многоканальное звуковое сопровождение новый этап цифрового телевидения // ТКТ. - 2000. - №6. - С.40-42.

45. Гадиян Г.С. Методологические основы оптимизации видеокомплексов// ТКТ. 2002. - №5 - С.40-44

46. Гадиян Г.С. Методология оптимизации видеокомплексов. 10-я Международная конференция «Организационно-правовые, финансовые и на128учно-технические аспекты современного телерадиовещания. Тезисы докладов. Софрино 2002. С.4-5

47. Комар В.Г. Количественные критерии качества изображения для оценки кинематографических систем // ТКТ. 2000. - №10. - С.28-32.48.0лефиренко П.П., Немцова С.Р. Оценка качества магнитных лент// ТКТ.-1983. -№11. С.26-27.

48. Гадиян Г.С., Никонов А.К., Терехова М.М. и др. Все для видеопроизводства и компьютерной графики. Системная интеграция II. Жуковский, ЭРА. 1998. №11

49. Настоящий акт составлен в том, результаты диссертационной работы Гадияна Г.С. в части разработки монтажных (новостийных, виртуальных) студий использованы при модернизации(строительстве) аппаратно-студийного комплекса телекомпании «Сургутинтерновости».

50. При формировании видеокомплексов нами применяется Интерактивная система подбора комплексов для телерадиовещания, доступная на сайте фирмы «Эра» www.era.ru1. Зав. отделом1. Инженер