陳即第，姚晴麟，任志強(qiáng)

（1.哈爾濱電視臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150036；2.合肥勵(lì)圖數(shù)碼技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

責(zé)任編輯:孫 卓

1 應(yīng)用背景和需求

以圖文字幕傳播方式，通過電視熒屏平臺(tái)，可以將節(jié)目包裝和網(wǎng)絡(luò)字幕的理念融合在一起。哈爾濱新聞綜合頻道和都市資訊頻道在進(jìn)行專業(yè)化頻道包裝的同時(shí)，提升資訊投放量，不僅靚化熒屏，提高頻道形象，而且大量的、時(shí)效性的資訊信息提升了頻道的收視率。

哈爾濱電視臺(tái)三維網(wǎng)絡(luò)包裝字幕制作播出系統(tǒng)以合肥勵(lì)圖公司的在線包裝系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用實(shí)時(shí)三維渲染引擎、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照多專業(yè)共同協(xié)作的運(yùn)營(yíng)流程模式，將頻道包裝、圖文信息發(fā)布和廣告營(yíng)銷工作結(jié)合在一起，是一套具有在線包裝制作、播出和廣告播出管理的綜合系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有較廣泛的圖文包裝應(yīng)用場(chǎng)合，滿足個(gè)性化節(jié)目包裝、自辦欄目包裝和整體頻道包裝的要求。支持片頭、宣傳片、提要、節(jié)目導(dǎo)視等片段性短片合成包裝；支持直播類欄目提要、節(jié)目標(biāo)識(shí)、廣告標(biāo)識(shí)、實(shí)時(shí)資訊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表、視頻DVE、片尾職員等在線渲染包裝以及播出線應(yīng)用場(chǎng)合的時(shí)鐘臺(tái)標(biāo)、劇名、冠名動(dòng)畫、資訊游動(dòng)、節(jié)目倒計(jì)時(shí)、股票財(cái)經(jīng)、短信等在線圖文三維渲染播出等。系統(tǒng)可利用移動(dòng)字幕、掛角、視頻開窗等形式實(shí)時(shí)對(duì)本地及國(guó)際新聞、政府公告、出行信息、實(shí)時(shí)路況、股市行情、天氣預(yù)報(bào)等地域性資訊信息滾動(dòng)播出。該系統(tǒng)彌補(bǔ)傳統(tǒng)了傳統(tǒng)圖文電視業(yè)務(wù)在信息投放量、時(shí)效性、多媒體投送手段上的局限性，為傳統(tǒng)電視與新媒體融合作出了嘗試性探索。系統(tǒng)具有的特點(diǎn)為:

1）基于工業(yè)級(jí)三維圖形OpenGL接口

采用工業(yè)級(jí)三維圖形OpenGL[1]接口開發(fā)的實(shí)時(shí)渲染引擎，以場(chǎng)景模板播出模式，集字幕、圖形、圖像、動(dòng)畫、視頻等全三維場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，畫面效果良好。

2）具有完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新性網(wǎng)絡(luò)化圖文場(chǎng)景制作、數(shù)據(jù)庫內(nèi)容實(shí)時(shí)更新、多終端集中與分布式控制、節(jié)目單方式播出應(yīng)用等先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)順暢運(yùn)行和未來擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

3）系統(tǒng)可與方正無憂播控系統(tǒng)無縫銜接配套使用

系統(tǒng)和哈臺(tái)原有播出系統(tǒng)——方正無憂播出系統(tǒng)通過編排單同步和播出節(jié)目單實(shí)時(shí)同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)無縫銜接配套使用。頻道包裝業(yè)務(wù)和字幕播出業(yè)務(wù)圍繞節(jié)目播出進(jìn)行熒屏靚化和資訊投放。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想包括:

1）整體設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)是將節(jié)目包裝和網(wǎng)絡(luò)字幕的理念融合在一起的全新包裝系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將廣電行業(yè)各業(yè)務(wù)部門整合在資訊播出的運(yùn)營(yíng)中，采、編、播于一體的圖文資訊發(fā)布平臺(tái)，形成了與節(jié)目播出并行的又一信息發(fā)布平臺(tái)。信息實(shí)時(shí)采集，多手段發(fā)布方式，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)廣電節(jié)目編輯時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，發(fā)揮了新媒體更新迅速、信息快捷的特點(diǎn)，使廣大電視用戶方便獲取信息，并在傳統(tǒng)電視與新媒體競(jìng)爭(zhēng)中尋找到了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。三維網(wǎng)絡(luò)字幕包裝系統(tǒng)不僅將在線包裝和三維技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)也將自動(dòng)播出、制作相融合的模式引入到網(wǎng)絡(luò)字幕中，使包裝內(nèi)容和形式更加豐富，播出也更加靈活、成熟。

2）三維技術(shù)開發(fā)。利用引擎的方式來構(gòu)建三維對(duì)象的管理系統(tǒng)、建模渲染系統(tǒng)、特效系統(tǒng)等。這種模式可以使三維對(duì)象的管理渲染效率更高，同時(shí)也容易擴(kuò)展，為后面的應(yīng)用開發(fā)打好基礎(chǔ)。

3）整體框架設(shè)計(jì)。采用插件的開發(fā)方式來構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，可以使整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)相對(duì)獨(dú)立，功能管理更容易、更靈活，應(yīng)用更方便。

4）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和自我修復(fù)。通過SNMP協(xié)議來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀況，并在發(fā)生故障時(shí)能實(shí)時(shí)報(bào)警，對(duì)于特殊模塊可以進(jìn)行故障判斷和自我修復(fù)，以確保播出安全。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括:

1）基于OpenGL的三維實(shí)時(shí)渲染引擎?；贠penGL頂層開發(fā)了實(shí)時(shí)、高效渲染引擎L3D Engine[2]，引擎采用標(biāo)準(zhǔn)化的面向?qū)ο笳Z言編寫，有著強(qiáng)大的可管理性和可擴(kuò)展性。利用GPU的圖形加速技術(shù)和CPU的多線程技術(shù)，提高渲染引擎效率。引擎包含了場(chǎng)景管理系統(tǒng)、渲染系統(tǒng)、特效系統(tǒng)、其他功能等。

2）基于SNMP的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和核心模塊自我修復(fù)技術(shù)。系統(tǒng)核心軟件包括渲染引擎、場(chǎng)景文件管理器、數(shù)據(jù)庫管理等，支持SNMP的狀態(tài)檢測(cè)[3]，運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)故障，AirCG.3D監(jiān)控軟件可進(jìn)行自我修復(fù)，確保播出工作不受影響。

3）C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于LAN的IP控制技術(shù)。系統(tǒng)采用C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，核心軟件模塊和應(yīng)用軟件之間采用特有的IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，配置成分布式結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)系統(tǒng)靈活、安全。

4）自動(dòng)播出系統(tǒng)和在線包裝系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)軟件和自動(dòng)播出軟件在總編室節(jié)目單編排和播出串聯(lián)單兩個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)交換。通過采用節(jié)目單名稱及開始時(shí)間自動(dòng)配對(duì)算法，實(shí)現(xiàn)節(jié)目單整合的智能化計(jì)算模式。

5）基于場(chǎng)景模板的實(shí)時(shí)渲染播出模式。場(chǎng)景模板由三維創(chuàng)作軟件制作，編單軟件根據(jù)場(chǎng)景模版將可變的文本、圖片和視頻等替換，播出軟件即可進(jìn)行渲染播出，無需每天制作播出場(chǎng)景，極大地提高了工作效率。

6）專門應(yīng)用的插件開發(fā)。針對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)了多種專用軟件，如天氣資訊播出、股票播出、短信互動(dòng)播出、節(jié)目導(dǎo)視播出等，這些專用軟件全部采用Plug-in的模式，可做到系統(tǒng)的靈活升級(jí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

7）多種數(shù)據(jù)源的關(guān)聯(lián)播出。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可采用多種方式關(guān)聯(lián)到場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)源可采用文本、數(shù)據(jù)庫、HTML、XML等形式，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

8）將信息采集、廣告統(tǒng)計(jì)和編排等業(yè)務(wù)功能納入字幕系統(tǒng)。資訊信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可采用文本、數(shù)據(jù)庫、形式，通過專用編排統(tǒng)計(jì)模塊導(dǎo)入系統(tǒng)，系統(tǒng)貼近實(shí)際工作情況。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

從系統(tǒng)的三維渲染引擎、與自動(dòng)播出的關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和安全性等4方面展開描述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

4.1 系統(tǒng)三維渲染引擎技術(shù)

三維渲染引擎不單單設(shè)計(jì)一個(gè)渲染功能，而是集場(chǎng)景管理、建模渲染、特效實(shí)現(xiàn)以及一些特殊功能實(shí)現(xiàn)于一體的實(shí)時(shí)渲染引擎。這也是與其他渲染引擎的區(qū)別，其最大優(yōu)勢(shì)是能方便有效管理場(chǎng)景內(nèi)容，提高實(shí)時(shí)渲染效率。

該系統(tǒng)底層基于OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)渲染引擎L3D Engine。使用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，利用GPU的圖形加速技術(shù)和多線程技術(shù)，提高渲染引擎效率。L3D Engine引擎包括了場(chǎng)景管理系統(tǒng)、渲染系統(tǒng)、特效系統(tǒng)等。

場(chǎng)景管理系統(tǒng)是整個(gè)引擎的核心。引擎采用二叉空間分割（Binary Space Partition，BSP）的方法來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，BSP使用一個(gè)分離面，對(duì)每一層一分為二，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的劃分，其中分割的平面可以出現(xiàn)在任何方位。BSP是八叉樹的一般化，可以應(yīng)用到多維空間的場(chǎng)景管理。與八叉樹相比，BSP樹有內(nèi)存耗費(fèi)小、管理靈活平穩(wěn)、無效區(qū)域小的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于是二分空間，方向性更強(qiáng)、判斷更容易，在某些時(shí)候可以代替Z-Buffer來解決問題，可以方便執(zhí)行沖突碰撞檢測(cè)。同時(shí)在場(chǎng)景管理中還應(yīng)用到一些像場(chǎng)景分割，可見性剔除、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)以及快速定位活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的有效碰撞檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)算法的優(yōu)化。

渲染系統(tǒng)把三維場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)以及各種效果渲染出來。主要包括場(chǎng)景內(nèi)容渲染和Shader渲染。場(chǎng)景渲染主要包括場(chǎng)景內(nèi)容的遍歷、節(jié)點(diǎn)的變換、模型的空間轉(zhuǎn)換、燈光、照相機(jī)、投影、細(xì)節(jié)層次選擇、背面剔除、透視分割、角度計(jì)算、網(wǎng)格模型的裁剪、材質(zhì)紋理、紋理映射和混合、深度測(cè)試、抗鋸齒以及Alpha透明測(cè)試等；Shader渲染包括頂點(diǎn)著色和像素著色等，主要用到的算法有基于BSP的LOD算法，幾何多重映射算法以及線性插值算法等。

特效系統(tǒng)是系統(tǒng)引擎的一個(gè)特色。包括了粒子系統(tǒng)、等離子系統(tǒng)、著色系統(tǒng)和紋理混合:粒子系統(tǒng)可以模擬大量的自然現(xiàn)象和一些特殊效果；等離子系統(tǒng)是引擎的一個(gè)特有效果，采用多重紋理差值映射算法來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)多種夢(mèng)幻般效果，像分子裂變，圖形融合等。

引擎為了更好地豐富包裝系統(tǒng)的創(chuàng)作，特別開發(fā)了角色動(dòng)畫系統(tǒng)、2D繪圖功能、導(dǎo)入常見的建模文件格式等:角色動(dòng)畫系統(tǒng)主要是采用VRML技術(shù)將第三方建模軟件創(chuàng)建的帶有骨骼和變形動(dòng)畫模型導(dǎo)入到L3D Engine的場(chǎng)景中來實(shí)現(xiàn)所需效果；2D繪圖功能是快速實(shí)現(xiàn)2D圖像的Alpha混合、圖像復(fù)制、字體繪制以及2D和3D圖形的混合；引擎支持Maya，3D Studio Max，Milkshape，Quake 3 levels，Quake 2 models，DirectX 等第三方模型的導(dǎo)入。引擎是基于GPU圖形渲染和CPU多線程實(shí)現(xiàn)的，其基本機(jī)構(gòu)如圖1所示。

通過與同類型的引擎進(jìn)行比較，渲染速度有明顯提高，在渲染效果上和DirectX 3D比較，效果顯著，尤其在開發(fā)應(yīng)用程序方面，其面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)為應(yīng)用程序的開發(fā)提供了很好的接口，大大提高開發(fā)效率和質(zhì)量。

4.2 內(nèi)容與自動(dòng)播出關(guān)聯(lián)

技術(shù)思路上利用節(jié)目單匹配網(wǎng)關(guān)軟件來與自動(dòng)播出軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和關(guān)聯(lián)。在自動(dòng)播出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和聯(lián)動(dòng)上，在線包裝系統(tǒng)采用單獨(dú)開發(fā)節(jié)目單匹配的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)軟件和自動(dòng)播出軟件在總編室節(jié)目單編排和播出串聯(lián)單編排兩個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)交換，在線包裝系統(tǒng)采用節(jié)目單名稱及開始時(shí)間自動(dòng)配對(duì)算法實(shí)現(xiàn)節(jié)目單整合的智能化計(jì)算模式。播出單首先由總編室讀取方正的總編室節(jié)目單提前進(jìn)行字幕播出單制作并且存儲(chǔ)于文件服務(wù)器，然后播出部從方正播出機(jī)通過串口讀取節(jié)目單與總編室提前制作的節(jié)目單比對(duì)，其間對(duì)廣告倒計(jì)時(shí)長(zhǎng)度以及電視劇集數(shù)的增加實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)設(shè)置的功能，全天各時(shí)段都提供與總編室節(jié)目單對(duì)比功能，實(shí)現(xiàn)了方正無論何時(shí)加載播出單，都可以實(shí)時(shí)地與總編室節(jié)目單比較生成完整的播出串聯(lián)單。

4.3 系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

采用插件方式進(jìn)行開發(fā)，插件有統(tǒng)一的開發(fā)接口，可以根據(jù)不同需要，調(diào)用不同插件，這樣可以使系統(tǒng)的功能容易擴(kuò)展和管理。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，三維網(wǎng)絡(luò)字幕包裝系統(tǒng)是以場(chǎng)景模板的方式進(jìn)行制作和播出。

在軟件系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)上，三維網(wǎng)絡(luò)字幕包裝系統(tǒng)是采用插件的方式來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)插件實(shí)現(xiàn)特定的功能。在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，可以根據(jù)功能的需求選擇加載所需要的插件。

在軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，三維網(wǎng)絡(luò)字幕包裝系統(tǒng)是以場(chǎng)景模板的方式進(jìn)行制作和播出。在模板制作方面采用場(chǎng)景樹的方式來管理要渲染的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)快速遍歷和操作。采用關(guān)鍵幀動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景里面節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，靈活地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和其他動(dòng)畫效果。同時(shí)勵(lì)圖三維模板制作除了提供一般的三維包裝系統(tǒng)提供的功能外，還開發(fā)了一些專門的應(yīng)用插件像股票K線圖、天氣圖標(biāo)、衛(wèi)星云圖、表格、圖表、短信抽獎(jiǎng)等。系統(tǒng)中的插件在播出的時(shí)候可以根據(jù)不同的需要關(guān)聯(lián)上不同的數(shù)據(jù)像股票數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、云圖數(shù)據(jù)、節(jié)目單信息、短信數(shù)據(jù)以及其他的一些數(shù)據(jù)，插件會(huì)自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和建模，從而達(dá)到要播出的效果。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)渲染所要播出的場(chǎng)景內(nèi)容，同時(shí)可以實(shí)時(shí)更新播出所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)?；拒浖_發(fā)框架如圖2所示。

4.4 系統(tǒng)檢測(cè)和安全性

采用了基于SNMP的系統(tǒng)檢測(cè)和核心模塊的自我修復(fù)功能。利用防火墻構(gòu)建縱深防御體系來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全。

在系統(tǒng)檢測(cè)和播出安全上，系統(tǒng)采用了基于SNMP的系統(tǒng)檢測(cè)和核心模塊的自我修復(fù)功能，主要是通過SNMP的方式，對(duì)播出所用到的軟件進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警及修復(fù)，并為其專門開發(fā)了一個(gè)監(jiān)控軟件，其中對(duì)于播出的核心軟件播出引擎模塊和文件服務(wù)管理模塊，如果在檢測(cè)到播出異常，那么就會(huì)自動(dòng)修復(fù)這些異常，從而保證播出正常。項(xiàng)目系統(tǒng)框架如圖3所示。

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)以一體化防火墻為核心，將IP劃分不同網(wǎng)段，區(qū)分不同安全區(qū)域。通過設(shè)備提供的DMZ策略和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中在DMZ區(qū)設(shè)置發(fā)布服務(wù)器，構(gòu)建堡壘。將信息采集、模板制作易有病毒的部分劃在外網(wǎng)，編單、審核、播出工作站和服務(wù)器放在內(nèi)網(wǎng)中，并且通過在防火墻設(shè)定內(nèi)外網(wǎng)訪問策略和DMZ區(qū)，外網(wǎng)站點(diǎn)安裝殺毒軟件，建立梯度遞進(jìn)網(wǎng)絡(luò)深度防毒體系，依次實(shí)現(xiàn)信息傳輸安全管理。同時(shí)系統(tǒng)以部門為單位設(shè)定權(quán)限管理，工作人員分屬到不同的部門中，實(shí)現(xiàn)人員權(quán)限管理的簡(jiǎn)單化、系統(tǒng)化。項(xiàng)目的實(shí)施工程拓?fù)淙鐖D4所示。

5 小結(jié)

系統(tǒng)經(jīng)過近4個(gè)月的安裝調(diào)試后投入使用。其中哈臺(tái)的都市資訊頻道經(jīng)過多媒體創(chuàng)作人員的整體包裝后，專業(yè)化資訊頻道特色得到突顯。系統(tǒng)的投入使用配合哈市100多條道路建設(shè)升級(jí)改造工程，每日向市民投放大量資訊信息，收到了良好的收視效果。系統(tǒng)運(yùn)行初期，遇到了兩次病毒攻擊，但病毒沒有擴(kuò)展，沒有波及內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，為系統(tǒng)的快速、順利恢復(fù)起到根本保證。隨著高清頻道的開播，該系統(tǒng)將肩負(fù)更大的使命。

[1]施潤(rùn)尼.OpenGL編程指南[M].徐波，譯.5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]徐明亮.OpenGL游戲編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]李明江.SNMP簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

陳即第（1963-），高級(jí)工程師，主研廣播電視工程；

姚晴麟（1974-），碩士，高級(jí)工程師，主研軟件工程，廣播電視工程；

任志強(qiáng)（1984-），軟件工程師，主研軟件工程，視音頻開發(fā)及3D技術(shù)。