虛擬演播室技術的實踐應用

傅樂儉，廖欣葉

（湖南廣播電視臺，湖南 長沙 410005）

0 引言

早在10多年前，湖南廣播電視臺就購買了當時世界上領先的ORAD虛擬演播室系統，使用至今，積累了豐富的經驗。之后又選購了新奧特等國有品牌。根據此次高清改造方案，本臺在去年選購了Vizrt高清虛擬演播室系統，通過系統搭建和改造，淺析虛擬演播室的實踐技術。

1 虛擬演播室跟蹤方式介紹

基于摳像技術發展而來的虛擬演播室技術，其核心技術就是攝像機的跟蹤定位，目前已有的跟蹤定位方式有紅外、網格、傳感器、超聲波、輔助攝像機等。由于超聲波和輔助攝像機的應用成本較高，使用條件相對復雜，目前國內少有使用，使用較多的是機械傳感器定位方式和圖像識別的紅外、網格定位方式。幾種方法對比如下：

1）網格跟蹤作為典型的圖像識別跟蹤技術，是最便宜、最簡單的跟蹤方式。網格跟蹤優點是容易使用，硬件成本低廉，缺點是受燈光的影響比較大，必須把網格全部打亮，受限制比較多。比如，網格必須是平面，不能貼到拐角和弧形位置；鏡頭不能大角度脫離網格；不能推特寫，如果鏡頭內網格數量少于4個，則會造成定位錯誤等。

2）紅外攝像頭+網格的跟蹤，此種跟蹤的優勢是相對廉價但又可以實現攝像機的有限移動。紅外攝像頭通過識別攝像機上發射器的信號，經過兩點相交確定攝像機在平面內的位置，再結合網格確定攝像機在演播室的空間位置。其限制在于演播室的燈光必需為冷光源，避免光熱度對紅外接收的干擾，同時也要合理安排演播室燈光位置，避免在攝像機移動中擋住攝像頭的接收，造成定位錯誤。此種方式對于攝像機的運動造成相對拘謹的約束，使用中有一定的局限性。

3）全紅外跟蹤是最有技術含量的跟蹤方式，實現最復雜，算法的技術含量最高。此種跟蹤的優勢是可以讓攝像機在場景中自由移動，缺點是硬件成本高。

4）傳感器是使用最多、最穩定的跟蹤方式，以前機械傳感的缺點在于精度不夠，機械磨損由于各廠商的產品質量不一而有較大差別。另外，由于跟蹤數據的問題，用機械跟蹤方式時不能移動攝像機云臺或者腳架，對拍攝造成一定限制。現在云頓公司和Shotoku公司生產的機械搖臂已經可以實現攝像機的有限移動。

在虛擬場景中使用搖臂，可以充分發揮出真三維虛擬演播室的空間感，并讓攝像和節目人員得到更多的鏡頭表現方式。全紅外跟蹤方式也可以滿足需求，但成本比較高。根據目前虛擬使用的經驗，固定機械云臺是使用頻率最高也是最穩定的跟蹤方式，所以本臺選用2個固定云臺配合1個機械搖臂，既可以很好地解決攝像機的移動問題，成本又相對較低。

由于Vizrt的主推機械傳感跟蹤方式，本臺一并購買了Viten250IT升級套件和Shotoku TK-53 LVR機械跟蹤搖臂，使虛擬跟蹤更加靈活與穩定。

2 虛擬演播室系統介紹

2.1 虛擬演播室系統的搭建

Vizrt虛擬演播室系統可以根據需求自由搭配，組建從單機位單通道的迷你虛擬演播室到多機位多通道的大型虛擬演播室。此次采取三機位二通道的方式，系統連結圖如圖1所示。

1）通過在攝像機鏡頭上安裝齒輪，讀取攝像機鏡頭的focus和zoom的參數，通過云臺升級套件的數據輸出，讀取攝像機的俯仰、搖移動作參數，由數據盒通過RS-422數據線傳送至虛擬渲染引擎Viz Engine。

2）攝像機給出同步信號接入傳感盒，保證傳感器跟蹤正常。

3）攝像機拍攝的前景信號通過光纖傳回，接入色鍵器的前景端口。

4）渲染引擎通過數據盒信息，攝像機的各種動作映射到虛擬場景中，形成相應的變化，使之前景和背景的運動狀態保持一致。

5）色鍵器將攝像機前景經過扣除綠色背景，設置前景2～3幀的視頻延時，與虛擬渲染引擎輸出的虛擬背景疊加，以使虛擬背景和實際前景達到無縫合成。

6）最終色鍵器針對每個機位，分別合成1路信號送給切換臺，供切換臺直接選擇切換。

7）切換臺在提供各機位預覽畫面同時，還需要提供外接視頻信號分別送給各個渲染引擎，以提供場景制作中的視頻開窗信號。

8）局域網連接虛擬控制機，由控制機操作虛擬視頻窗的動作，實現主持人的現場連線、訪談講解等互動效果，同時還可以對虛擬場景中各元素的動畫進行實時控制。

2.2 虛擬演播室的操作流程

系統搭建完成后，對于操作人員有一定的要求，曾經很多電視臺表示過關于虛擬演播室的操作制作復雜而造成虛擬演播室應用的阻力。其實從設計制作到設備調試，通過規范流程，一方面達到事半功倍的效果，另一方面也能更輕松地發揮虛擬演播室技術。根據實際需求，設定流程如下：

1）首先節目組根據節目需求，提出方案，由設計師參與討論，形成設計思路，共同完成設計草案。

2）針對需求，分析場景實現效果的可行性，選擇需要的機位和鏡頭，比如搖臂還是固定機位，廣角還是普通變焦等；安排實際攝像機安放位置，以期達到最好效果。

3）根據方案開始設計制作虛擬場景，定期與節目組溝通，協調修改，達到滿意效果，即可進入彩排階段。

4）通過實際帶機效果測試，進一步修改場景細節，與節目導演共同分析討論，將出現的問題一一解決，最后得出最終的設計方案。

5）最后在虛擬控制機上做好各操作動作的開關，最大程度簡化節目實施過程中的實時控制，使虛擬使用環節更加清楚靈活。

2.3 虛擬演播室的實際效果

此外，Vizrt虛擬渲染可以和Vizrt其他軟件產品進行無縫整合。支持在一個虛擬的場景中，利用內建的數字可視化工具，制作非常美觀的三維實時虛擬圖形，作為主持人的前景或后景，這些三維實時虛擬圖形也完全可以由主持人控制（如GPI觸發）來進行互動講解，所有實時虛擬圖形的屬性（長度、顏色、大小、旋轉、角度）都是可以在直播中被控制，進行實時渲染在直播中播出。這一特點在系統使用中立刻得到了發揮。本次為了慶祝建黨90周年而作的特別節目《那年七月》，在虛擬場景中加入了柱狀圖、餅狀圖、字幕詩詞等元素，根據節目要求，實時觸發播出，結合2個虛擬場景切換的效果，使主持人在大約10 m2的綠箱中，演繹了在黃昏般大平原上，評析歷史人物長廊畫卷的故事。一套虛擬演播室系統，完成了虛擬、在線包裝、字幕等多設備的功能，不但節約成本，而且使節目效果更加靈活豐富。效果圖如圖2所示。

3 小結

虛擬演播室性能的發展還在不斷更新，本臺對虛擬的使用也越來越大，需求的花樣也是推陳出新。隨著計算機技術的不斷提高，虛擬現實技術的媒體應用將會更加豐富多樣，效果將會不斷出奇，這在虛擬技術的使用發揮上不斷提出新的要求，節目的創意需要突破現有思維，無限開展想象。技術人員需要更加了解熟悉設備，緊跟科技步伐，探索開發新的功能，共同鑄造新媒體高科技藝術與技術的完美結合。