虛擬演播室技術在氣象預報電視節目制作中的應用思路研究

　　 摘要：本文基于筆者多年從事氣象預報節目制作的相關工作經驗，以虛擬演播室技術在氣象預報電視節目制作中的應用思路為研究對象，論文首先探討了虛擬演播室的優勢，進而給出了虛擬演播室技術的原理，在此基礎上，筆者結合海南某電視臺虛擬演播室實例進行了探討，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。
　　關鍵詞：虛擬演播室，氣象預報，電視節目，制作
　　中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　虛擬演播室是由電視節目制作系統和計算機系統結合而成的一種新興的電視節目制作系統。它是一個只有演員和道具，無需實際場景的演播室。它將計算機制作的虛擬三維場景與攝像機現場拍攝的演員表演的（或是現場拍攝的其它電視畫面）活動圖像進行數字化的實時合成，使演員的表演與虛擬背景達到同步變化，從而實現前景與背景的完美結合。虛擬演播室具有傳統演播室無法比擬的優越性。虛擬演播室技術早已在軍事、航空、科研、氣象、建筑等領域得到廣泛的應用，也早已應用于影視制作領域，《泰坦尼克號》、《侏羅紀公園》、《阿甘正傳》等大片的制作都借助了虛擬演播室技術。
　　1 虛擬演播室的優勢
　　隨著虛擬演播室產品及相關技術的不斷開發、系統功能的不斷完善和提高，應用范圍的不斷擴大，虛擬演播室的優勢也逐漸地顯現出來：
　　（1）虛擬演播室最顯著的特點就是它能帶給編創人員無限的創作思維空間。虛擬演播室可以使創編人員的創作思維任意馳騁，編創人員的思維活動得到了充分的發揮。虛擬場景可以是真實的模擬，也可以是想象中的世界，不受現實的物質條件和時空條件的限制。真正是 “沒有做不到，只有想不到”。大大滿足了觀眾的口味。
　　（2）虛擬演播室不需要搭建實景、不占用演播室制景和拆景時間，只要利用現有的多種三維動畫軟件，就可以制作出各種逼真的三維場景。節約了人力、物力、財力。制作成本大幅降低，制作周期大幅縮短，極大地迎合了電視節目制作人員的心理需求。
　　（3）虛擬演播室可方便快捷地更換場景，制作人員不必拘泥于場景的限制，選擇的余地非常大。虛擬場景能隨時的修改和更換，反復使用。場景文件的交換、傳送也極為方便，可有效地實現虛擬場景的共享。隨著網絡傳輸技術對虛擬演播室的支持，電視節目的制作將不再受地域條件的限制。同一節目的制作可以在兩地或數地同時進行。
　　虛擬演播室的這些優勢，使得傳統演播室無法與之相媲美。虛擬演播室的出現，將影視制作人員帶到了一個全新的世界。隨著虛擬演播室的新技術、新功能的不斷的開發和應用，虛擬演播室將展現出更多的新優勢。
　　2 虛擬演播室技術
　　虛擬演播室可分為三個部分：攝像機跟蹤部分、計算機虛擬場景生成部分、視頻合成部分。
　　2.1 攝像機跟蹤部分
　　攝像機跟蹤部分的任務就是實時地測出真實攝像機在演播室中的準確位置和動作參數。攝像機在拍攝過程中有平移X、縱移Y、景深Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦ZOOM、聚焦FOCUS等變化，這些參數被傳遞給用于背景生成的計算機系統，圖形計算機將根據這些參數不斷調整三維視圖。目前虛擬演播室的攝像機跟蹤定位系統有以下三種方式：圖形識別方式、機械傳感方式、紅外線發射和接收方式。
　　2.1.1 圖形識別方式
　　這種方式是根據演播室的大小，在演播室的背景幕布上定制不同尺寸的網格，依靠攝像機拍下的視頻圖像，可以實時地解析出攝像機的位置、方向和變焦參數。支持任意數量和類型的普通演播室攝像機，安裝操作也比較簡單，由于所有的參數都來源于攝像機拍攝的網格，所以只有在攝像機拍攝的畫面中同時滿足網格占當前畫面的50%以上和有四個網格交叉點這兩個條件時，系統才能正確識別參數。這種識別方式對演員的活動范圍有一定的限制，而且使用時會產生比較大的視頻延時。
　　2.1.2機械傳感器識別方式
　　這種方式是通過安裝在攝像機各部分的機械傳感器來獲取各種信息。機械傳感識別方式的優勢在于單顏色藍背景，無需繪制背景的網格，很容易照亮藍色背景而不用擔心照亮網格；跟蹤數據沒有延時；在加入了某些位置測量跟蹤器后，攝像機運動不受限制，演員在藍色舞臺范圍內可以自由活動；攝像機搖移、俯仰及變焦信息的采集速率可以完全跟上電視圖像的刷新速率，無需額外的工作站處理跟蹤信息。
　　2.1.3紅外線發射和接收識別方式
　　這種方式采用紅外線信號發射和多點攝像頭接收的原理，對攝像機位置進行定位。它是利用紅外線收發裝置來檢測演員和攝像機在演播室中的位置，紅外線發射裝置安裝在演員及攝像機身上，接收裝置則安裝在藍色背景的上方。這種方式成本相對較高，安裝相對復雜；對系統配置要求也較高；同時視音頻延時較大。
　　2.2 計算機虛擬場景生成部分
　　虛擬演播室的場景是計算機繪制的圖形，有二維和三維之分，因而虛擬場景也有二維和三維之分，二維場景只能作為背景平面，出現在真實的人物后面，而三維場景具有Z方向的厚度，是立體的，可以作為真實人物的前景出現，也可以作為背景出現，并且真實人物還能圍繞虛擬景物運動，達到以假亂真的程度。虛擬場景的設計制作可以用開放的平臺及軟件，例如3DMAX、MAYA、Softimage3D、Alias、Front等來建立三維虛擬場景。并控制合適的貼圖、燈光、模型等參數，加上視頻插入信號及虛擬燈光效果，虛擬演播室就更具真實感。
　　2.3 視頻合成部分
　　虛擬演播室系統視頻合成的基本技術是“摳像”技術，攝像機拍攝的真實人物和景物通過“摳像”處理，與計算機虛擬場景合成一個畫面。計算機制作的虛擬場景和每一個像素都有一個景深數值，根據帶有景深數值的參數控制切換臺（色度控制鍵）即可實現真實演員在虛擬場景中的位置的連續變化，從而實現前景與背景的實時合成。
　　3 典型的虛擬演播室系統分析
　　海南某電視臺虛擬演播室采用SGI 02圖形工作站、Questech Quick數字色鍵、VDI-10攝像機狀態分析器、含視頻延時單元的DVP50視頻處理器、BEL模擬音頻延時器等設備。其配置見圖1。
　　
　　圖1 某電視臺虛擬演播室設備配置圖
　　從圖1中可見，攝像機輸出的活動（推、拉、搖、移）信號與VDI-10狀態分析器的狀態信號（這里VDI-10相當于跟蹤器的作用）送到DVP50視頻處理器；經延時等處理后，DVP50將這些信號通過網線傳輸到；SGI 02工作站，工作站利用藍底網格辨認專用軟件識別攝像機的狀態，相應的調整虛擬布景的參數，使色鍵器中背景與鍵信號完美合成輸出。
　　4 應用實例分析
　　虛擬演播室采用了高速的圖形工作站，能夠產生實時的虛擬背景和完美的合成效果。以前傳統的天氣預報節目以圖文、摳像形式為主，形式單調，主持人不能移動，背景的更換也給人不真實的感覺，背景不能移到主持人的前面。利用虛擬演播室技術，則可克服傳統氣象預報節目制作中的缺陷，其關鍵任務就是設計一個吸引觀眾的虛擬背景，拓寬天氣預報的制作形式。主持人參照大屏幕解說天氣信息的整體效果可看出，虛實結合的合成效果較之傳統的制作形式有了大大地提高。
　　
　　5 虛擬演播室在實際應用中的利弊
　　實踐證明，使用虛擬演播室技術制作電視天氣預報節目具有明顯優勢，歸納起來，有如下幾點。
　　（1）改變攝像機的拍攝視角而不引起圖像整體失真，同時能讓演員走入或走出三維場景內或虛擬物體的后面，同樣場景內的虛擬物體可運動到演播者面前或周圍。當攝像機拍攝到單色背景之外時，虛擬演播室能夠自動產生三維遮圖填充背景，以保證攝像機360度的搖移、俯仰而不穿幫。這一點是傳統演播室里色鍵摳像做不到的，特別適用于天氣預報的制作播出過程。
　　（2）利用虛擬演播室技術，外來的視頻信號（如：實況天氣、被采訪者等）可直接進入虛擬演播室，與現場主持人結合，從而實現實時的、面對面的交互。
　　（3）虛擬場景的增加和刪除、移位非常方便。由于天氣預報的場景是虛擬的，它可以為編導提供任意的、不受限制的創作空間，大大增強了節目視覺效果，又節約了制景費用。它還可以在瞬間改變場景，因此可創作出更豐富、更吸引人的節目。
　　虛擬演播室具有諸多優越性，但普及和推廣仍有一定的難度。虛擬演播室技術還處于發展階段，仍存在一些問題：
　　（1）虛擬場景的逼真性還不能令人滿意，其原因除了目前的一些軟件功能存在缺陷外，硬件的速度問題也是一個制約的因素；
　　（2）對于攝像機運動參數的獲取，不論采用何種方式，都存在局限性，有待于改進；
　　（3）虛擬演播室對節目制作人員也提出了更高的要求，它比常規演播室更加復雜，需要策劃者、編導、美編、主持人及虛擬系統操作者能形成良好配合，虛擬演播室的功能要得到真正發揮并創作出高質量的特技效果，關鍵在于其節目制作者的技能和相關人員之間的密切配合；
　　（4）虛擬演播室價格昂貴，設備一次性投資很大。由于受經費、技術支持、人才等因素的限制，目前氣象部門使用虛擬演播室制作電視天氣節目的還較少見。但各級基層氣象臺站要進一步提高電視氣象節目收視率，增加電視氣象服務效益，拓寬氣象服務領域，就必須在其制作質量與效果上下功夫。用虛擬演播室取代傳統電視氣象節目制作方式，這無疑是一種行之有效的重要途徑。
　　
　　
　　參考文獻
　　[1] 萬新寧.荊門市氣象影視中心數字虛擬演播室建設方案淺析[J].電