虛擬演播室設備的選型

【摘要】本文介紹了虛擬演播室的基本構成、關健技術，無軌虛擬演播室的工作原理，以及縣級臺對虛擬演播室設備的選型考慮。

【關鍵詞】虛擬演播室 無軌 選型

虛擬演播室是近年發(fā)展起來的一種獨特的電視節(jié)目制作技術。它的實質是將計算機制作的虛擬三維場景與電視攝像機現場拍攝的人物活動圖像進行數字化的實時合成，使人物與虛擬背景能夠同步變化，從而實現兩者天衣無縫的融合，以獲得完美的合成畫面隨著計算機技術、圖文圖像技術、傳感跟蹤技術、色鍵處理技術的高速發(fā)展，虛擬演播室技術的功能日趨完善，系統(tǒng)日趨穩(wěn)定，虛擬演播室系統(tǒng)已經被越來越多地應用于電視臺、電視制作機構的各類欄目的制作和創(chuàng)作中。

傳統(tǒng)演播室的工作流程中，場景需要實際搭建，在實景制作、不同欄目之間的實景更換、實景修改等方面都存在著很大的局限性。同時，搭建實景拍攝無法在背景中加入很多動感的元素，整個節(jié)目畫面比較呆板，無法給予電視觀眾視覺上的享受和視覺沖擊力。另一方面是搭建實景演播室會使得工作量增加、材料浪費嚴重、工作效率降低、不利于消防安全等。因此對于我們瑞安（縣級市）這樣的電視臺來說設計演播室方案時，都會考慮盡量使用虛擬演播室來制作節(jié)目。

一.虛擬演播室的基本構成

典型的虛擬演播室主要由跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)（圖形工作站）及視頻合成系統(tǒng)（色鍵器）等部分組成。如圖所示：

1. 跟蹤系統(tǒng)：用于判斷攝像機、主持人及虛擬背景之間的相對位置關系，是實現前景、背景圖像完全同步聯動、再現起初的透視關系的關鍵所在。為了跟蹤攝像機的運動，我們需要獲取攝像機的以下幾個參數：鏡頭運動參數（包括推拉、搖移、聚焦等）及攝像機空間位置參數（包括移動、傾斜等）。

常用的跟蹤方法有傳感器（包括機械和光電）和圖形識別兩種：

（1）傳感器跟蹤方式

這種方式是在攝像機鏡頭上安裝傳感器和有關電子裝置，通過托架與鏡頭上的變焦環(huán)、聚焦環(huán)齒輪緊密咬合，當變焦環(huán)和聚焦環(huán)位置發(fā)生變化時，傳感器就能檢測出其變化，并將機械運動轉換為電信號輸出。攝像機的機頭運動參數和整體空間移動參數也通過類似方法或者紅外方式獲取。這些數據最后傳輸給圖形工作站進行相應處理，從而讓虛擬背景跟隨上述參數變動作相應的變化。

（2）圖形識別方式

圖形識別方式是通過對攝像機拍攝的圖像的形狀來識別、分析并確定攝像機的各種運動參數。這種方式要求在演播室的背景幕布上用不同色度(例如深藍和淺藍)繪制出特定的圖案。當攝像機的運動參數發(fā)生變化時，它所拍攝到的背景圖案的特征也將發(fā)生相應的變化。通過對背景圖案的識別、分析和運算，從而可檢測出攝像機的各種運動參數，包括水平轉動參數、垂直轉動參數、變焦參數以及攝像機整體空間位置參數。

目前已在使用的一種圖案是網格圖案，即在深藍色的幕布上用淺藍色繪制出特定的格子圖。由于背景幕布整體采用的是與傳統(tǒng)演播室相同的藍色，因此仍可利用色鍵技術進行\(zhòng)"摳像\"合成。

2. 虛擬背景生成系統(tǒng)

（1）虛擬背景制作

虛擬演播室的背景是疊加相應的三維虛擬場景。這些場景一般可通過常用的3Dmax、Maya等三維創(chuàng)作來建模，最后由專用的圖形處理軟件編輯合成（包括建模、材質分配、光調整和物體運動等在內的物體模型、效果、動畫）。

（2）圖形工作站

根據攝像機運動參數，圖形工作站對預先制作好的虛擬場景信號進行處理，實時渲染生成與前景有正確透視關系的背景圖像。

3. 視頻合成系統(tǒng)

虛擬演播室的視頻合成系統(tǒng)一般使用色鍵摳像技術，即前景與背景的混合是通過色鍵混合器來完成的。為保證容易摳像，應使藍色幕布（或綠色）處于均勻照明之下，演員的服裝及小道具的顏色也應注意。藍色幕布應使用純正的色鍵藍色，其空間大小應保證演員有足夠的移動范圍。

二.無軌虛擬演播室工作原理

所謂無軌，就是不使用傳統(tǒng)的傳感器對真實攝像機或者主持人的移動進行定位、跟蹤，更無需移動真實攝像機，使用虛擬攝像機來實現攝像機的推拉、搖移、搖臂、航拍等運動效果，以及各個機位和鏡頭之間的快速切換。

其工作原理就是，根據主持人與虛擬場景、虛擬攝像機三者之間的相對位置關系的變化，通過對3D場景的移動變化進行跟蹤定位，從而實現攝像機的推拉，搖移，搖臂乃至航拍的運動效果。也就是說無軌虛擬技術是通過跟蹤、定位3D虛擬場景的運動，來實現虛擬攝像機的推拉搖移等效果的。

三.虛擬演播室的設備選型考慮

從上述分析得知，有軌虛擬演播室和無軌虛擬演播室各有特點和優(yōu)勢。前者跟蹤精度高、取景靈活，但成本較高、定位相對復雜，對操作人員使用要求高。而后者則系統(tǒng)簡捷，操作簡單。根據我臺節(jié)目定位及使用要求，我們主要從以下四個方面考慮虛擬演播室設備的選型：成本、操作簡易性、系統(tǒng)安全性和演播室空間大小等。

1. 成本。相對于傳統(tǒng)的有軌虛擬演播室來說，采用無軌虛擬演播室減少了對周邊硬件設備的資金投入、使用和依賴(如傳感器以及與其配套使用的云臺、搖臂、攝像機運動軌道、紅外信號發(fā)射／接收器、網格等)，只需增加一塊藍/綠布，基于原有演播室設備及燈光，便能輕松使用；減少了對人力資源的占用（無需攝像師全程跟蹤操作）；無需考慮由于云臺、搖臂、軌道等設備長期后產生的累計誤差，無需進行繁瑣而耗時的測量和校對，大大提高了工作效率。

2. 操作簡易性。由于不需要移動真實攝像機便可實現推拉搖移，在節(jié)目制作過程中不需要攝像師全程跟蹤操作真實攝像機，只需要2個操作人員對系統(tǒng)進行操作 (一人負責系統(tǒng)操作，一人負責字幕系統(tǒng)的操作)。考慮到我臺人員配備比較緊張，字幕系統(tǒng)的操作也由主持人自己負責。虛擬攝像機的推拉搖移乃至搖臂的操作只需使用鼠標和鍵盤，虛擬攝像機便會按照預先設定好的軌道勻速運動。操作容易，避免繁雜漫長的設置調試。MONARCH無軌虛擬演播室系統(tǒng) VIRTUOSO 200 PRO可支持2路視頻信號輸入，并由系統(tǒng)模擬出第3個全景攝像機位。因此，只需2臺攝像機就能達到三訊道演播室效果。在3D場景中能提供2個特寫機位和1個全景機位。

3. 系統(tǒng)安全性。無軌虛擬演播室系統(tǒng)無需對真實攝像機進行操作便可實現推拉搖移，最大限度地減少了可能因人為操作失誤而造成的播出事故；系統(tǒng)周邊硬件的使用減少了， 也降低了硬件故障帶來的風險。相比于傳統(tǒng)有軌虛擬演播室產品，MONARCH無軌虛擬演播室系統(tǒng)集成度高，集色鍵器，切換臺，字幕系統(tǒng)，虛擬調音臺及音頻延遲器于一身，可大大減少周邊設備連接環(huán)節(jié)，而且所有核心硬件和軟件皆是MONARCH自主品牌，保證系統(tǒng)的安全性與兼容性。

4. 演播室空間要求。在無軌虛擬演播室系統(tǒng)中，真實攝像機調整好以后是不需要移動的，這非常適合我臺40平米的小演播室，可以在簡易有限空間實現“小空間大效果”。最終輸出效果完全可以和大型演播室相媲美。尤其在演播室比較簡陋，技術人員有限的條件下，MONARCH無軌虛擬演播室產品可以在不改動現有演播室布局，不額外增加其他設備情況下，在現有燈光環(huán)境中，增加一塊摳像藍布，只需對攝像機的機位進行簡單的調整即可開始不同風格類型節(jié)目的制作。

四.MONARCH虛擬演播室在我臺的應用

我臺的MONARCH無軌虛擬演播室在原有的演播室里搭建。搭建過程非常簡單，前后只用了不到一天時間。不同欄目制作只需對攝像機的機位進行簡單的調整即可開始制作節(jié)目。攝像機的跟蹤實現沒有任何約束條件，即可快速定位，進入節(jié)目的制作。所有機位均可自行定義每個機位攝像機三維空間運動，可以簡單方便地定義每個機位虛擬攝像機的三維動畫，產生搖臂的運動拍攝效果。系統(tǒng)最多支持八個機位設置，分別對應鍵盤上的數字快捷鍵，不同景別之間的推拉搖椅動作亦對應相應的鍵盤快捷鍵。

系統(tǒng)搭建完成后，需要對系統(tǒng)進行三個部分的調試：視頻調試，音頻調試和軟硬件功能調試。視頻調試主要測試系統(tǒng)視頻的輸入，輸出信號質量，包括視頻信號的幅度、清晰度、飽和度等。音頻調試主要測試系統(tǒng)音頻輸入，輸出接口和音話同步。軟硬件調試主要測試色鍵器，虛擬切換臺，虛擬調音臺，字幕系統(tǒng)，鏡頭特效生成系統(tǒng)，陰影鏡像生成系統(tǒng)等。

虛擬演播室節(jié)目最終效果除了所選的硬件設備外還取決于虛擬場景模板的設計水平的高低。我臺選擇MONARCH無軌虛擬演播室另一方面考量就是基于其優(yōu)秀的場景設計開發(fā)團隊，這也是其他一些虛擬設備廠家所欠缺的。MONARCH公司有著豐富的場景模板設計經驗，該團隊為中央電視臺第六套《中國電影報道》、哈爾濱電視臺（民生直播）、貴州省臺第五頻道（法制新聞直播）、成都電視臺（新聞直播）、福建省臺公共頻道和綜合頻道、江西省臺七套，海南省臺少兒頻道等用戶成功完成欄目場景設計改版，并獲客戶的一致好評。我臺的幾檔欄目場景也是經由MONARCH場景設計團隊之手，場景效果亦獲廣泛好評（如下圖）。

綜上所述，我們瑞安市廣播電視臺在虛擬演播室的選型上，充分考慮了成本、操作、安全性和演播室現有條件等因素，最終選定了MONARCH無軌虛擬演播室系統(tǒng)，使用半年以來，性能穩(wěn)定，操作簡便，得到了主持人和導播人員的一致肯定。