虛擬演播室技術(shù)特點及應用

鄭翔

摘 要 虛擬演播室是一種全新的電視節(jié)目制作工具，本文對虛擬演播室技術(shù)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和典型應用做了較為詳盡的闡述。虛擬演播室技術(shù)的關(guān)鍵在于用攝像機的位置和鏡頭等變化來控制計算機中的“虛擬攝像機”，使它的位置和鏡頭變化與“實際”同步，將他們進行色鍵效果處理之后，得到的畫面會更加真實自然。因此，虛擬演播室技術(shù)廣泛應用在廣播電視領域，本文著重介紹了在廣播電視領域的典型應用。

關(guān)鍵詞 虛擬演播室 技術(shù)特點 應用

引言

虛擬演播室（Virtual Studio，VS）是計算機技術(shù)在電視節(jié)目制作領域的最新應用之一，是一種基于虛擬現(xiàn)實的電視節(jié)目制作技術(shù)，它具有制景費用低廉、更換布景方便，便于發(fā)揮主創(chuàng)人員創(chuàng)意，實現(xiàn)其他技術(shù)難以完成的特技的優(yōu)勢，因此它的出現(xiàn)，不但成功地展示了所有能想象到的一切，而且電視給人們帶來了煥然一新的視覺效果。

為了產(chǎn)生出逼真視覺的場景效果，用計算機場景工作站生成的三維圖像代替簡單的二維圖像作為演播室的“虛擬”背景，并跟蹤攝像機運動實時調(diào)整和“移動”該背景，使之與拍攝的主持人圖像（前景）同步變換，實現(xiàn)三維場景的移動變換與真實攝像機相一致的模擬效果，這就是三維圖形學、人工智能、模式識別與計算機圖形圖像處理相結(jié)合的虛擬演播室技術(shù)。它一般由一套計算機系統(tǒng)、電視攝像機（裝有攝像機跟蹤器）、三維場景跟蹤器、色鍵器以及視音頻切換等構(gòu)成，其實質(zhì)是將計算機產(chǎn)生的虛擬三維場景與攝像機現(xiàn)場拍攝的演員（或節(jié)目主持人）表演的活動圖像圖像進行數(shù)字化實時合成，使演員（或節(jié)目主持人）的表演（前景）與虛擬場景（背景）達到同步的變化，從而實現(xiàn)前景與背景的完美結(jié)合。

1 虛擬演播室工作原理

不同虛擬演播室對軟件的要求不盡相同，但其核心部分卻大同小異。虛擬演播室主要由攝像機、攝像機跟蹤系統(tǒng)、計算機圖形工作站、色鍵合成器4個部分組成。攝像機主要用于攝取藍色幕布前真實的人或物。攝像機跟蹤系統(tǒng)主要用于獲取攝像機在演播室中的實際位置參數(shù)和動作參數(shù)。計算機圖形工作站主要用于生成實施虛擬場景。色鍵合成器主要用于于將攝像機前景和計算機虛擬場景合成為一個圖像。

虛擬演播室的工作原理如圖1所示，把攝像機拍攝到的一藍色幕布為背景的畫面作為前景，用一臺超級實時圖形計算機中的三位動畫軟件生成的三維動作圖形作為虛擬場景，通過跟蹤器系統(tǒng)把采集到的攝像機的運動參數(shù)實時傳送給計算機圖形工作站，計算機圖形工作站經(jīng)大量運算后，產(chǎn)生于實際攝像機拍攝的實景畫面匹配的虛擬場景。再通過深度鍵和色鍵將前景與虛擬場景合成為一個圖像輸出，達到以假換真的效果。

2 虛擬演播室關(guān)鍵技術(shù)

2.1 攝像機跟蹤技術(shù)

攝像機跟蹤技術(shù)是虛擬演播室中一項關(guān)鍵技術(shù)，它可以獲取計算機在演播室中的實際位置參數(shù)和動作參數(shù)，從而判斷攝像機、演員或節(jié)目主持人、計算機虛擬場景之間的相對位置關(guān)系，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)真實攝像機與虛擬攝像機的鎖定。目前，攝像機跟蹤技術(shù)主要有圖形識別、機械傳感、紅外線傳感和超聲波傳感4種方式，每種方式都各有優(yōu)劣，分別適用于不同的應用環(huán)境，4種方式的原理和比較如下圖所示。

在虛擬演播室節(jié)目制作過程中，虛擬演播室專用數(shù)字攝像機通常為二到三個，攝像機配有運動檢測和識別系統(tǒng)，即攝像機跟蹤器。其原理是將檢測到的攝像機的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運動數(shù)據(jù)，通過一個“傳感器”裝置傳輸?shù)健靶势鳌保@樣，理想情況下，現(xiàn)場攝像機與虛擬演播室中“虛擬”的攝像機被相對地鎖定在一個位置上。當現(xiàn)場演播室攝像機運動時，虛擬攝像機受跟蹤器的控制可以實時地與現(xiàn)場攝像機保持同步。

2.2 輔助攝像機技術(shù)

輔助攝像機技術(shù)是以圖形識別技術(shù)為基礎，可以說是圖形識別系統(tǒng)的一種擴展。輔助攝像機是一種專用的小型攝像機，它可安裝在任何一個演播室攝像機的頂部。而格子圖案可以是任意顏色的，可安裝于攝像師的后部、側(cè)墻或天花板上。當演播室攝像機拍攝表演者時，輔助攝像機就會拍攝到格子圖案，通過格子圖案的視頻圖像信號進行分析，就可以得到演播室攝像機的各種參數(shù)。使用輔助攝像機技術(shù)后，演播室攝像機的拍攝可不受任何限制，可實現(xiàn)極端推進、寬角度拍攝、室外操作級費藍演播室應用等。

2.3 “垃圾色塊”技術(shù)

使用虛擬演播室系統(tǒng)制作節(jié)目時，當攝像機無意間拍攝到非藍區(qū)域時，會出現(xiàn)“穿幫”現(xiàn)象。為了克服這一現(xiàn)象，出現(xiàn)了“垃圾色塊”技術(shù)，或稱為“填補彩底”技術(shù)。使用這一技術(shù)后，攝像機拍攝到的非藍區(qū)域可自動由“垃圾色塊”來填補，因此它具有“背景保護”功能，使演播的范圍大大超出了演播室的藍色背景范圍。另外，這種技術(shù)還可用來制作虛擬天花板。

2.4 計算機虛擬場景生成技術(shù)

虛擬演播室系統(tǒng)配備的計算機是一個小型計算機網(wǎng)絡，主機為網(wǎng)絡中心，它是虛擬演播室的控制中心，是虛擬演播室節(jié)目制作的“導演臺”。它除了調(diào)用和調(diào)整事先做好的三維虛擬場景外，還負責向圖形發(fā)生器傳輸圖像數(shù)據(jù)及處理由攝像機跟蹤器傳來的攝像機運動數(shù)據(jù)。根據(jù)主機傳來的攝像機運動數(shù)據(jù)實時地計算出虛擬的三維電腦場景的運動，以保證其輸出的虛擬背景與真實的前景同步。

其中，在虛擬節(jié)目準備中的一個重要任務就是建立三維模型。虛擬演播室的背景圖像可以是來自錄像機或攝像機的活動視頻，也可以是靜止圖像等，但使用最多的是由計算機創(chuàng)作的二維或三維模型，即虛擬場景。有別于普通的電視節(jié)目后期制作和三維動畫技術(shù)，虛擬演播室技術(shù)更加強調(diào)制作的現(xiàn)場感和可擴充的實時性。用計算機建立三維場景幾乎不受現(xiàn)實的限制，因此，創(chuàng)作人員得以在節(jié)目需求的基礎上根據(jù)想象自由發(fā)揮。場景的大小、布局、材料和動畫等等都可以是任意的，只要設計得當，就可以制作出任何以往想都不敢想的虛擬場景。虛擬演播室系統(tǒng)還可以用建模軟件控制合適的貼圖、燈光、模型等參數(shù)，給場景中的物體貼畫，加光影和潤色，使其更具真實感。在虛擬場景中，主持人可以來回走動，場景中的虛擬物體可以實時的移動和處理，電視窗口能顯示外部視頻源送來的視頻信號。主持人不僅能在虛擬物體的前面或后面，并且能隱藏在物體的里面。

2.5 燈光技術(shù)

燈光對于電視節(jié)目的制作向來占用相當重要的地位，在虛擬演播室中更是這樣，所有光色必須保證藍色空間場地基色，以適應色鍵器摳像的技術(shù)要求。虛擬演播室的無限藍箱給燈光的處理帶來了新的要求，傳統(tǒng)的三點式布光的方法要有所變化，處理好布光問題可大大增加虛擬場景的真實感。對于地面、墻面的光線要盡量做到均勻、無陰影，要注意把握人物主體與藍色背景之間布光的比例，另一方面，要注意現(xiàn)場真實燈光與虛擬系統(tǒng)生成的場景光效之間的協(xié)調(diào)，以增強真實感。

2.6 色鍵技術(shù)

虛擬演播室對色鍵技術(shù)提出了更高的要求，為了將前景畫面和虛擬背景很好的合在一起，要求色鍵具有縱深方向的信息，即虛擬攝像機到每個像素的距離。這是一種基于計算機產(chǎn)生的三維布景畫面的混合技術(shù)，被稱之為深度鍵。使用傳統(tǒng)的色鍵技術(shù)，將主持人叢藍色幕布中提取出來，同時產(chǎn)生一個前景遮擋信號即鍵信號，然后通過深度鍵發(fā)生器求出鍵的深度值。在傳統(tǒng)的摳像技術(shù)的基礎上增加了深度鍵，可以讓表演者處在虛擬場景的正確位置中，這樣表演者可以走到虛擬物體的前面、后面或處于虛擬物體的內(nèi)部，甚至可以穿過虛擬物體，給觀眾真實的距感，與傳統(tǒng)色鍵相比，用深度鍵摳像的效果更自然和逼真。

2.7 藍箱技術(shù)

藍箱也稱為藍背景，它是主持人活動的實際場景及虛擬制作的基本依據(jù)。藍箱的好壞，直接關(guān)系到色鍵像的質(zhì)量。藍背景可采用藍幕布，但最好采用藍背景漆。

藍箱的設計首先要考慮空間結(jié)構(gòu)。建議最好是選用面積適合的小演播室作為虛擬演播室專用，另外，要根據(jù)虛擬演播室的機位，來設計藍箱的形狀并計算其大小。

其次要考慮制作工藝，重點是背景制作，一般來說藍色能更好地保護人體的皮膚顏色；物體周圍的藍色弱色調(diào)沒有綠色弱色調(diào)顯眼；演員們在藍色環(huán)境，工作要比紅色環(huán)境中愉快。藍背景漆應使用添加有阻燃劑、啞光、具有一定耐磨度的純正的色鍵藍色，以保證最好的色鍵效果。

其它新技術(shù)還包括虛擬陰影及反射、虛擬散焦、高速數(shù)字視頻處理等等。利用虛擬陰影及反射技術(shù)可進一步增強場景的真實感。虛擬散焦功能可模仿幾何光學的原理，對虛擬場景中的遠處景物進行散焦處理，從而增強場景的縱深感。新的數(shù)字視頻處理器可完成高達每秒30億次的操作，可建立逼真的3D環(huán)境。

3 虛擬演播室技術(shù)的應用

虛擬演播室的優(yōu)勢是顯而易見的，從畫面可以明顯看出，電腦生成的背景與演員之間的融合簡直是天衣無縫。使用虛擬演播室制作新聞、體育、娛樂、訪談、天氣預報和一些教育類節(jié)目是比較理想的，因為這些節(jié)目在制作上具有連續(xù)性和重復性，制作一個場景就可以重復利用多次。在世界各大電視臺，這樣的節(jié)目不勝枚舉。在演播室內(nèi)搭建摩天大樓，演員在月球進行“實況轉(zhuǎn)播”，演播室里刮龍卷風等等。

3.1 虛擬重放

虛擬重放系統(tǒng)主要應用于足球等球類比賽的轉(zhuǎn)播及評論節(jié)目。它通過先進的視頻跟蹤技術(shù)和三維重建技術(shù)，可自動跟蹤運動員或球，并突出顯示他們的運動軌跡或路線，測量運動員和球的速度以及兩物體之間的距離，并可在視頻圖像上直接描畫各種箭頭、軌跡、路線和標志。這套系統(tǒng)需要事先存儲體育場的三維模型。另外，準備素材需要幾分鐘的時間。虛擬重放系統(tǒng)將逐步改變體育節(jié)目的轉(zhuǎn)播方式，它可部分代替慢速重放，可從各個角度模仿真實比賽的情況，因此呈現(xiàn)在觀眾面前的將不再是“有爭議”的或是難以判斷的情況。

3.2 數(shù)字重放

數(shù)字重放系統(tǒng)主要應用于體育比賽的報道及評述節(jié)目。它能迅速重放各種精彩場面，在重放時，通過使用先進的視頻跟蹤技術(shù)，可突出顯示并自動追蹤關(guān)鍵運動員或球，顯示他們的運動軌跡或路線，測量并顯示運動員和球的速度以及兩物體之間的距離，可在視頻圖像上直接描畫各種箭頭、軌跡、路線和標志。對于觀眾來說，數(shù)字重放系統(tǒng)可使他們更清楚地了解比賽中的每一個細節(jié)，從而能更好地欣賞比賽。對于體育評論員和球隊教練來說，數(shù)字重放系統(tǒng)是一個理想的分析工具。

3.3 虛擬廣告

虛擬廣告系統(tǒng)可在體育節(jié)目或文藝節(jié)目的直播期間，將演播室制作的虛擬廣告牌插入到賽場或表演場的空地上，或用虛擬廣告牌替換掉場地上原有的廣告牌，合成后可達到以假亂真的效果，觀眾絲毫不會覺察。利用虛擬廣告系統(tǒng)有很多優(yōu)點，首先，在對不同的地區(qū)進行轉(zhuǎn)播時，可插入不同的廣告，增強廣告的有效性，提高資源利用率。另外，賽場上的廣告可以不再是靜止的，可以將插入的虛擬廣告作成動畫形式，各種二維或三維的動畫廣告更能吸引觀眾的注意力。此外，使用虛擬廣告后，廣告位置不再局限于場地的邊邊角角，如果愿意，整個場地都可以放置虛擬廣告，廣告尺寸也不會有任何限制。而且，虛擬廣告可插入到以前無法利用的空間，如水面、沙灘、雪地或非常高的地方。

3.4 虛擬采訪

利用從外地傳來的被采訪者在藍色幕布前的信號，先經(jīng)過一次摳像再進入虛擬演播系統(tǒng)的信號，先經(jīng)過一次摳像再進入虛擬演播系統(tǒng)。通過插入的視頻可將被采訪者與演播室中的播音員實時結(jié)合在一個虛擬背景中，兩個人物可以面對面的交談和表演，對觀眾來講就好像真的采訪者請到了演播室中一樣。

3.5 移動場景

移動場景也是一種具有特殊功能的系統(tǒng)，它可將視頻及動畫插入到室內(nèi)和室外的節(jié)目中。這里使用的是一塊繪有格子圖案的小型面板，拍攝節(jié)目時將它放置在需要插入視頻或動畫的場景位置上。攝像機可從任意角度拍攝，得到的格子圖案信息可控制生成裝置生成與面板透視關(guān)系一致的視頻或動畫。最后經(jīng)色鍵合成后，在相應于面板的位置就會出現(xiàn)視頻或動畫，且其透視關(guān)系與面板完全一致。移動場景功能非常適合于體育報道、實況采訪、天氣預報、現(xiàn)場新聞報道等節(jié)目，它可給節(jié)目增添活力，帶來耳目一新的感覺。例如：英國EPO公司制作二戰(zhàn)中被毀的一座大型教堂的建筑結(jié)構(gòu)的錄像。教堂尚未重建，但用超級計算機制作出教堂的立體畫面，用一臺虛擬的攝像機從各個角度做推拉、旋轉(zhuǎn)等動作拍攝。30分鐘畫面用了6-8周時間，一座宏偉的教堂便“出現(xiàn)”了。

3.6 虛擬人物表演

計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得實時人物動畫表演成為可能。在真人身上各重要關(guān)節(jié)處裝傳感器，傳感器的各組數(shù)據(jù)傳到工作站中用于控制已制成的虛擬動畫人物的關(guān)節(jié)活動，使它完全實時地模仿表演者的動作。 虛擬動畫人物與真人能同時出現(xiàn)在同一個虛擬背景中，并相互配合，互換位置和交談。這在已往的演播室制作過程中是無法想象的，也會給節(jié)目帶來新奇感和神秘感，從而最大程度地娛樂觀眾。

3.7 火箭以及其它太空飛行器的虛擬直播

火箭以及其它太空飛行器的虛擬直播系統(tǒng)，對于火箭這一類太空飛行器，無法通過安裝固定跟蹤攝像機的方法來獲得其空中飛行的直播圖像，但是通過對其飛行姿態(tài)參數(shù)的遙測，可利用虛擬演播室技術(shù)來獲取其飛行姿態(tài)的虛擬直播圖像。

虛擬演播室技術(shù)的發(fā)展很快，應用也包括很多方面，這里只介紹了其中的幾個主要方面。

4 小結(jié)

虛擬演播室技術(shù)無疑是電視節(jié)目制作技術(shù)的一種革命性飛躍，充分體現(xiàn)了電視技術(shù)對當代最新的數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)兼容并蓄的特點。隨著計算機圖形處理技術(shù)、多媒體技術(shù)以及視頻數(shù)字化的發(fā)展，虛擬演播室技術(shù)發(fā)展前景會非常廣闊，必將會帶動電視領域的一場革命。