虛擬演播室系統在傳統教學演播室中的應用

許建平中國人民大學新聞學院 北京 100872

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虛擬演播室系統在傳統教學演播室中的應用

許建平
中國人民大學新聞學院 北京 100872

摘 要：傳統教學演播室中場景實際搭建較為繁雜；在實景制作、實景修改、不同欄目之間的實景更換等方面存在很大的局限性；同時，搭建實景拍攝無法在背景中加入很多動感的元素，整個節目畫面比較呆板，無法給予觀眾視覺上的享受和視覺沖擊力，因此越來越多的傳統教學演播室內搭建了虛擬演播系統，轉變成了具有虛實結合的全媒體演播室。主要闡述了虛實結合的全媒體演播室的特點以及虛擬演播室系統在傳統教學演播室中的應用及優勢，介紹了虛擬演播室系統的組成以及最新的無軌虛擬演播技術功能簡介。

關鍵詞：虛擬演播室系統；全媒體演播室；無軌虛擬演播技術

1　虛實結合的全媒體演播室的特點

在傳統教學演播室內搭建虛擬演播室系統轉型為具有虛實結合的全媒體演播室，同時將演播室分成若干個相對獨立又互相關聯的拍攝區域，主要包括傳統藍箱、虛擬圖文、實景舞美、互動系統等。虛擬演播室系統可以在傳統藍箱背景前實現虛擬演播室的功能，也能在實景演播室中植入節目所需的三維物件、動畫等，并且可以虛擬演播室與實景演播室自然過渡、互動，實現全媒體演播室效果，而且在不改變原有傳統演播室結構的前提之下，有效利用演播室的現有景區，通過虛實結合可以更好地提高演播室的利用率，節約成本。

2　虛擬演播室系統在傳統教學演播室中的應用

傳統的教學演播室只要以教學中實景拍攝為主，在教學中對實景畫面制作、不同欄目之間的實景更換、實景修改、在背景中加入很多動感的元素等方面更是存在很大局限性，使得教學人員在教學過程中無法創新，許多新穎的教學創意和拍攝手法無法實現，完成的拍攝作品也是乏善可陳。同時從教學經費有限和防止資源浪費的角度考慮，根據不同的教學要求搭建實景教學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，因此考慮在傳統教學演播室中使用虛擬演播室系統根據不同的教學需要來制作不同的節目成為一種必然和發展趨勢［1］。

在傳統的教學演播室中搭建虛擬演播室系統，只需占用一小部分空間搭配藍或綠的背景，設置攝影燈光，把人物的全身或半身景拍下即可。再通過虛擬設備合成，使得前景中的主持人看起來完全置身于計算機所產生的虛擬場景中，且能在其中運動，從而創造出逼真、立體的電視演播室效果。搭建過程中不存在原有設備的報廢，演播室原有設備可以利舊，從而節約了大量教育經費。利用有限的資金就將傳統的教學演播室轉變成在教學中集新聞錄制、節目拍攝、課程錄制和現場教學的現代化全媒體演播室。

圖1　虛擬演播室系統搭建效果圖

虛擬演播室系統是一種獨特的電視節目制作技術，在近些年得到了飛速的發展。其實質是將計算機制作的虛擬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［2］。

虛擬演播室系統具備很高的安全性和可靠性，配備了獨創的非破壞性素材庫管理功能，可以自動組織分散在不同硬盤中的不同種類文件，從而避免了在使用過程中有可能產生或出現的破壞性編輯，便于使用者整理、應用各種素材文件。在節目制作的過程中，使用者無須移動攝像機，在很大程度上避免了可能由人為因素而產生的“播出風險”。系統還可以通過“多畫面預監”模塊，為每個虛擬機位的合成信號提供“獨立預監”功能，使用者拖動鼠標時，鼠標指針經過可預覽攝像機的位置和運動軌跡。這樣的功能使得現場切換導演可以先預覽到每臺攝像機機位的合成信號再進行有選擇性的切換輸出，有效降低切換盲目性。系統的集成性高、操作簡便的特點也極大地提高了系統的穩定性、安全性，能滿足用戶制作節目的各種需求。在虛擬演播室中無須使用昂貴的攝像機動作傳感器，系統采用獨有的虛擬攝像機結構，能夠輕松地在場景中任意添加360度全角度虛擬機位，可以任意2個虛擬機位間進行切換。實時渲染輸出和改變虛擬攝像機位置，還可以方便地編輯場景中攝像機的運動速度和運動軌跡。通過實時地與三維虛擬場景無縫結合，可進行多重虛擬攝像機的顯示與切換，同時利用套場景模板，完全能滿足不同節目的需求。

虛擬演播室系統集成了色鍵器、虛擬切換臺、三維在線同步字幕系統、下變換轉換、陰影特效系統以及鏡頭生成系統等多種功能。在應用虛擬演播室系統制作時，全部攝像機的推拉、傾斜、縮放、搖臂以及航拍等效果均由虛擬攝像機完成。虛擬演播室系統同樣有很強的擴展性，系統核心設備采用插件式結構，具有極好的擴展性，系統的升級、擴展如同搭積木一樣方便，增加某些模塊功能只需新增一套板卡和“加密狗”即可，且對系統的安全性、穩定性沒有絲毫影響。虛擬演播室系統支持Autodesk 3D Studio Max，Autodesk Maya，Cinema 4D等軟件制作虛擬場景，支持BPM，PGA，JPEG，PNG，TGA等常用的圖像格式；支持創作軟件的分層導入；兼容用戶原有各種類型的演播室設備等。

圖2　虛擬演播室系統處理流程及功能示意圖

3　虛擬演播室系統的組成及無軌虛擬演播技術功能簡介

3.1虛擬演播室系統的組成

虛擬演播室系統包括：虛擬演播室渲染引擎、虛擬場景/模板設計器（Motion Designer）、虛擬演播室虛擬切換臺（virtual camera switcher）三大組成部分。

3.1.1虛擬演播室渲染引擎

渲染引擎充分開發現代圖形處理硬件的可編程能力，利用GPU高級編程語言開發的全新渲染引擎，充分利用了GPU在浮點運算、并行運算、高效紋理處理、向量運算等方面的能力，實現絢麗的圖文效果；包括以前在CPU上實現的圖文處理算法都移植到GPU上以獲得更高的效率。系統采用了包括紋理緩存、渲染狀態緩存、GPU編程等一系列手段，為圖形、圖像處理提供強勁的實時渲染動力和強大的渲染能力，充分發揮高端圖形加速卡GPU可編程渲染管線特性，渲染能力得到質的提升，能夠流暢地運行復雜的虛擬場景，場景非常細膩真實。

3.1.2虛擬場景/模板設計器

虛擬場景/模板設計器是場景內容和模板的設計工具，是為廣播級的電視圖文應用而專門開發的。包含整套空間設計工具和設計界面的集合，可以為用戶提供細致而又友好的設計手段，既能幫助用戶快速搭建各種三維場景，又能精細調整每種物體的屬性、動作。創作人員還能使用系統內置的豐富模板模型、字幕功能進行創作，也可導入第三方軟件的分層文件，為創意的醞釀、產生、保持預留出充足的空間，在短時間內就能創造出質感、光感、動感俱佳的三維虛擬圖文場景。

3.1.3虛擬演播室切換臺

虛擬演播室包含簡單易用的直播切換臺，通過預設最大達到8個不同景別，不同角度的虛擬場景機位，只需要通過控制面板上面對應的數字按鍵就能輕松實現推拉、搖移、上下左右調整、大搖臂等不同效果，不同機位切換過程平穩順滑，無任何抖、拉扯、拖影等問題，從而實現絢麗多彩的節目呈現。

3.2無軌虛擬演播技術功能簡介

在虛擬演播室系統中技術含量非常高的組成部分非無軌虛擬演播技術莫屬，其原理為固定攝像機位置無須借助傳感器、紅外線、網格等外部定位部件，即可實現節目制作過程中鏡頭推、拉、搖、移等特效。攝像機鏡頭或演員發生移動時，場景定位不需要使用傳感器或網格等其他設備進行測量，從而減輕了操作的復雜性。攝像機的跟蹤實現不得有約束條件，能夠快速定位，進入節目的制作。無軌虛擬演播技術功能具有真正的三維屬性、場景景深、虛擬場景各物體在三維空間中的透視關系。例如，在虛擬場景中的人物可以圍繞虛擬物體轉圈，而在運動的過程中，人物邊緣平滑，無拖尾或者鋸齒現象。同時，該技術還支持任意數量的虛擬攝像機位，可以實現多個虛擬攝像機位間的快速切換，推、拉、搖、移，產生大搖臂的運動拍攝效果。值得一提的是，攝像機運動過程的時長可根據教學人員的實際需要通過系統自定義或修改。多種虛擬節目成分能在同幀內完成切換，確保多機位切換時前后景同步、畫面平滑、不抖動、無撕裂。在實際使用過程中使用2臺攝像機就可實現3訊道虛擬演播室效果。例如，在2名主持人同時錄制的狀態下，從一臺攝像機信號硬切換（或者推拉搖移）到另外一臺攝像機信號，或者硬切換（或者推拉搖移）到全景模式（2名主持人），系統僅用2臺攝像機就支持2種模式的鏡頭切換（包括：實時鏡頭切換、利用推拉搖移特效切換）。

無軌虛擬演播技術可自由升級至機器人有軌虛擬，具有強大的擴展性與靈活的延展性，同時配以強大的色鍵技術，無須局限于藍箱或綠箱環境，將給播出畫面帶來真實自然的效果。

4　結束語

虛擬演播室系統是現代計算機圖形處理技術與傳統色鍵摳像技術相結合的產物，它的出現是對傳統教學演播室技術的一次重大變革，而且虛擬演播室系統會越來越成熟，最新的無軌虛擬演播技術打破了許多傳統教學演播室對虛擬演播系統的條件約束，減輕了教學人員在使用中的操作復雜性。充分發揮虛擬演播室的技術優勢，必將會越來越快地融合到傳統教學演播室當中，為高校在電視節目制作教學中提供更多的創新與幫助。

參考文獻

［1］ 唐坤杰.虛擬演播室項目技術方案［J］.數碼影像時代，2012（6）:114-119.

［2］ 張曉晶，李雪梅，黃麗，裴春梅.淺談虛擬演播室在高職教學中的實踐應用［J］.科技信息，2013（21）:274.

Application of Virtual Studio System in the Traditional Teaching Studio

Xu Jianping
School of Journalism and Communication， Renmin University of China， Beijing， 100872， China

Abstract:The traditional teaching studio real scene to build more complicated； there is a big limitation in real production， real changes， real change different between columns， etc； at the same time， building a real locations can not add a lot of dynamic elements in the background ， the entire program picture relatively inflexible， unable to give enjoyment and visual impact on the viewer visually， so more and more traditional teaching studio building a virtual studio system， combined with the actual situation has turned into a full media studio. Mainly expounds the actual situation with the media studio features a full virtual studio systems and applications and advantages of traditional teaching studio， introduces the composition of virtual studio systems and the latest trackless virtual studio technology Features.

Key words:virtual studio system； all media studio； trackless virtual studio technology

收稿日期：2016-03-23

作者簡介：許建平，本科，高級工程師。