虛擬演播室技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

傅樂(lè)儉，廖欣葉

（湖南廣播電視臺(tái)，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

早在10多年前，湖南廣播電視臺(tái)就購(gòu)買了當(dāng)時(shí)世界上領(lǐng)先的ORAD虛擬演播室系統(tǒng)，使用至今，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。之后又選購(gòu)了新奧特等國(guó)有品牌。根據(jù)此次高清改造方案，本臺(tái)在去年選購(gòu)了Vizrt高清虛擬演播室系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)搭建和改造，淺析虛擬演播室的實(shí)踐技術(shù)。

1 虛擬演播室跟蹤方式介紹

基于摳像技術(shù)發(fā)展而來(lái)的虛擬演播室技術(shù)，其核心技術(shù)就是攝像機(jī)的跟蹤定位，目前已有的跟蹤定位方式有紅外、網(wǎng)格、傳感器、超聲波、輔助攝像機(jī)等。由于超聲波和輔助攝像機(jī)的應(yīng)用成本較高，使用條件相對(duì)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)少有使用，使用較多的是機(jī)械傳感器定位方式和圖像識(shí)別的紅外、網(wǎng)格定位方式。幾種方法對(duì)比如下：

1）網(wǎng)格跟蹤作為典型的圖像識(shí)別跟蹤技術(shù)，是最便宜、最簡(jiǎn)單的跟蹤方式。網(wǎng)格跟蹤優(yōu)點(diǎn)是容易使用，硬件成本低廉，缺點(diǎn)是受燈光的影響比較大，必須把網(wǎng)格全部打亮，受限制比較多。比如，網(wǎng)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(wǎng)格；不能推特寫(xiě)，如果鏡頭內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量少于4個(gè)，則會(huì)造成定位錯(cuò)誤等。

2）紅外攝像頭+網(wǎng)格的跟蹤，此種跟蹤的優(yōu)勢(shì)是相對(duì)廉價(jià)但又可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的有限移動(dòng)。紅外攝像頭通過(guò)識(shí)別攝像機(jī)上發(fā)射器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)相交確定攝像機(jī)在平面內(nèi)的位置，再結(jié)合網(wǎng)格確定攝像機(jī)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(duì)紅外接收的干擾，同時(shí)也要合理安排演播室燈光位置，避免在攝像機(jī)移動(dòng)中擋住攝像頭的接收，造成定位錯(cuò)誤。此種方式對(duì)于攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)造成相對(duì)拘謹(jǐn)?shù)募s束，使用中有一定的局限性。

3）全紅外跟蹤是最有技術(shù)含量的跟蹤方式，實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜，算法的技術(shù)含量最高。此種跟蹤的優(yōu)勢(shì)是可以讓攝像機(jī)在場(chǎng)景中自由移動(dòng)，缺點(diǎn)是硬件成本高。

4）傳感器是使用最多、最穩(wěn)定的跟蹤方式，以前機(jī)械傳感的缺點(diǎn)在于精度不夠，機(jī)械磨損由于各廠商的產(chǎn)品質(zhì)量不一而有較大差別。另外，由于跟蹤數(shù)據(jù)的問(wèn)題，用機(jī)械跟蹤方式時(shí)不能移動(dòng)攝像機(jī)云臺(tái)或者腳架，對(duì)拍攝造成一定限制?，F(xiàn)在云頓公司和Shotoku公司生產(chǎn)的機(jī)械搖臂已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的有限移動(dòng)。

在虛擬場(chǎng)景中使用搖臂，可以充分發(fā)揮出真三維虛擬演播室的空間感，并讓攝像和節(jié)目人員得到更多的鏡頭表現(xiàn)方式。全紅外跟蹤方式也可以滿足需求，但成本比較高。根據(jù)目前虛擬使用的經(jīng)驗(yàn)，固定機(jī)械云臺(tái)是使用頻率最高也是最穩(wěn)定的跟蹤方式，所以本臺(tái)選用2個(gè)固定云臺(tái)配合1個(gè)機(jī)械搖臂，既可以很好地解決攝像機(jī)的移動(dòng)問(wèn)題，成本又相對(duì)較低。

由于Vizrt的主推機(jī)械傳感跟蹤方式，本臺(tái)一并購(gòu)買了Viten250IT升級(jí)套件和Shotoku TK-53 LVR機(jī)械跟蹤搖臂，使虛擬跟蹤更加靈活與穩(wěn)定。

2 虛擬演播室系統(tǒng)介紹

2.1 虛擬演播室系統(tǒng)的搭建

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

1）通過(guò)在攝像機(jī)鏡頭上安裝齒輪，讀取攝像機(jī)鏡頭的focus和zoom的參數(shù)，通過(guò)云臺(tái)升級(jí)套件的數(shù)據(jù)輸出，讀取攝像機(jī)的俯仰、搖移動(dòng)作參數(shù)，由數(shù)據(jù)盒通過(guò)RS-422數(shù)據(jù)線傳送至虛擬渲染引擎Viz Engine。

2）攝像機(jī)給出同步信號(hào)接入傳感盒，保證傳感器跟蹤正常。

3）攝像機(jī)拍攝的前景信號(hào)通過(guò)光纖傳回，接入色鍵器的前景端口。

4）渲染引擎通過(guò)數(shù)據(jù)盒信息，攝像機(jī)的各種動(dòng)作映射到虛擬場(chǎng)景中，形成相應(yīng)的變化，使之前景和背景的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持一致。

5）色鍵器將攝像機(jī)前景經(jīng)過(guò)扣除綠色背景，設(shè)置前景2～3幀的視頻延時(shí)，與虛擬渲染引擎輸出的虛擬背景疊加，以使虛擬背景和實(shí)際前景達(dá)到無(wú)縫合成。

6）最終色鍵器針對(duì)每個(gè)機(jī)位，分別合成1路信號(hào)送給切換臺(tái)，供切換臺(tái)直接選擇切換。

7）切換臺(tái)在提供各機(jī)位預(yù)覽畫(huà)面同時(shí)，還需要提供外接視頻信號(hào)分別送給各個(gè)渲染引擎，以提供場(chǎng)景制作中的視頻開(kāi)窗信號(hào)。

8）局域網(wǎng)連接虛擬控制機(jī)，由控制機(jī)操作虛擬視頻窗的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主持人的現(xiàn)場(chǎng)連線、訪談講解等互動(dòng)效果，同時(shí)還可以對(duì)虛擬場(chǎng)景中各元素的動(dòng)畫(huà)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.2 虛擬演播室的操作流程

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)于操作人員有一定的要求，曾經(jīng)很多電視臺(tái)表示過(guò)關(guān)于虛擬演播室的操作制作復(fù)雜而造成虛擬演播室應(yīng)用的阻力。其實(shí)從設(shè)計(jì)制作到設(shè)備調(diào)試，通過(guò)規(guī)范流程，一方面達(dá)到事半功倍的效果，另一方面也能更輕松地發(fā)揮虛擬演播室技術(shù)。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)定流程如下：

1）首先節(jié)目組根據(jù)節(jié)目需求，提出方案，由設(shè)計(jì)師參與討論，形成設(shè)計(jì)思路，共同完成設(shè)計(jì)草案。

2）針對(duì)需求，分析場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)效果的可行性，選擇需要的機(jī)位和鏡頭，比如搖臂還是固定機(jī)位，廣角還是普通變焦等；安排實(shí)際攝像機(jī)安放位置，以期達(dá)到最好效果。

3）根據(jù)方案開(kāi)始設(shè)計(jì)制作虛擬場(chǎng)景，定期與節(jié)目組溝通，協(xié)調(diào)修改，達(dá)到滿意效果，即可進(jìn)入彩排階段。

4）通過(guò)實(shí)際帶機(jī)效果測(cè)試，進(jìn)一步修改場(chǎng)景細(xì)節(jié)，與節(jié)目導(dǎo)演共同分析討論，將出現(xiàn)的問(wèn)題一一解決，最后得出最終的設(shè)計(jì)方案。

5）最后在虛擬控制機(jī)上做好各操作動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，最大程度簡(jiǎn)化節(jié)目實(shí)施過(guò)程中的實(shí)時(shí)控制，使虛擬使用環(huán)節(jié)更加清楚靈活。

2.3 虛擬演播室的實(shí)際效果

此外，Vizrt虛擬渲染可以和Vizrt其他軟件產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)縫整合。支持在一個(gè)虛擬的場(chǎng)景中，利用內(nèi)建的數(shù)字可視化工具，制作非常美觀的三維實(shí)時(shí)虛擬圖形，作為主持人的前景或后景，這些三維實(shí)時(shí)虛擬圖形也完全可以由主持人控制（如GPI觸發(fā)）來(lái)進(jìn)行互動(dòng)講解，所有實(shí)時(shí)虛擬圖形的屬性（長(zhǎng)度、顏色、大小、旋轉(zhuǎn)、角度）都是可以在直播中被控制，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染在直播中播出。這一特點(diǎn)在系統(tǒng)使用中立刻得到了發(fā)揮。本次為了慶祝建黨90周年而作的特別節(jié)目《那年七月》，在虛擬場(chǎng)景中加入了柱狀圖、餅狀圖、字幕詩(shī)詞等元素，根據(jù)節(jié)目要求，實(shí)時(shí)觸發(fā)播出，結(jié)合2個(gè)虛擬場(chǎng)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(píng)析歷史人物長(zhǎng)廊畫(huà)卷的故事。一套虛擬演播室系統(tǒng)，完成了虛擬、在線包裝、字幕等多設(shè)備的功能，不但節(jié)約成本，而且使節(jié)目效果更加靈活豐富。效果圖如圖2所示。

3 小結(jié)

虛擬演播室性能的發(fā)展還在不斷更新，本臺(tái)對(duì)虛擬的使用也越來(lái)越大，需求的花樣也是推陳出新。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的媒體應(yīng)用將會(huì)更加豐富多樣，效果將會(huì)不斷出奇，這在虛擬技術(shù)的使用發(fā)揮上不斷提出新的要求，節(jié)目的創(chuàng)意需要突破現(xiàn)有思維，無(wú)限開(kāi)展想象。技術(shù)人員需要更加了解熟悉設(shè)備，緊跟科技步伐，探索開(kāi)發(fā)新的功能，共同鑄造新媒體高科技藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。