虛擬演播室的構(gòu)建及應(yīng)用

談 鈞

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

虛擬演播室的構(gòu)建及應(yīng)用

談 鈞

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

介紹了虛擬演播室的工作原理，根據(jù)工作原理構(gòu)建了一套獨特的多功能虛擬演播室，探索了“單通道三機(jī)位”虛擬演播室系統(tǒng)在實際中的運用與發(fā)展。

虛擬演播室；系統(tǒng)構(gòu)建；虛擬場景

虛擬演播室（Virtual Studio）技術(shù)是在色鍵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，就是用計算機(jī)圖形技術(shù)搭建的虛擬場景替代真實布景，工作中將實景信號和虛擬三維場景通過色鍵處理，進(jìn)行完美融合的一種新型電視節(jié)目制作技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)的推廣普及，網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)，在線學(xué)習(xí)等新的學(xué)習(xí)手段開始豐富人們的業(yè)余學(xué)習(xí)生活。通過虛擬技術(shù)可以創(chuàng)建具有真實感三維空間，提高演播室的使用頻率，縮短課件制作期周期，豐富教學(xué)資源，完善學(xué)習(xí)環(huán)境，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。本文根據(jù)其工作原理構(gòu)建了獨特的多功能虛擬演播室。

1 虛擬演播室的工作原理

虛擬演播室的工作原理如圖1所示：攝像機(jī)采集藍(lán)室里面的前景信號，包括前景的人物，景物，送入色鍵控制器，進(jìn)行摳像；摳像后的信號傳輸?shù)教摂M服務(wù)器，與虛擬三維場景進(jìn)行合成；虛擬服務(wù)器通過RS－232進(jìn)行虛擬控制，將合成信號傳輸?shù)缴I控制器，傳輸?shù)角袚Q臺進(jìn)行虛擬或者實景的選擇，最終輸出的信號進(jìn)入到非編和視頻會議以及回監(jiān)顯示器。

圖1 演播室工作原理

2 虛擬演播室的構(gòu)建設(shè)計

虛擬演播室技術(shù)是由色鍵摳像技術(shù)、電腦三維技術(shù)、攝像機(jī)跟蹤技術(shù)和燈光藝術(shù)相集合的產(chǎn)物［1］。虛擬演播室的系統(tǒng)可以根據(jù)不同的需求而采用不同的設(shè)計方案來構(gòu)建。

2.1 整體架構(gòu)的設(shè)計思路

虛擬演播室技術(shù)分為傳統(tǒng)虛擬演播室和真三維高清演播室，兩者的主要區(qū)別在于是否配置同步跟蹤技術(shù)。同步跟蹤技術(shù)是在每臺攝像機(jī)上面裝一個跟蹤器，將采集的信號以及實時的坐標(biāo)（空間X、Y、Z參數(shù)）傳送到虛擬服務(wù)器，與虛擬的三維背景參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)，當(dāng)前景在變化時，虛擬背景的參數(shù)同時在變化，符合人的正常視覺效果。由于同步跟蹤設(shè)備價格高昂，而傳統(tǒng)虛擬演播室通過相應(yīng)的設(shè)置也能達(dá)到相應(yīng)的三維效果，本文就采用了后一種方法。通過對設(shè)備的合理利用和開發(fā)，構(gòu)建了獨特的多功能虛擬演播室。演播室主要由以下幾個系統(tǒng)構(gòu)成：前景信號采集系統(tǒng)、虛擬場景生成系統(tǒng)、視音頻合成系統(tǒng)、視頻會議在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)信號流程

為了更大化利用原有的設(shè)備，擴(kuò)充演播室的功能，在前景信號采集的設(shè)計中，利用原有的索尼HVR－Z1C進(jìn)行實景信號采集，也就是一路標(biāo)清的SDI信號，同時新引進(jìn)兩臺索尼公司最新推出的HVR－Z7C高清攝像機(jī)，可以拾取兩路高清攝像機(jī)的HDMI信號（或SDI信號），通過視頻服務(wù)器還可以拾取一路電腦的外視頻HDMI信號，也就是實現(xiàn)了單通道三機(jī)位四路信號同時輸入，即一主兩副三個機(jī)位，分別對應(yīng)主講席正面，側(cè)面，觀眾席，加上外視頻對課件的實時錄制，在錄制過程中間可以根據(jù)需求對不同的鏡頭進(jìn)行切換。

前景信號流程如圖2所示：兩路攝像機(jī)的高清HDMI信號進(jìn)入直接進(jìn)入色鍵系統(tǒng)，與虛擬服務(wù)器輸出的圖形背景信號合成為虛擬演播室的最終信號。而外視HDMI信號直接進(jìn)入虛擬服務(wù)器，在虛擬背景上直接進(jìn)行切換，根據(jù)需求直接在虛擬服務(wù)器上直接輸出。另外一路攝像機(jī)SDI信號則直接進(jìn)入Data video SE－900特技臺，SE－900根據(jù)需求利用不同的切換特技進(jìn)行實景和虛擬的切換，加強(qiáng)現(xiàn)場的真實感。

圖2 前景信號流程圖

2.3 色鍵器的選擇

色鍵技術(shù)是虛擬演播室系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，色鍵技術(shù)的優(yōu)劣直接影響到最終的合成效果。美國高創(chuàng)公司推出的SMARTMATTE系列色鍵是專用于虛擬演播室系統(tǒng)摳像的專業(yè)設(shè)備，是業(yè)內(nèi)獨有的采用內(nèi)置DSP芯片進(jìn)行色鍵算法處理的全數(shù)字摳像合成設(shè)備，采用線性鍵的方式對紅、綠、藍(lán)三種顏色進(jìn)行摳像合成，因此可以合成煙霧、透明物體，可以保留前景物體的更多細(xì)節(jié)而不出現(xiàn)邊緣的鋸齒。本虛擬演播室選用了SMARTMATTE HDMI色鍵器，保證了虛擬演播室的摳像質(zhì)量。

2.4 虛擬場景的開發(fā)

高清三維虛擬服務(wù)器可以實時讀取3Dmax、Maya等國際通用的建模軟件構(gòu)建好的場景模型，此外，在虛擬的場景中還可以自己的添加多個虛擬物體，并進(jìn)行特效處理。虛擬物體可以是動態(tài)的，如運動的視頻，飛行旋轉(zhuǎn)的地球和LOGO以及運動的樹葉、雨雪、禮花、云霧、游動的雨、飛舞的蝴蝶等虛擬特效；也可以是靜態(tài)的，如各類圖形圖片以及模型材料等。在我院精品課程錄制的過程中，就通過將我院風(fēng)光作為背景，學(xué)院名稱和課題直接設(shè)計到虛擬背景中，可以實現(xiàn)虛擬視頻窗（如課件）與全屏幕視頻畫面的自由切換、視頻窗的飛入、飛出等特技。在虛擬服務(wù)器中，可以根據(jù)需要制作各種形式的背景，制作不同類型的視頻素材可以選用不同的背景，這樣，加大了虛擬演播室的利用率，降低了制作成本。

2.5 視音頻延時處理

在采集信號過程中，視頻和音頻是不同的通道進(jìn)行采集，由于色鍵摳像和虛擬合成等工作都需要一定的處理時間，從而形成了聲音信號與視頻動作信號的不一致。為了解決視音頻的不同步，通常增加延時設(shè)備，音頻信號從YAMAHA MG124C調(diào)音臺出來后通過DL60進(jìn)行音頻延時從而實現(xiàn)視音頻信號的同步。由于本虛擬演播室沒有采用同步跟蹤技術(shù)，計算機(jī)不需要很長時間的計算，此系統(tǒng)設(shè)定160ms的延時就可以確保聲畫同步。

2.6 視頻會議在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)

該系統(tǒng)最終將合成信號設(shè)置了四路輸出，其中，兩路給回監(jiān)，一路回監(jiān)信號到演播室，方便攝影師查看實景人物在三維空間的位置，一路回監(jiān)信號傳回給特技控制臺，方便三維場景的設(shè)定和監(jiān)看，一路給非線性編輯系統(tǒng)進(jìn)行采集和編輯，一路給視頻會議系統(tǒng)，可以進(jìn)行現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。只要有互聯(lián)網(wǎng)的地方，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實時的學(xué)習(xí)和交流，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課堂。視頻會議系統(tǒng)的加入，將虛擬演播室的功能更加的具體化，可以用于大型的、正式的發(fā)布會。

3 虛擬演播室的應(yīng)用

3.1 高職精品課程制作

目前各高校都在開發(fā)各類學(xué)科的視頻教學(xué)節(jié)目，我院也專門打造精品課程建設(shè)專欄，讓優(yōu)秀的教師走入虛擬演播室，將授課主講教師的授課內(nèi)容與多媒體課件與根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行合成，實現(xiàn)最佳的教學(xué)效果。同時，虛擬演播室進(jìn)行精品課程的錄制對教師的教學(xué)也有很大的促進(jìn)，對教師多元化教學(xué)提出了更高的要求。通過精品課程的錄制，教師能發(fā)現(xiàn)自身教學(xué)中存在的不足，加以改進(jìn)。

3.2 在線大工種培訓(xùn)課程制作

武鋼內(nèi)網(wǎng)的e－Learning平臺里面的資源主要以管理課程為主，而生產(chǎn)在第一線的技術(shù)工種沒有充足的學(xué)習(xí)資源，不能滿足絕大部分員工學(xué)習(xí)的需求。而利用虛擬演播室可以開發(fā)完全符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求的高質(zhì)量、高水平的在線學(xué)習(xí)課程，能夠完善數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，滿足同步或異步學(xué)習(xí)的需要。

3.3 遠(yuǎn)程教育

針對合作辦學(xué)，包括電大、成教、自考、研究生學(xué)習(xí)，開發(fā)更多合理的學(xué)習(xí)資源，開展更多途徑的教學(xué)方式，都是勢在必行的趨勢。虛擬演播室技術(shù)可以很好的運用在遠(yuǎn)程教學(xué)中，通過視頻會議系統(tǒng)，可以將處于不同空間的人組織起來一起交談和演示，也可以制作各種類型的專家訪談活動，對某一問題進(jìn)行實時的溝通與交流。授課教師可以通過虛擬演播室，把很多空間的概念加以實體化，以動態(tài)或者靜態(tài)的方式展示在學(xué)生面前，并支持學(xué)生的在線答疑，能夠彌補(bǔ)時間和空間的缺陷。在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程授課和教學(xué)的同時還可以進(jìn)行全程的課程錄制，作為教學(xué)資料和后期教學(xué)研究手段。

3.4 校園文化建設(shè)

虛擬演播室可以制作各種類型的校園文化節(jié)目，如新聞發(fā)布，節(jié)目訪談，文娛節(jié)目，求職視頻，個人展示等，豐富校園文化生活，更大的促進(jìn)校園文化建設(shè)，也是對學(xué)院的一種宣傳手段。

3.5 教學(xué)實訓(xùn)基地

虛擬演播室可以作為動漫專業(yè)學(xué)習(xí)的實踐基地，可以讓學(xué)生構(gòu)建不同的虛擬背景和虛擬事物，并與現(xiàn)實場景一起進(jìn)行加工合成，實現(xiàn)虛實結(jié)合，更大的促進(jìn)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展。

虛擬演播技術(shù)作為一種新興的高質(zhì)量、高效率的技術(shù)，有很大的開發(fā)和利用的空間。總之，沒有做不到的，只有想不到的，好的創(chuàng)意可以立即實現(xiàn)到場景中。但是很重要的一點，從設(shè)計到開發(fā)，需要一支高素質(zhì)的隊伍才能將虛擬演播室的優(yōu)勢充分挖掘出來，發(fā)揮其最大的功能。

［1］ 陳健森.淺談虛擬演播室技術(shù)及構(gòu)建實例［J］.廣播與電視技術(shù)，2011，（7）：106－109.

Construction and Application of Virtual Studio

TAN Jun

The working principle and basic construction of the Virtual Studio are introduced，and the"single channel of three seats"virtual studio system in practical application and development are explored.

Virtual studio；System construction

TP391.9

A

1671－3524（2012）02－0033－03

（責(zé)任編輯：李文英）

2012－05－09

2012－05－20

談 鈞（1983～），女，助教.E－mail：tj＠wgxy.net