鄭州電視臺(tái)高清虛擬演播室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭州電視臺(tái) 孫 眾 汪 貝

鄭州電視臺(tái)高清虛擬演播室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭州電視臺(tái) 孫 眾 汪 貝

一、高清虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

鄭州電視臺(tái)新大樓高清虛擬演播室使用的是新奧特高清虛擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進(jìn)的機(jī)械傳感技術(shù)，采用“制作”、“播出”、“控制”分離的工作方式。新奧特高清虛擬系統(tǒng)具有開放式、插件式、網(wǎng)絡(luò)化的整體架構(gòu)，采用主控工作站和圖形工作站分離的網(wǎng)絡(luò)連接方式，利用虛擬場景設(shè)計(jì)器、虛擬演播室控制播出器和圖形渲染器3種不同的工作環(huán)境，制作、播出和控制采用不同的界面操作，實(shí)現(xiàn)了制作和播出分離控制的效果。新奧特高清虛擬系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的三維場景實(shí)時(shí)編輯功能，能及時(shí)修改場景中三維物體的位置、紋理、材質(zhì)和空間，且無須返回3DMAX等三維建模軟件。

二、傳統(tǒng)色鍵技術(shù)的不足

高清虛擬演播室是在傳統(tǒng)色鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。傳統(tǒng)色鍵（Chroma-Key）技術(shù)是電視節(jié)目制作中常用的合成手段，它的原理就是將主持人或演員置身于藍(lán)色背景前表演，然后利用色鍵合成器的色鍵功能將前景圖像中的色度與作為背景的彩色幕布的色調(diào)差別作為形成鍵控電壓的依據(jù)，并利用此電壓“摳”去插入畫面，然后再將前景圖像填入畫面，這樣就可以將主持人從藍(lán)色背景中分離出來，用其他的畫面作為背景來填充藍(lán)色部分，形成一幅天衣無縫的合成畫面。這種系統(tǒng)現(xiàn)在在電視節(jié)目制作中應(yīng)用得非常普遍，但是它有1個(gè)不足之處在于：前景在運(yùn)動(dòng)時(shí)，背景卻不能作出與前景運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作。也就是說，傳統(tǒng)的色鍵扣像不能保持背景和前景之間的空間位置關(guān)系，使得前景沒有“溶入”到背景中，從而限制了傳統(tǒng)色鍵扣像的應(yīng)用范圍。

三、高清虛擬演播室系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及核心技術(shù)

1.高清虛擬演播室系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。高清虛擬演播室基于傳統(tǒng)的色鍵摳像合成系統(tǒng)，卻突破了傳統(tǒng)色鍵摳像系統(tǒng)的限制，消除了攝像機(jī)拍攝的前景畫面不能與場景畫面同步運(yùn)動(dòng)的致命弱點(diǎn)，使演員能夠真實(shí)地嵌入到虛擬三維場景中，并能與其中的虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)交互。

2.高清虛擬演播室系統(tǒng)的核心技術(shù)。高清虛擬場景生成系統(tǒng)。高清虛擬演播室的場景是由專業(yè)軟件創(chuàng)作的二維或三維圖形CG（Computer Graphics）來完成，即虛擬場景。高清虛擬演播室的場景是由高性能的圖形工作站繪制的圖形，其繪制的圖形有二維和三維之分，因而虛擬場景也有二維和三維之分。二維場景沒有厚度，只是1個(gè)平面圖形，而三維虛擬場景中的景物具有“Z”方向的厚度，是立體的。在三維的場景中，虛擬景物既能作為真實(shí)的人物前景出現(xiàn)，也能作為背景出現(xiàn)，這樣在視覺效果上更加具有縱深感和真實(shí)性。

3.攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)。攝像機(jī)在拍攝過程中有水平角（PAN）、俯仰角（TITLE）、鏡頭變焦（Z00M）和聚焦（FOCUS）等參數(shù)。這些參數(shù)的改變會(huì)引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環(huán)境，高性能的圖形工作站必須根據(jù)這些參數(shù)來不斷調(diào)整三維視圖。而攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)的作用正是獲取攝像機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地跟蹤真實(shí)攝像機(jī)，保證攝像機(jī)前景畫面與高性能的圖形工作站場景畫面的“聯(lián)動(dòng)”。機(jī)械跟蹤方式克服了圖形識(shí)別方式的缺點(diǎn)，測量攝像機(jī)的參數(shù)更精確，旋轉(zhuǎn)角度可以精確到0.001°，移動(dòng)距離可以達(dá)到1 mm的精確度，數(shù)據(jù)處理時(shí)間短且無延時(shí)。

4.高清視頻合成技術(shù)。高清虛擬演播室系統(tǒng)視頻合成的基本技術(shù)是色鍵摳像。攝像機(jī)拍攝藍(lán)箱前的真實(shí)景物通過色鍵器進(jìn)行摳像處理，與高性能的圖形工作站生成的虛擬場景合成為為1個(gè)畫面。高清視頻合成主要有以下2種技術(shù)：

（1）深度合成技術(shù)。深度合成技術(shù)是指虛擬物體與實(shí)際演員的前后遮擋關(guān)系，這種技術(shù)需要考慮2路鍵信號(hào)的深度信息，就可以讓背景內(nèi)容在演員前面顯示。高清虛擬演播室的基礎(chǔ)就是在前景和背景合成的時(shí)候，前景的演員可以被背景的內(nèi)容覆蓋。為了豐富畫面的拍攝效果，還需要考慮虛擬物體的遮擋效果，一般都采用深度合成技術(shù)來完成。

（2）同步技術(shù)。同步技術(shù)是指高性能的圖形工作站根據(jù)傳感系統(tǒng)的參數(shù)變化實(shí)時(shí)地提供相應(yīng)的虛擬場景，并與攝像機(jī)前景信號(hào)完成精確地同步合成。要使攝像機(jī)的前景畫面和虛擬場景天衣無縫的合成，需要讓虛擬演播室系統(tǒng)中所有的設(shè)備接受外同步鎖定，這樣才能保證順利地實(shí)時(shí)合成。

四、鄭州電視臺(tái)高清虛擬演播室的應(yīng)用實(shí)例

鄭州電視臺(tái)高清虛擬演播室可以錄制標(biāo)清和高清節(jié)目。而且可以做出現(xiàn)實(shí)中無法搭建的背景效果。不同的欄目可以共用1個(gè)演播室，因此大大提高了演播室的利用率。

例如，鄭州臺(tái)《笑啥咧笑》、《戲曲擂臺(tái)》等節(jié)目的背景就是三維動(dòng)畫。Mariana.VS系統(tǒng)采用成熟的傳感跟蹤系統(tǒng)，準(zhǔn)確地跟蹤攝像機(jī)各個(gè)姿態(tài)的變化，使在實(shí)景演播室畫面中任意區(qū)域植入的三維虛擬模型、三維圖元、三維視頻都可以準(zhǔn)確的跟隨攝像機(jī)進(jìn)行平搖、俯仰、變焦搖臂運(yùn)動(dòng)，高光反射等細(xì)膩真實(shí)地效果和渲染，使主持人和背景更加清晰。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高清視頻技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，高清虛擬演播室技術(shù)將越來越多地被視頻制作機(jī)構(gòu)所使用。工作人員可以根據(jù)自己不同的實(shí)際情況和欄目需求，合理地使用高清虛擬演播室系統(tǒng)，制作出既經(jīng)濟(jì)又能滿足觀眾觀賞性的節(jié)目。