虛擬演播室技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)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(yīng)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(jī)的位置和鏡頭等變化來控制計(jì)算機(jī)中的“虛擬攝像機(jī)”，使它的位置和鏡頭變化與“實(shí)際”同步，將他們進(jìn)行色鍵效果處理之后，得到的畫面會更加真實(shí)自然。因此，虛擬演播室技術(shù)廣泛應(yīng)用在廣播電視領(lǐng)域，本文著重介紹了在廣播電視領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 虛擬演播室 技術(shù)特點(diǎn) 應(yīng)用

引言

虛擬演播室（Virtual Studio，VS）是計(jì)算機(jī)技術(shù)在電視節(jié)目制作領(lǐng)域的最新應(yīng)用之一，是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電視節(jié)目制作技術(shù)，它具有制景費(fèi)用低廉、更換布景方便，便于發(fā)揮主創(chuàng)人員創(chuàng)意，實(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)運(yùn)動實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)三維場景的移動變換與真實(shí)攝像機(jī)相一致的模擬效果，這就是三維圖形學(xué)、人工智能、模式識別與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電視攝像機(jī)（裝有攝像機(jī)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(shí)質(zhì)是將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬三維場景與攝像機(jī)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(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)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(dá)到同步的變化，從而實(shí)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(jī)、攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形工作站、色鍵合成器4個(gè)部分組成。攝像機(jī)主要用于攝取藍(lán)色幕布前真實(shí)的人或物。攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)主要用于獲取攝像機(jī)在演播室中的實(shí)際位置參數(shù)和動作參數(shù)。計(jì)算機(jī)圖形工作站主要用于生成實(shí)施虛擬場景。色鍵合成器主要用于于將攝像機(jī)前景和計(jì)算機(jī)虛擬場景合成為一個(gè)圖像。

虛擬演播室的工作原理如圖1所示，把攝像機(jī)拍攝到的一藍(lán)色幕布為背景的畫面作為前景，用一臺超級實(shí)時(shí)圖形計(jì)算機(jī)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(jī)的運(yùn)動參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)圖形工作站，計(jì)算機(jī)圖形工作站經(jīng)大量運(yùn)算后，產(chǎn)生于實(shí)際攝像機(jī)拍攝的實(shí)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(gè)圖像輸出，達(dá)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(jī)跟蹤技術(shù)

攝像機(jī)跟蹤技術(shù)是虛擬演播室中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它可以獲取計(jì)算機(jī)在演播室中的實(shí)際位置參數(shù)和動作參數(shù)，從而判斷攝像機(jī)、演員或節(jié)目主持人、計(jì)算機(jī)虛擬場景之間的相對位置關(guān)系，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)的鎖定。目前，攝像機(jī)跟蹤技術(shù)主要有圖形識別、機(jī)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(yīng)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?jǐn)z像機(jī)通常為二到三個(gè)，攝像機(jī)配有運(yùn)動檢測和識別系統(tǒng)，即攝像機(jī)跟蹤器。其原理是將檢測到的攝像機(jī)的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過一個(gè)“傳感器”裝置傳輸?shù)健靶?zhǔn)器”，這樣，理想情況下，現(xiàn)場攝像機(jī)與虛擬演播室中“虛擬”的攝像機(jī)被相對地鎖定在一個(gè)位置上。當(dāng)現(xiàn)場演播室攝像機(jī)運(yùn)動時(shí)，虛擬攝像機(jī)受跟蹤器的控制可以實(shí)時(shí)地與現(xiàn)場攝像機(jī)保持同步。

2.2 輔助攝像機(jī)技術(shù)

輔助攝像機(jī)技術(shù)是以圖形識別技術(shù)為基礎(chǔ)，可以說是圖形識別系統(tǒng)的一種擴(kuò)展。輔助攝像機(jī)是一種專用的小型攝像機(jī)，它可安裝在任何一個(gè)演播室攝像機(jī)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(dāng)演播室攝像機(jī)拍攝表演者時(shí)，輔助攝像機(jī)就會拍攝到格子圖案，通過格子圖案的視頻圖像信號進(jìn)行分析，就可以得到演播室攝像機(jī)的各種參數(shù)。使用輔助攝像機(jī)技術(shù)后，演播室攝像機(jī)的拍攝可不受任何限制，可實(shí)現(xiàn)極端推進(jìn)、寬角度拍攝、室外操作級費(fèi)藍(lán)演播室應(yīng)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(shí)，當(dāng)攝像機(jī)無意間拍攝到非藍(lán)區(qū)域時(shí)，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(bǔ)彩底”技術(shù)。使用這一技術(shù)后，攝像機(jī)拍攝到的非藍(lán)區(qū)域可自動由“垃圾色塊”來填補(bǔ)，因此它具有“背景保護(hù)”功能，使演播的范圍大大超出了演播室的藍(lán)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(jì)算機(jī)虛擬場景生成技術(shù)

虛擬演播室系統(tǒng)配備的計(jì)算機(jī)是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)為網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(fù)責(zé)向圖形發(fā)生器傳輸圖像數(shù)據(jù)及處理由攝像機(jī)跟蹤器傳來的攝像機(jī)運(yùn)動數(shù)據(jù)。根據(jù)主機(jī)傳來的攝像機(jī)運(yùn)動數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地計(jì)算出虛擬的三維電腦場景的運(yùn)動，以保證其輸出的虛擬背景與真實(shí)的前景同步。

其中，在虛擬節(jié)目準(zhǔn)備中的一個(gè)重要任務(wù)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(jī)或攝像機(jī)的活動視頻，也可以是靜止圖像等，但使用最多的是由計(jì)算機(jī)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(qiáng)調(diào)制作的現(xiàn)場感和可擴(kuò)充的實(shí)時(shí)性。用計(jì)算機(jī)建立三維場景幾乎不受現(xiàn)實(shí)的限制，因此，創(chuàng)作人員得以在節(jié)目需求的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)得當(dāng)，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(shí)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(shí)時(shí)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(dāng)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(lán)色空間場地基色，以適應(yīng)色鍵器摳像的技術(shù)要求。虛擬演播室的無限藍(lán)箱給燈光的處理帶來了新的要求，傳統(tǒng)的三點(diǎn)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(shí)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(lán)色背景之間布光的比例，另一方面，要注意現(xiàn)場真實(shí)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(qiáng)真實(shí)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(jī)到每個(gè)像素的距離。這是一種基于計(jì)算機(jī)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(lán)色幕布中提取出來，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(chǔ)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(shí)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(lán)箱技術(shù)

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

藍(lán)箱的設(shè)計(jì)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(jī)位，來設(shè)計(jì)藍(lán)箱的形狀并計(jì)算其大小。

其次要考慮制作工藝，重點(diǎn)是背景制作，一般來說藍(lán)色能更好地保護(hù)人體的皮膚顏色；物體周圍的藍(lán)色弱色調(diào)沒有綠色弱色調(diào)顯眼；演員們在藍(lán)色環(huán)境，工作要比紅色環(huán)境中愉快。藍(lán)背景漆應(yīng)使用添加有阻燃劑、啞光、具有一定耐磨度的純正的色鍵藍(lán)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(jìn)一步增強(qiáng)場景的真實(shí)感。虛擬散焦功能可模仿幾何光學(xué)的原理，對虛擬場景中的遠(yuǎn)處景物進(jìn)行散焦處理，從而增強(qiáng)場景的縱深感。新的數(shù)字視頻處理器可完成高達(dá)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(yīng)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(yù)報(bào)和一些教育類節(jié)目是比較理想的，因?yàn)檫@些節(jié)目在制作上具有連續(xù)性和重復(fù)性，制作一個(gè)場景就可以重復(fù)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(jìn)行“實(shí)況轉(zhuǎn)播”，演播室里刮龍卷風(fēng)等等。

3.1 虛擬重放

虛擬重放系統(tǒng)主要應(yīng)用于足球等球類比賽的轉(zhuǎn)播及評論節(jié)目。它通過先進(jìn)的視頻跟蹤技術(shù)和三維重建技術(shù)，可自動跟蹤運(yùn)動員或球，并突出顯示他們的運(yùn)動軌跡或路線，測量運(yùn)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(biāo)志。這套系統(tǒng)需要事先存儲體育場的三維模型。另外，準(zhǔn)備素材需要幾分鐘的時(shí)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(gè)角度模仿真實(shí)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(yīng)用于體育比賽的報(bào)道及評述節(jié)目。它能迅速重放各種精彩場面，在重放時(shí)，通過使用先進(jìn)的視頻跟蹤技術(shù)，可突出顯示并自動追蹤關(guān)鍵運(yùn)動員或球，顯示他們的運(yùn)動軌跡或路線，測量并顯示運(yùn)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(biāo)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(gè)細(xì)節(jié)，從而能更好地欣賞比賽。對于體育評論員和球隊(duì)教練來說，數(shù)字重放系統(tǒng)是一個(gè)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(dá)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(diǎn)，首先，在對不同的地區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)播時(shí)，可插入不同的廣告，增強(qiáng)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(gè)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(lán)色幕布前的信號，先經(jīng)過一次摳像再進(jìn)入虛擬演播系統(tǒng)的信號，先經(jīng)過一次摳像再進(jìn)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(shí)時(shí)結(jié)合在一個(gè)虛擬背景中，兩個(gè)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(shí)將它放置在需要插入視頻或動畫的場景位置上。攝像機(jī)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(yīng)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(bào)道、實(shí)況采訪、天氣預(yù)報(bào)、現(xiàn)場新聞報(bào)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(jì)算機(jī)制作出教堂的立體畫面，用一臺虛擬的攝像機(jī)從各個(gè)角度做推拉、旋轉(zhuǎn)等動作拍攝。30分鐘畫面用了6-8周時(shí)間，一座宏偉的教堂便“出現(xiàn)”了。

3.6 虛擬人物表演

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地模仿表演者的動作。 虛擬動畫人物與真人能同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)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(jī)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(yīng)用也包括很多方面，這里只介紹了其中的幾個(gè)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(dāng)代最新的數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)兼容并蓄的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)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(lǐng)域的一場革命。