數(shù)字化虛擬演播室技術分析與應用

蔣春明，朱華良，鄧飛，楊春晨

摘 要 隨著我國社會的快速發(fā)展，電視節(jié)目演播制作發(fā)生著變化，數(shù)字虛擬演播的制作方式已經逐步形成重要的演播制作技術標準，利用數(shù)字技術，提升虛擬演播室的節(jié)目制作效果，對實際的技術應用和技術研究進行準確的分析，首先分析了虛擬演播室的出現(xiàn)，然后對虛擬演播室的構成進行分析，最后根據實際使用情況，分析如何進行虛擬演播室的應用。

關鍵詞 數(shù)字化虛擬演播室;技術分析;研究

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-0360（2018）21-0035-02

在當前的電視節(jié)目錄制當中，會大量使用到虛擬演播室來提升節(jié)目畫面的表現(xiàn)力和畫面感，但是實現(xiàn)虛擬演播室需要合理布置演播室內的光線、安排好攝像機的活動方向等。雖然虛擬演播室的初期投入很高，但是隨著技術的成熟，因為其各種畫面都是通過計算機合成，相比傳統(tǒng)演播室成本低了很多，在當前的電視節(jié)目中使用越來越廣泛。

1 虛擬演播室技術概述

1.1 虛擬演播室技術形成過程

1）色鍵技術。電視臺在進行電視節(jié)目的制作時使用的是色鍵技術，使用了純藍色或者綠色的背景，通過使用色鍵器，能夠進行顏色判斷并進行摳圖，把主持人從背景當中摳出來，再合成到其他的視頻里。而這種技術的缺陷在于，當攝像機和主持人在節(jié)目的拍攝過程中移動，但是合成的背景并不能夠伴隨著主持人的活動相應變化，無法通過摳圖來解決背景和前景之間的透視關系，只能應用于制作二維動畫，局限性較大。

2）虛擬演播室技術的出現(xiàn)。色鍵技術雖然實現(xiàn)了一些效果，但是它的問題也是十分明顯的，為此，在色鍵技術的基礎上引入了攝像機跟蹤技術，通過收集攝像機鏡頭參數(shù)、云臺運動參數(shù)、攝像機空間位置和角度參數(shù)，從而判斷攝像機、前景人物、虛擬場景之間的相對位置關系，告訴虛擬場景生成系統(tǒng)該產生什么樣的虛擬場景，才能與前景結合更真實。利用虛擬演播室，電視臺在制作節(jié)目時可以減少外景的搭建，通過模擬節(jié)目的需求創(chuàng)造外景。例如在表現(xiàn)一些歷史事件時，就可以依靠計算機的計算進行建模和渲染，同時配合攝像機鏡頭的改變，就能夠將當年的場景融入到現(xiàn)實中。

1.2 虛擬演播室的原理

虛擬演播室當會使用U型或者L型藍箱，在進行三維合成時，首先使用色鍵技術將主持人的畫面摳出來，然后通過攝像機運動軌跡和所處的位置來計算主持人的位置變化，從而將主持人以更加合理的方式合成到三維場景當中，并創(chuàng)造具有更高真實感的畫面。和傳統(tǒng)的拍攝方式不同，虛擬演播室的拍攝必須要大量使用到數(shù)字攝像技術，攝像機的視頻信號通過延遲器進入色鍵器之后進行色鍵處理，之后生成主信號。

2 數(shù)字虛擬演播室的構成

2.1 攝像機跟蹤系統(tǒng)

節(jié)目的拍攝過程中，需要移動攝像機位從而獲得更好的拍攝角度，并改變拍攝到的畫面。但是攝像機和主持人出現(xiàn)移動之后，所身處的環(huán)境也必須要有相應的變化，這就必須要讓環(huán)境也出現(xiàn)同步的改變。在過去的演播室拍攝當中，由于技術水平的不足，節(jié)目的拍攝是不考慮這些問題的，所以在合成畫面的時候只能進行簡單的二維合成。為了實現(xiàn)更加具有真實度的三維模擬，必須要考慮到攝像機的狀態(tài)再進行視頻合成，尤其是攝像機在運動中時，虛擬場景必須要移動運動才能夠獲得更為良好的拍攝效果。

攝像機跟蹤系統(tǒng)技術是虛擬演播室技術中的一項重要指標，目前應用較多的攝像機跟蹤技術，主要有機械傳感、圖形識別、紅外線跟蹤、超聲波定位這幾種方式。

1）圖像識別定位跟蹤系統(tǒng)。圖像識別定位跟蹤系統(tǒng)使用了圖像識別算法，在攝像機拍攝到影像之后，攝像機會進行解析，同時進行匹配和圖像識別工作，進而就能夠獲得攝像機的位置等各種技術非參數(shù)。該技術的最大優(yōu)勢在于，并不需要在攝像機上加裝其他的傳感器設備，也并不會因為維修產生更多的成本，一切的識別工作都由計算機來完成。

2）傳感器定位跟蹤。使用該技術時，需要在攝像機鏡頭上安裝運動參數(shù)編碼器，從而在計算機運動時，編碼器就會獲得橫搖、俯仰、變焦、平移等機位的信息和活動的參數(shù)。該技術的優(yōu)勢在于，由于攝像機所有的狀態(tài)都來自于直接生成，并不是通過計算獲得，因此得到這些參數(shù)時沒有任何的延遲，即便是比較復雜的運動，也能夠獲得極為準確的參數(shù)。使用該技術，還可以讓多臺攝像機進行協(xié)同工作，在進行后期成像時，也十分方便。但是，由于每臺攝像機都需要加裝傳感器，這就使得成本會有大幅度的增加，同時技術的難度也很高，必須要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，一旦定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進行重啟，則整個虛擬演播室內所有的攝像機都需要進行校正才能夠獲得正確的數(shù)據。

3）紅外線跟蹤技術。紅外線跟蹤技術需要利用紅外線LED目標，通過將其安裝在虛擬演播室的攝像機上，就可以向主持人的頸部或者側面進行發(fā)射光線。通過進行一定的處理后，就可以利用紅外線檢測儀來對攝像機進行跟蹤，從而達到對攝像機進行定位的目的。

4）超聲波跟蹤。該技術使用了超聲波信號來判斷攝像機的位置，技術的優(yōu)勢在于，攝像機的活動比較方便，受到的限制很小，并且定位的精度也很高，而且由于計算量低，所以延遲也不高。

2.2 虛擬場景生成系統(tǒng)

虛擬場景生成系統(tǒng)是虛擬演播室的核心，能否穩(wěn)定、迅捷生成逼真的三維演播室虛擬場景是關鍵。制作三維演播室虛擬場景，首先需要利用3D軟件對虛擬場景中的物體建模，然后對物體的不同部位賦予相應的材質，再根據設計需要對物體進行合理定位。三維系統(tǒng)具有很高的場景要求，同時畫面的效果也很真實，具有視覺沖擊力。為了能夠提高三維場景的虛擬效果，還需要對畫面的一些細節(jié)問題進行處理，比如畫面當中的光影問題、如何通過計算保證光影能夠保持一致等，這些都需要在算法上進行開發(fā)。

虛擬演播室的燈光。光影是虛擬演播室的畫面是否具有真實性的關鍵，必須要保證演播室內光影的變化和節(jié)目畫面一致，才能減少觀眾在觀看之后的違和感。由于和傳統(tǒng)演播室的不同，藍箱內的燈光需要采用不同的布置方法。首先要保證藍箱內的燈光均勻，其次，藍箱內的燈光需要和虛擬場景一致變化，使主持人能夠充分融入到場景當中。

過去，虛擬演播室對燈光亮度的要求非常高，為了滿足這些要求，通常會使用大功率的燈光，但是大功率的燈光發(fā)熱很大，多數(shù)主持人無法長時間堅持主持節(jié)目。隨后，使用的是三基色冷光源，這種光源有很大的發(fā)光面積，并且有著均勻的光線，比較符合演播室對燈光的要求?，F(xiàn)在，LED光源技術突破，且隨著攝像機技術的發(fā)展，對照度的要求降低，LED光源發(fā)光柔和均勻，陰影少、能耗更低，得到大量使用。

3 虛擬演播室的技術應用

虛擬演播室的技術目前已經大量運用在節(jié)目生產、視頻資源的建設中，主要應用方向有：

1）虛擬場景的制作。以往，不同的欄目具有不同的風格，演播室場景風格迥異，不同欄目不能共用同一個演播室，否則場景就要不停來回更換，需要大量人力物力。虛擬演播室只需設計制作不同場景，輕松調用，提高了演播室利用率，更大大降低制作成本，節(jié)省時間和布景、道具制作的人力、物力。

2）虛擬節(jié)目內容的制作。虛擬現(xiàn)實技術，能夠輕易表現(xiàn)大到宏觀的天文、地理，小到微觀的細胞，大大豐富了節(jié)目視頻資源所表現(xiàn)的節(jié)目內容，為觀眾展示一個全新的視角。

3）虛擬移動場景的制作。在節(jié)目制作過程中，通過背景開窗以顯示器的形式，可將視頻或者動畫插入到節(jié)目置景中，增加表現(xiàn)手段，豐富節(jié)目活力。

此外，虛擬演播室技術通過虛擬重放、數(shù)字重放以及虛擬廣告等形式還大量應用在體育節(jié)目中，取得了非常好的效果。

4 結束語

視頻數(shù)字化技術的日益發(fā)展和成熟，使得電視節(jié)目越來越豐富。虛擬演播室的建設需要在前期投入大量的資金，但是由于所有的道具和場景都通過電腦合成，使得其在后期的投入比傳統(tǒng)演播室減少了許多，因此從長遠的分析，虛擬演播室是一種更加節(jié)約的方式。并且，虛擬場景的構建、節(jié)目表現(xiàn)手段的多樣化是傳統(tǒng)演播室無法做到的，通過使用合理的技術一定能夠創(chuàng)造更加豐富的視覺場景。

參考文獻

[1]梁驥.數(shù)字化虛擬演播室技術分析與研究[J].電聲技術，2013，37（6）：10-12，16.

[2]金丹.數(shù)字技術在虛擬演播室節(jié)目制作中的應用與研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2015.

[3]胡衛(wèi)華，高濤.數(shù)字場景設計在虛擬演播室中的應用[J].電視技術，2018，42（3）：75-78，85.

[4]劉峻.虛擬演播室中的攝像機定位和布光技術[J].西部廣播電視，2016（2）：197.

作者簡介：蔣春明，工程師，研究方向為電視燈光技術。