虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)分析

高乙超 重慶廣播電視集團(tuán)（總臺）

隨著時代進(jìn)步和科技發(fā)展，虛擬演播室、虛擬技術(shù)等現(xiàn)代科技不斷被應(yīng)用在電視節(jié)目當(dāng)中，通過各種虛擬技術(shù)研發(fā)和利用，不僅可以降低演播室內(nèi)景觀搭建的造價和人力物力的投入，還可以豐富觀看者的視覺感受，將一些不可能在現(xiàn)實生活中呈現(xiàn)出來的場景虛擬出來，同時不斷地促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

一、虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計原理技術(shù)分析

（一）運動跟蹤技術(shù)

常見的運動跟蹤技術(shù)分為機(jī)械傳感跟蹤，紅外跟蹤和網(wǎng)格定位跟蹤方式。

將跟蹤器設(shè)置在攝像機(jī)內(nèi)，然后通過運動跟蹤技術(shù)準(zhǔn)確的定位拍攝畫面和各項信息數(shù)據(jù)，這種跟蹤方式屬于機(jī)械傳感跟蹤系統(tǒng)。對于一個節(jié)目的錄制，相關(guān)制作人員需要將錄制要求和數(shù)據(jù)信息提前設(shè)定好，之后再由攝影師按照要求調(diào)節(jié)攝像機(jī)的變焦環(huán)、聚焦環(huán)、機(jī)頭的高度和角度等，同時安裝運動數(shù)據(jù)編碼器，這樣相關(guān)制作人員便可以及時準(zhǔn)確的了解到各種信息數(shù)據(jù)，并做出合理的判斷和制作，從而實現(xiàn)前景、背景、人物等相互協(xié)調(diào)配合的要求。機(jī)械傳感跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)較為成熟，在節(jié)目錄制過程中應(yīng)用較為廣泛，尤其是對一些不轉(zhuǎn)換攝像機(jī)位置的演播室，如新聞聯(lián)播、節(jié)目解說、訪談節(jié)目等。但是隨著目前電視節(jié)目錄制的內(nèi)容越來越豐富，這種固定攝像機(jī)的拍攝方式存在著較大的局限性，已經(jīng)不能滿足部分節(jié)目錄制的需求，所以這種拍攝需要制作人員根據(jù)節(jié)目類型來進(jìn)行合理的選擇。

圖像識別跟蹤技術(shù)同樣也是目前應(yīng)用范圍較為廣泛的一種運動跟蹤技術(shù)，其作用原理是由控制端控制攝像軌道，對其輸入相應(yīng)的傳輸信號和拍攝要求，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息和跟蹤技術(shù)進(jìn)行拍攝，然后實時向視頻切換臺或制作系統(tǒng)傳送拍攝畫面。這種跟蹤系統(tǒng)與機(jī)械傳感跟蹤系統(tǒng)相比，需要更高的控制技術(shù)、傳輸技術(shù)，同時對于藍(lán)箱的要求也非常的高，需要將各種信息數(shù)據(jù)直接作用在藍(lán)箱的背景上，為了保證呈現(xiàn)的效果，必須嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)信息的及時性和準(zhǔn)確性。同時利用龐大的計算機(jī)技術(shù)，計算出每個畫面在運動過程中所產(chǎn)生的參數(shù)，將其傳送到控制臺或者制作系統(tǒng)上，就可以準(zhǔn)確地確定攝像機(jī)應(yīng)該拍攝的具體位置和角度，使攝影師對攝像軌道、角度、方位做出正確的判斷，從而獲取到準(zhǔn)確的拍攝畫面[1]。

本臺根據(jù)實際使用情況，對比幾種定位方式的優(yōu)缺點。最終采用了兩臺固定機(jī)位加一臺通過機(jī)械傳感定位的機(jī)器人搖臂的方案。這樣避免了主持人在節(jié)目錄制中運動范圍受限的缺點。

（二）色鍵技術(shù)

虛擬演播室中的場景不僅有虛擬的背景、前景、各種擺放物品，還需要將人完美的融合在其中，并且還需要保證畫面的真實性和利用各種技術(shù)完善虛擬物體之間的復(fù)雜關(guān)系，從而使虛擬演播室中各種虛擬物體之間可以形成自然的重合，這就需要色鍵技術(shù)對其進(jìn)行專業(yè)的處理。從虛擬演播室系統(tǒng)剛剛投入使用時色鍵技術(shù)就已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，可以使觀看者自主掌握視頻畫面明暗度和清晰度，目前虛擬演播室系統(tǒng)中所應(yīng)用的色鍵技術(shù)是一種被稱之為Z軸深度鍵的技術(shù)。作用原理主要是利用層次級深度鍵技術(shù)和像素級深度鍵技術(shù)，將虛擬畫面中的物體歸類到有限的深度層中和將虛擬影像中每一個畫面像素都給予相應(yīng)的Z軸深度值。這項技術(shù)必須保證畫面中人物位置不能一直變換，才能使畫面中虛擬物體、真實物體和人物在相互影響和遮擋的情況下，呈現(xiàn)出形象具體的畫面。

在色鍵器的選擇上，我臺使用了Ulitmatte500色鍵器。

①摳像調(diào)整：選擇Menu->Matte功能摳像功能下最關(guān)鍵的是“MatteDensity”（調(diào)整摳像的黑白鍵的密度）、“BlackGloss”（調(diào)整摳像黑白鍵的對比度，讓鍵信號的黑白對比強(qiáng)烈）、“CleanUpLevel”（可以用來清除摳像中網(wǎng)格線、和調(diào)整摳像細(xì)節(jié)，如：發(fā)絲、煙霧、半透明物體）、“CleanUpthreshold”（進(jìn)一步調(diào)節(jié)摳像細(xì)節(jié)，效果不如CleanUpLevel明顯），“glare”（調(diào)節(jié)人物陰影在地面的摳像細(xì)節(jié)）。摳像過程建議：選擇“fileclear”清除摳像參數(shù)，恢復(fù)參數(shù)默認(rèn)值。調(diào)整“cleanuplevel”，清除網(wǎng)格線在“VIEW功能區(qū)”選擇“matte”讓電視墻色鍵監(jiān)看輸出顯示黑白摳像狀態(tài)調(diào)整“mattedensity”設(shè)置基本摳像狀態(tài)，使得不透明的物體顯示黑色，被摳掉的區(qū)域顯示白色，也就是讓黑白顯示基本分明。對于摳像后由于物體反射演播室藍(lán)光等原因?qū)е卤静辉摫粨竿傅奈矬w稍微有些半透的時候，通過調(diào)節(jié)“blackgloss”，可以使黑白鍵信號對比更強(qiáng)烈，使得不該被摳透的物體不被摳透。②對于摳像后，物體顏色變色的處理當(dāng)虛擬演播室中如果主持人穿有粉色、紫色等色系的衣物，那么通常在經(jīng)過摳像處理后，服裝顏色有很大變化，粉紅、紫色會偏紅色，遇到這樣的情況需要還原圖像中被摳掉的藍(lán)色成分。如何處理：“Menu功能區(qū)”中選擇“FG”—“flare”—“gate2”，調(diào)節(jié)“gate2”的值到100%即可解決。③對于來自攝像機(jī)的前景圖像信號中人物、物體右側(cè)的黑邊處理如何處理：“Menu”菜單中選擇“matte”—“mattesize”—“positionhorizontal”，調(diào)整“positionhorizontal”的值，并在監(jiān)視器上監(jiān)看調(diào)整的效果。④如何自動摳像“Menu功能區(qū)”中選擇“matte”—“screencolor”—“autoscreenselect”來完成自動摳像。自動摳像后應(yīng)該做細(xì)微調(diào)整。⑤如何手動對某個點進(jìn)行采樣摳像：“Menu功能區(qū)”中選擇“matte”—“screencolor”—點選“cursorenable”（使cursorenable狀態(tài)為綠色，觸發(fā)光標(biāo)許可），調(diào)節(jié)“cursorposition”和“cursorposition”選擇監(jiān)視器中摳像采樣區(qū)域，并選擇“usescrncolor”。

（三）計算機(jī)圖像技術(shù)

計算機(jī)圖像技術(shù)是虛擬演播室系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，演播室中所有虛擬場景都是由計算機(jī)圖像技術(shù)制成的。這項技術(shù)可以將人們現(xiàn)實生活中不可能見到的場景呈現(xiàn)出來，并且對于一些很難實現(xiàn)的場景或道具可以通過計算機(jī)圖像技術(shù)呈現(xiàn)在虛擬演播室中，不僅減輕了節(jié)目錄制的難度，從一定程度上還節(jié)省了節(jié)目錄制的成本投入。另外，通過計算機(jī)圖像技術(shù)的應(yīng)用，使虛擬演播室呈現(xiàn)的畫面提升了節(jié)目錄制的效果，極大程度上推動了電視行業(yè)的發(fā)展，同時電視行業(yè)的發(fā)展也使計算機(jī)圖像技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[4]。

我臺在虛擬場景制作和渲染上選擇了北京艾迪普公司的iArtist軟件。艾迪普iArtist是新一代實時三維圖形圖像引擎技術(shù)，由實時三維圖形圖像渲染、跟蹤、識別、處理引擎共同構(gòu)成。其高效的算法保證了更大的處理能力和運算效率，可實時渲染高質(zhì)量及大量的圖形圖像，使創(chuàng)作者在使用基于該引擎技術(shù)所開發(fā)的軟件工具時，能夠?qū)崟r進(jìn)行渲染，這種細(xì)膩而帶高質(zhì)感的渲染能力，使畫面內(nèi)每個場景及物件細(xì)節(jié)都如在現(xiàn)場真實顯現(xiàn)，效果更加自然。其操作界面如圖所示。

IStudio基于IDPRE圖形圖像渲染引擎技術(shù)平臺，為演播室節(jié)目提供了一個簡單且功能強(qiáng)大的播出控制系統(tǒng)。IStudio與現(xiàn)有新聞網(wǎng)聯(lián)動，快速生成播出串聯(lián)單，并實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)圖形圖像可視化功能。它不僅講模板、文件、數(shù)據(jù)和文本所有網(wǎng)絡(luò)化的圖文要素完美結(jié)合，而且將眾多種類的設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，大大節(jié)省了演播室人員的勞動強(qiáng)度。同時IStudio可完成其他設(shè)備的聯(lián)動功能，與艾迪普其他產(chǎn)品相結(jié)合，可實現(xiàn)實時三維在線包裝，點評觸控，大屏播控等多種播出方式。

二、燈光系統(tǒng)的設(shè)計

燈光的設(shè)計上，充分考慮了虛擬演播室的特點。避免陰影和高亮區(qū)域?qū)赶裥Ч挠绊?，采用了三基色柔光平面燈。面光高度盡量低平，均勻柔和，消除亮邊綠邊對摳像效果帶來的影響。照度上不宜太高，一般可控制在 500～6001x。主持人在這種基本光照明下運動，不會產(chǎn)生太大的陰影。虛擬演播室燈光測光一定要消除主持人衣服輪廓上的綠色邊沿光，避免對摳像產(chǎn)生影響。同時，逆光不宜太強(qiáng)，太強(qiáng)的逆光會在地面產(chǎn)生亮斑，進(jìn)而對摳像產(chǎn)生影響。

三、結(jié)語

綜上所述，虛擬演播室系統(tǒng)利用了很多現(xiàn)代化技術(shù)呈現(xiàn)出多種多樣的電視節(jié)目，并且隨著時代進(jìn)步、科技發(fā)展，虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)也在不斷進(jìn)行改變，使虛擬畫質(zhì)水平得到顯著提高，并且具有強(qiáng)烈的真實感和科技感。虛擬演播室的運用還降低了電視節(jié)目的制作成本，同時也是電視行業(yè)重要的發(fā)展方向。