廣播電視工程中的虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】為提高節(jié)目制作的靈活性與視覺(jué)效果，本文首先概述了虛擬演播室技術(shù)及系統(tǒng)；其次，對(duì)虛擬演播室系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)指明方向；再次詳細(xì)介紹了虛擬演播室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、主要功能設(shè)計(jì)；最后，在此基礎(chǔ)上探討了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，涵蓋綠箱、燈光實(shí)施及設(shè)備集成，同時(shí)介紹了色鍵器、綠箱、渲染平臺(tái)、多種跟蹤模式以及模型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，以期為虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供有益指導(dǎo)與借鑒。

【關(guān)鍵詞】廣播電視；虛擬演播室；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " "DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.014

近年來(lái)，廣播電視技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，虛擬演播室系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外眾多制作機(jī)構(gòu)與電視臺(tái)。其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于可以創(chuàng)設(shè)出逼真的虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的完美融合。一方面革新了傳統(tǒng)演播室制作方式，降低了制作成本，為廣播電視行業(yè)帶來(lái)了新的思路與發(fā)展機(jī)遇；另一方面顯著提高了節(jié)目制作的效率與質(zhì)量，豐富了電視節(jié)目的表現(xiàn)力與視覺(jué)效果。本文以某廣播電臺(tái)為例，深入探討了虛擬演播室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，旨在提升節(jié)目制作水平和觀眾體驗(yàn)，并促進(jìn)廣播電視技術(shù)的進(jìn)步。

1. 虛擬演播室技術(shù)及系統(tǒng)概述

虛擬演播室技術(shù)，作為數(shù)字化時(shí)代的創(chuàng)新成果，致力于將真實(shí)人物與計(jì)算機(jī)打造的三維虛擬場(chǎng)景巧妙融合，營(yíng)造視覺(jué)上的和諧統(tǒng)一。攝像機(jī)捕捉的真實(shí)影像，經(jīng)過(guò)延時(shí)器調(diào)整時(shí)序，與跟蹤系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)一并傳輸至計(jì)算機(jī)圖形工作站。工作站依據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整虛擬背景，確保與前景人物動(dòng)作、視角的完美同步。隨后，在色鍵合成器的助力下，前景信號(hào)與經(jīng)過(guò)處理的背景信號(hào)融合，通過(guò)摳除前景中的綠色背景并替換為虛擬場(chǎng)景，最終呈現(xiàn)出令人震撼的合成圖像[1]。其工作原理如圖1所示。

虛擬演播室系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了虛擬與真實(shí)的無(wú)縫對(duì)接，更極大拓展了電視節(jié)目制作的創(chuàng)意空間。它集虛擬場(chǎng)景生成、錄制、調(diào)音及切換等多功能于一身，憑借內(nèi)外置色鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像合成的高效精準(zhǔn)。系統(tǒng)發(fā)展至今，已涵蓋云虛擬、超高清及三維虛擬等多種形態(tài)，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景需求。無(wú)論是商業(yè)廣告、體育賽事直播還是新聞報(bào)道，虛擬演播室系統(tǒng)都能顯著提升制作效率與質(zhì)量，為觀眾帶來(lái)更加震撼、逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。

2. 系統(tǒng)需求分析

為確保高效、高質(zhì)量的節(jié)目制作，虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足多方面的需求。系統(tǒng)需求分析首先關(guān)注虛擬演播室的核心組件，攝像機(jī)作為捕捉真實(shí)影像的關(guān)鍵，其性能將直接影響后續(xù)的處理效果；跟蹤系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)人物與虛擬場(chǎng)景的精準(zhǔn)對(duì)位，是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫融合的基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)圖形工作站承擔(dān)虛擬場(chǎng)景的生成與處理任務(wù)，其處理能力直接決定了場(chǎng)景的逼真度與復(fù)雜度；延時(shí)器用于同步真實(shí)與虛擬信號(hào)，使兩者在時(shí)間上保持一致；色鍵合成器的摳像精度與合成效果直接影響最終畫(huà)面的質(zhì)量。

在功能方面，虛擬演播室系統(tǒng)需具備交互、音特效處理、虛擬角色操作、攝像機(jī)控制以及場(chǎng)景構(gòu)建等功能。場(chǎng)景構(gòu)建要求系統(tǒng)可提供直觀的場(chǎng)景編輯器，允許用戶(hù)自行完成虛擬場(chǎng)景的生成、貼圖、燈光設(shè)置及動(dòng)畫(huà)制作等。攝像機(jī)控制利用系統(tǒng)操控虛擬攝像機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)多角度的場(chǎng)景拍攝。另外，虛擬演播室系統(tǒng)也需要具備虛擬角色操作及豐富的音特效處理等功能，以滿(mǎn)足不同節(jié)目的交互需求。針對(duì)某廣播電臺(tái)的具體需求，本文設(shè)計(jì)的虛擬演播室系統(tǒng)主要服務(wù)于小型訪(fǎng)談節(jié)目與新聞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了虛擬演播室的實(shí)際應(yīng)用需求與空間布局，以實(shí)現(xiàn)空間的高效利用。同時(shí)，燈光配置也根據(jù)演播室的實(shí)際條件與具體拍攝需求進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的拍攝效果。

3. 虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)涵蓋虛擬環(huán)境、軟件及硬件三大部分，虛擬環(huán)境方面整合了虛擬人物、物體及場(chǎng)景，通過(guò)虛擬音效、燈光、攝像機(jī)及天氣等元素，來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境；軟件層面主要涵蓋控制、建模、渲染以及交互軟件，支持虛擬場(chǎng)景的生成、實(shí)時(shí)渲染及用戶(hù)交互；而硬件層面則以高性能計(jì)算機(jī)集群為核心，輔以投影儀、圖像與聲音處理器及專(zhuān)業(yè)攝像機(jī)等設(shè)備，保障虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)生成、渲染與播放[2]。另外，虛擬演播室系統(tǒng)又細(xì)分成音頻、視頻、專(zhuān)業(yè)燈光及監(jiān)看等子系統(tǒng)。其中，音頻子系統(tǒng)負(fù)責(zé)聲音采集、效果處理及播出；視頻子系統(tǒng)用于信號(hào)采集、處理與輸出，據(jù)此實(shí)現(xiàn)虛擬視頻節(jié)目的制作與直播；專(zhuān)業(yè)燈光子系統(tǒng)則通過(guò)精準(zhǔn)控光，優(yōu)化主持人及背景的光影效果；監(jiān)看子系統(tǒng)則確保節(jié)目制作效果的實(shí)時(shí)監(jiān)看。

3.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足電視節(jié)目的多樣制作需求，系統(tǒng)需涵蓋多方面功能。首先是場(chǎng)景構(gòu)建，系統(tǒng)應(yīng)提供直觀的場(chǎng)景編輯器，使得用戶(hù)能輕松完成虛擬場(chǎng)景的建模、動(dòng)畫(huà)制作、燈光設(shè)置及貼圖等；其次，攝像機(jī)控制功能應(yīng)便于用戶(hù)輕松操控虛擬攝像機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多角度的場(chǎng)景拍攝；虛擬角色操作功能可使用戶(hù)靈活控制虛擬角色的姿態(tài)、動(dòng)作及表情，有效增強(qiáng)場(chǎng)景表現(xiàn)力；音特效功能方面，系統(tǒng)需支持震動(dòng)、模糊、顏色調(diào)整等多種特效，并提供特效音效、背景音樂(lè)、環(huán)境音效等，以完善音視頻制作，豐富節(jié)目視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)效果；最后，交互功能作為實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)的關(guān)鍵，應(yīng)支持用戶(hù)使用觸控、手勢(shì)或語(yǔ)音等方式與虛擬場(chǎng)景中的物體完成互動(dòng)[3]。

4. 虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1.1 綠箱實(shí)施

結(jié)合某廣播電臺(tái)的需求，虛擬演播室主要服務(wù)于小型訪(fǎng)談與新聞節(jié)目，拍攝多為正面取景，主持人與鏡頭位置相對(duì)固定。為充分利用空間并滿(mǎn)足拍攝需求，綠箱尺寸設(shè)計(jì)成長(zhǎng)4.4米、寬3.2米、深2.5米。綠箱搭建選用C75輕鋼龍骨作為框架，同時(shí)結(jié)合三夾板、多層板與木工板等多層結(jié)構(gòu)，以提升隔音效果與穩(wěn)固性，而背面采用石膏板錯(cuò)縫拼接。墻面涂刷三遍專(zhuān)業(yè)影視ROSCO涂料，地面鋪設(shè)ROSCO地膠、加設(shè)保護(hù)墊，以確保綠箱表面光滑、平整，具有良好的耐磨性與反光性。

4.1.2 燈光實(shí)施

某廣播電臺(tái)虛擬演播室選用專(zhuān)業(yè)的燈光配置，涵蓋1臺(tái)DMX512調(diào)光臺(tái)、2臺(tái)LED螺紋聚光燈及10臺(tái)LED平板柔光燈，聚光燈與柔光燈被專(zhuān)門(mén)用于綠箱照明。考慮到虛擬演播室的頂部設(shè)施與實(shí)際條件，燈光系統(tǒng)使用吊掛安裝方式進(jìn)行布局。完成安裝后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，精細(xì)調(diào)整燈光角度，并在部分燈光上增設(shè)柔光紙，使得綠箱內(nèi)燈光照射色彩表現(xiàn)更柔和、均勻，這有助于提升虛擬制作系統(tǒng)的摳像效果，從而保證拍攝質(zhì)量[4]。此外，將燈光信號(hào)與調(diào)光臺(tái)進(jìn)行連接，能進(jìn)一步精確控制燈光光強(qiáng)，更好地滿(mǎn)足不同拍攝場(chǎng)景對(duì)燈光的需求。燈光實(shí)施一方面關(guān)乎拍攝效果，另一方面還影響著真實(shí)拍攝與虛擬場(chǎng)景的融合度。因此，在燈光實(shí)施過(guò)程中，需要充分考慮虛擬演播室的拍攝需求與實(shí)際條件，以確保達(dá)到最佳的燈光效果。

4.1.3 設(shè)備集成

設(shè)備集成主要整合了視頻子系統(tǒng)與音頻子系統(tǒng)。視頻子系統(tǒng)方面，虛擬演播室配置了3個(gè)機(jī)位的攝像機(jī)，可結(jié)合節(jié)目需求來(lái)靈活選擇使用數(shù)量。視頻矩陣作為信號(hào)調(diào)度核心，負(fù)責(zé)將工作站、攝像機(jī)等信號(hào)源調(diào)度至虛擬系統(tǒng)、高清視頻切換臺(tái)以及監(jiān)看顯示器，實(shí)現(xiàn)虛擬視頻制作與實(shí)時(shí)監(jiān)看。同時(shí)，推流編碼器與硬盤(pán)錄像機(jī)分別承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)直播與節(jié)目錄制任務(wù)，而工作站則負(fù)責(zé)視頻節(jié)目的后期制作[5]。視頻系統(tǒng)信號(hào)連接如圖2所示。

音頻子系統(tǒng)方面，音頻系統(tǒng)由音頻播出系統(tǒng)、擴(kuò)音系統(tǒng)、調(diào)音臺(tái)及音源等組成。有線(xiàn)話(huà)筒、無(wú)線(xiàn)話(huà)筒及其他多種音源均通過(guò)調(diào)音臺(tái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出調(diào)度，再經(jīng)過(guò)數(shù)字音頻處理器等設(shè)備完成信號(hào)處理與擴(kuò)音。模擬音分負(fù)責(zé)將音臺(tái)輸出信號(hào)分配給音頻矩陣或視頻切換臺(tái)，保證同步直播音源的一致性，且不受擴(kuò)音系統(tǒng)干擾。音頻系統(tǒng)信號(hào)連接如圖3所示。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 色鍵器

色鍵器作為實(shí)現(xiàn)前景視頻與超高清虛擬場(chǎng)景高效合成的關(guān)鍵設(shè)備，特別是4K/8K分辨率級(jí)別的產(chǎn)品，可支持高達(dá)7680×4320、3840×2160的清晰度，并兼容P100/P120、P50/P60等多種幀率，保障了視頻處理的兼容性與靈活性。其核心在于內(nèi)部的高品質(zhì)色鍵摳像模塊，它可精準(zhǔn)地分離前景與背景，完成復(fù)雜場(chǎng)景下的高質(zhì)量摳像。同時(shí)，色鍵器還搭載廣播級(jí)外置摳像設(shè)備，輔以專(zhuān)業(yè)廣播級(jí)摳像卡，大幅提升了摳像的精確度與效率，較好地滿(mǎn)足了廣播電視工程對(duì)畫(huà)面質(zhì)量的嚴(yán)苛要求。

4.2.2 綠箱

綠箱作為數(shù)字?jǐn)z影棚的核心組成部分，對(duì)于保障摳像畫(huà)面的質(zhì)量具有不可或缺的作用。在搭建綠箱時(shí)，可結(jié)合廣播電視單位的節(jié)目需求與實(shí)際場(chǎng)地條件，靈活選擇U形、L形或扇形等形式，最大限度利用空間，也可為主持人與攝影師提供充裕的活動(dòng)區(qū)域[6]。搭建綠箱過(guò)程中，需特別注意地面的清潔與整潔及轉(zhuǎn)角處的平滑過(guò)渡處理，這些因素直接關(guān)系到摳像效果的精準(zhǔn)度與整體畫(huà)面的質(zhì)量。一個(gè)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的綠箱，一方面可為廣播電視節(jié)目制作提供一個(gè)更為高效、專(zhuān)業(yè)、實(shí)用的拍攝環(huán)境，另一方面可顯著提升真實(shí)拍攝與虛擬場(chǎng)景的融合度。

4.2.3 煊染平臺(tái)

本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)渲染平臺(tái)，依托GPU與CPU的協(xié)同工作結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了圖像與視頻的處理能力，為超高清圖形的渲染提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。此渲染平臺(tái)不僅功能全面，還集成了場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬前景生成、修改以及圖文包裝制作等多項(xiàng)功能。借助真實(shí)的光跡追蹤技術(shù)與先進(jìn)的光照算法，以及流暢的空間搖移效果，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)的完美融合，從而大幅提升超高清電視節(jié)目的視覺(jué)沖擊力。

4.2.4 多種跟蹤模式

虛擬演播室通常采用網(wǎng)格、紅外移動(dòng)或機(jī)械傳感等跟蹤模式，且每種模式均具備其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與局限性。為充分發(fā)揮各種跟蹤模式的優(yōu)點(diǎn)，并更好地適應(yīng)廣播電視節(jié)目制作的多樣化需求，本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用多種跟蹤模式相結(jié)合的策略。有效整合無(wú)軌、光學(xué)及電動(dòng)等跟蹤技術(shù)，輔以小型至中型的紅外線(xiàn)追蹤器、智能3D追蹤搖臂與攝像機(jī)搖臂，實(shí)現(xiàn)了有軌機(jī)械傳感與無(wú)軌跟蹤的有機(jī)融合[7]。

4.2.5 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)是指借助C4D、3DMAX等專(zhuān)業(yè)三維建模軟件，來(lái)打造逼真的三維場(chǎng)景模型，用以精準(zhǔn)模擬真實(shí)世界的視覺(jué)效果。借助三維模型設(shè)計(jì)技術(shù)，一方面能夠輕松實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)及動(dòng)靜結(jié)合的圖形與視頻設(shè)計(jì)制作，另一方面還可創(chuàng)設(shè)出植物、動(dòng)物及風(fēng)景等多種虛擬特效，極大豐富了電視節(jié)目的視覺(jué)呈現(xiàn)。模型設(shè)計(jì)為相關(guān)從業(yè)人員提供了一款便捷且高效的制作工具，使得廣告、電視或電影等節(jié)目的制作過(guò)程更具創(chuàng)意，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特、新穎的視覺(jué)效果，進(jìn)而提升整個(gè)節(jié)目的視覺(jué)吸引力。

5. 結(jié)束語(yǔ)

伴隨技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與市場(chǎng)的日益成熟，本文設(shè)計(jì)的虛擬演播室系統(tǒng)有望在廣播電視行業(yè)乃至更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮更重要的作用。未來(lái)，將持續(xù)研究與探索更多新興技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能等，進(jìn)一步優(yōu)化與完善虛擬演播室系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更個(gè)性化、智能化的節(jié)目制作，進(jìn)而為觀眾帶來(lái)更精彩、豐富的視聽(tīng)體驗(yàn)。

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