谈谈虚拟演播技术在电视制作中的应用

施维思

（泰州市广播电视台，江苏泰州 225300）

谈谈虚拟演播技术在电视制作中的应用

施维思

（泰州市广播电视台，江苏泰州 225300）

文章主要介绍了虚拟演播技术的产生和发展，并结合泰州电视台的实际情况展示了该技术的一些应用情况，对虚拟演播技术中的跟踪、色键、场景制作以及演播室蓝箱、灯光的注意事项均有较详细的阐述。

虚拟演播技术；跟踪技术；色键；蓝箱

电视作为信息的创造、加工和传输的主要工具，近十年来发展迅猛，各电视台都试图占领本地区的电视传媒市场。由于有线数字电视的高速发展，一般大、中城市观众通过有线数字电视网都能接收到上百套电视节目。在增加频道、增设栏目和扩大覆盖面等手段来提高收视率的同时，提高电视节目质量、降低电视节目制作成本成为各电视台竞争的有力手段。为电视节目制作提供无限想象和表现空间的虚拟演播技术，便应运而生。

1 虚拟演播技术的产生

虚拟演播技术是近年发展起来的一种新兴电视制作技术,是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的产物。它将摄像机拍摄的图像与计算机制作的虚拟场景完美地结合起来,创造出令人异想天开的虚拟世界。

谈到虚拟演播技术，首先要说说色键。色键功能是一种传统电视特技效果，其基本原理是：键控信号取自彩色电视信号的色度或亮度信号，用来控制一个高速电子开关进行画面取舍的选择。简单的说，我们用摄像机拍摄演播室内的主持人或其它物体，其背后用单色幕布（蓝色或绿色）做为背景，色键系统分析画面后，可将单色画面去除，这样我们可以随意更换其它视频画面置于主持人身后，在电视制作中，我们形象地称之为抠像[1]。

传统的电视演播室制作，或采用实物布景，或采用特技台色键进行抠像来叠加背景。前者为求一个美观多样的演播室布景，制作人员必须精心设计和搭建表演场景，需要耗费大量的人力、财力用在道具的购买、场景的布置和维护上，资源利用率较低。后者画面虚假不自然，前景摄像机调整时，背景图像无法进行同步变化。虚拟演播技术的发展和运用较好地解决了上述问题，虚拟系统能够跟踪摄像机参数的改变，使前景和背景图像具有相同的成像参数和三维透视关系，保证了合成画面的真实感。这一技术的应用，使得电视工作者摆脱了时间、空间及道具制作方面的限制，极大地提高了电视台的节目创作及制作能力。并且由于虚拟场景的制作、修改、保存都是在计算机中进行，省去了真实场景的搭建、拆卸、储藏等环节，降低了节目制作的费用，提高了演播室的效率。

2 虚拟演播技术的基本原理和系统构成

在虚拟演播室中，把摄像机拍摄到的人物、景物称为前景图像，而把通过计算机动画软件制作的二维或三维动画图形，称为虚拟背景或虚拟场景。虽然虚拟演播室前景、背景图像也是靠色键技术合成的，但二者之间却有“同步联动”关系，即将拍摄前景的摄像机进行摇移、俯仰、变焦、聚焦动作时，可以通过获取摄像机的各种运动参数(摇移、俯仰、变焦、聚焦、摄像机空间位置等)，去控制背景图像生成装置，使之生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像，最后通过色键将前景、背景图像合成输出。

虚拟演播技术系统主要由摄像机跟踪系统、虚拟背景生成系统及视频合成系统组成。

3 目前的发展状况

虚拟演播技术真正得以广泛的应用是与计算机技术的发展密切相关的，早期的虚拟演播系统都是基于专业图形工作站（SGI）的，价格比较昂贵。上世纪90年代末期，随着计算机硬件的飞速发展，基于PC系统的虚拟演播系统应运而生，国内的视频厂商相继开发了各自品牌的虚拟演播系统。最早的虚拟演播系统其实称为二维的虚拟场景系统更为合适，其本质与传统抠像极为接近，只是系统中可以集成一些除抠像以外的其他功能，如遮罩，虚拟电视墙等，一定程度上使出像效果更为逼真，但不具备最最关键的跟踪技术，泰州电视台早期使用的TRINITY系统便属此列。随着用户要求的提高和厂商研发技术的增强，出现了真正的三维虚拟演播系统，从合成处理的方式上这种虚拟演播系统还可细分为二维半和三维两种，所谓二维半系统是指虚拟场景在3D建模软件中提前渲染为图片，合成场景时虚拟主机根据摄像机的运动状态对图片进行处理，使其基本能与前景吻合，对于这种系统来说，由于处理的是平面的图片，故不能实现摄像机机位移动或多机位的拍摄，只能是正面的角度，不然会穿帮。而三维系统则是指在3D软件中创建场景模型，整个3D建模文件直接调入虚拟演播系统，由主机在场景合成时实时渲染，这种方式从技术角度上讲更为先进，人物与场景的融合更为自然，能实现多机位多角度的拍摄，但也要求更高的硬件处理能力。值得一提的是，目前的三维虚拟演播系统基本都包括了二维半功能，以我台目前使用的大洋MAGICSET为例，在系统控制面板中有二维半的选项，一旦启用，系统将关闭所有三维实时渲染元素，只打开平面贴图功能，这样调用背景时打开的就是事先准备好的图片，此时只能使用正面的主摄像机视角，对于一些流程短、效率要求高的新闻、专题类节目而言，这是比较简便的一种制作方法。

虚拟演播系统的核心是摄像机跟踪技术，这是考评虚拟演播室技术的重要指标之一。跟踪不好会导致前景和背景之间的变化脱节，严重影响节目效果。跟踪技术采用较多的方式主要是机械传感和网格识别。机械传感是在摄像机三脚架及机身镜头附近安装相应的传感器来采集参数，摄像人员操作机器时，机械传感部件能实时的将摄像机各项参数变化情况传输给虚拟系统主机进行处理。而图形识别方式是指在背景蓝箱上加入的特定大小和形状的网格，虚拟系统对摄像机画面进行分析，通过对网格各自不同的特征的识别得到摄像机运动参数。除了上述两种主流的跟踪技术以外，早期还有红外线跟踪技术和超声波技术等跟踪方式，但由于成本及技术方面的原因，都未能得以普及。

三维虚拟演播系统由于涉及到实时渲染合成等方面，对整个系统配置的要求是非常高的。早期我们在使用中也遇到过很多问题，场景设计很华丽，但系统无法运算，近年来随着PC硬件配置的提高，这一现象有了极大的改观。

4 虚拟演播技术的开发与应用

4.1 虚拟蓝箱与演播室灯光

虚拟演播室中演播区域称为“蓝箱”，其内要求遍布均匀的标准抠像色，一般为标准的蓝或绿色，蓝箱所使用的专用视频漆(Video Paint)，饱和度高，色度纯，对灯光的反射比较均匀，不易产生光斑，时间长也不易褪色，特别是在对破损位置补漆时不会留下明显痕迹，有利于提高整体的色键效果。墙面与墙面之间、墙面与地面之间夹角应在120度左右，而且要留有弧度，这样设置的主要目的是让灯光在各个面上特别是在夹角处的照射比较均匀，不会出现明显的阴影，从声学的角度看，这些夹角弧度有利于减少驻波，确保主持人声音无峰谷变化。

虚拟演播室对灯光的要求是整体均匀、光线柔和。冷光源阴影小、发热低、强度均匀，因此相比热光源更利于虚拟演播室的照明。虚拟演播室为了强调真实性，往往主持人都有一定的活动自由度，因此在灯光设置上不适宜采用传统的三点布光。泰州电视台采用的是环形区域布光法：主持人的主要光源都由两组冷光源提供，面光位置不宜过高，避免产生阴影。设置少量聚光灯作为主持人的侧光及轮廓光，以增强空间立体感，同时有利于主持人身体边缘的色键处理。虚拟演播系统要求背景尽量色彩亮度均匀以便于抠像，因此还要设置若干冷光源用于背景蓝箱的照明[2]。

4.2 系统搭建及调整

我台的MAGICSET三维虚拟演播系统使用的是双固定机位，主机位是标准出像的视角，辅机位则采用45度远景，用于主镜头的一些补充。采用固定机位主要是基于系统实时渲染能力和节约成本的考虑，此外从现有栏目的规模来看双固定机位已足以满足节目制作的需要，从测试效果来看，主、辅固定机位的交互使用已能产生不错的三维透视效果。确定好机位后，必须进行校准。我们取蓝箱前左下角为三维空间坐标原点,在蓝箱正对摄像机的墙面中央设一系统校准点。这样相对坐标原点，我们确定了主机位、辅机位和校准点的坐标。然后进行镜头参数校准，该步骤是为了解决摄像机镜头的数据跟踪问题。通过把变焦步骤分为若干个小段，将每段的数据偏移量与事先定好的校准点进行比较，得出镜头的聚焦系数和变焦曲线，这样当镜头变化时，系统能准确的接受各项参数，从而使得三维背景能与前景很好的融合，变焦曲线的弧度应尽量变化平缓，这样在做镜头推拉时，前、背景跟踪不易发生抖动[1]。

4.3 虚拟场景的制作

MAGICSET的场景制作是比较复杂的，由于大洋没有购买3DMAX底层来做开发，3DMAX中完成的场景模型调入系统软件后，只有建模可以使用，贴图和灯光效果都不能正常显示，需要回到3DMAX中进行修改。另外，出于系统实时渲染速度的考虑，场景中的物体不宜过多、过复杂。在使用3DMAX制作时，尽量把功夫花在材质贴图而不是建模上，材质做的真实，场景的可信度也会提高，而且材质不会像建模那样消耗大量的系统资源。三维场景毕竟是虚假的，在设计时应该有意识的让其尽量逼真，利用MAGICSET系统强大的视频替换功能可以在节目制作的过程中随时将场景中电视墙切到录像机（硬盘）中的视频画面上，让节目更为生动形象。在场景制作中也可根据实际情况灵活加入一些前景掩膜物体（柱子、窗子等），MAGICSET系统可对其多路实时切换，给人以主持人穿行其中的感觉，增强场景的真实性。适当的实景存在，与虚拟场景巧妙搭配，也可达到单纯实景无法实现的效果，比如雨天临窗而坐的访谈类节目，虚拟场景中的窗外可以是城市雨景。

4.4 制作中的一些注意事项

在节目制作中，两个机位摄像机的推拉摇移要尽量平缓，对于这套系统的延时问题，大洋给出的资料中标明是2-3帧，我们实际使用中发现还是能比较明显的感觉到视音频的延时，因此又安装了音频延时器来解决这一问题。另外，这套系统选用的色键器是内置的Ultimatte色键卡，抠像的效果还是很不错的，但这种色键卡会消除前景图像中的蓝色成份，如果穿紫色或粉色服装就会变成红色，有时白色的衣服也会略微发黄，必须在系统软件的色键面板中予以修正。

5 虚拟演播技术的扩展和未来

相比传统的制作手段，虚拟演播技术在有些方面的优势是相当明显的，比如奥运会、世界杯等大型赛事期间，央视的直播往往就采用虚拟演播技术，省却了搭建实物背景的繁琐过程。虚拟演播技术最初只是用于演播室节目的制作，但现在它的应用范围有了很大的扩展，特别是在体育节目的报道及广告方面，出现了以虚拟演播技术为基础的一些新技术，如虚拟回放系统、数字重放系统及虚拟广告系统等，利用这些技术制作的节目可得到非常好的效果：（1）虚拟回放系统主要应用于球类比赛的转播及评论节目。系统需要预先存储体育场的三维模型，碰到需要分析的画面时，系统将其冻结并转为一幅动画形式的三维场景，即球场、队员及球等都变成了相应的三维图形画像，此时虚拟摄像机可以围绕这一场景360度旋转拍摄，观众可从任意角度观看这一瞬间的比赛情况。对于比赛中出现的一些有争议或是难以判断的情况，这一转播手段是极为有效的。（2）数字重放系统能迅速重放各种精彩场面，重放时通过先进的视频跟踪技术，可突出显示并自动追踪关键运动员或球，显示他们的运动轨迹或路线，测量并显示运动员和球的速度以及两物体之间的距离。对于观众来说，数字重放系统可使他们更清楚地了解比赛中的每一个细节，从而能更好地欣赏比赛，对于体育评论员和球队教练来说，数字重放系统是一个理想的分析工具。（3）虚拟广告系统可在体育节目或文艺节目的直播期间，将演播室制作的虚拟广告牌插入到赛场或表演场的空地上，也可替换掉场地上原有的广告牌，合成后可达到以假乱真的效果。

虚拟演播技术与数字视频技术、计算机技术息息相关，随着这些周边技术的发展，虚拟演播技术也在不断地发展和完善，很多以前难以想象的效果现在也一一实现了，相信它必将带给我们更大的惊喜。

[1]莫士科维茨.虚拟演播室技术[M].夏力,译.北京:清华大学出版社,2005.

[2]徐威,李宏虹.电视演播室[M].北京:中国广播电视出版社, 2006.

VirtualStudio Technology Application in TV Production

SHIWei-si
(TaizhouTelevisionStation,TaizhouJiangsu225300,China)

This paper introduces the emergence and developmentof Virtual Studio Technology,specially on the features of tracking technology,color key,scene,and themattersneeding attention of studio blue box,Lighting.

Virtual Studio technology;tracking technology;colorkey;studio bluebox

TN948 文献标设码：A

1671-0142（2011）06-0092-04

施维思（1978-）,男,江苏扬州人,工程师.

（责任编辑 刘 红/杨荔晴）