虚拟演播室的构建及应用

谈 钧

（武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

虚拟演播室的构建及应用

谈 钧

（武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

介绍了虚拟演播室的工作原理，根据工作原理构建了一套独特的多功能虚拟演播室，探索了“单通道三机位”虚拟演播室系统在实际中的运用与发展。

虚拟演播室；系统构建；虚拟场景

虚拟演播室（Virtual Studio）技术是在色键系统的基础上发展起来的，就是用计算机图形技术搭建的虚拟场景替代真实布景，工作中将实景信号和虚拟三维场景通过色键处理，进行完美融合的一种新型电视节目制作技术。随着网络的推广普及，网络视频教学，在线学习等新的学习手段开始丰富人们的业余学习生活。通过虚拟技术可以创建具有真实感三维空间，提高演播室的使用频率，缩短课件制作期周期，丰富教学资源，完善学习环境，达到提高教学效果的目的。本文根据其工作原理构建了独特的多功能虚拟演播室。

1 虚拟演播室的工作原理

虚拟演播室的工作原理如图1所示：摄像机采集蓝室里面的前景信号，包括前景的人物，景物，送入色键控制器，进行抠像；抠像后的信号传输到虚拟服务器，与虚拟三维场景进行合成；虚拟服务器通过RS－232进行虚拟控制，将合成信号传输到色键控制器，传输到切换台进行虚拟或者实景的选择，最终输出的信号进入到非编和视频会议以及回监显示器。

图1 演播室工作原理

2 虚拟演播室的构建设计

虚拟演播室技术是由色键抠像技术、电脑三维技术、摄像机跟踪技术和灯光艺术相集合的产物［1］。虚拟演播室的系统可以根据不同的需求而采用不同的设计方案来构建。

2.1 整体架构的设计思路

虚拟演播室技术分为传统虚拟演播室和真三维高清演播室，两者的主要区别在于是否配置同步跟踪技术。同步跟踪技术是在每台摄像机上面装一个跟踪器，将采集的信号以及实时的坐标（空间X、Y、Z参数）传送到虚拟服务器，与虚拟的三维背景参数进行对应，当前景在变化时，虚拟背景的参数同时在变化，符合人的正常视觉效果。由于同步跟踪设备价格高昂，而传统虚拟演播室通过相应的设置也能达到相应的三维效果，本文就采用了后一种方法。通过对设备的合理利用和开发，构建了独特的多功能虚拟演播室。演播室主要由以下几个系统构成：前景信号采集系统、虚拟场景生成系统、视音频合成系统、视频会议在线学习系统。

2.2 系统信号流程

为了更大化利用原有的设备，扩充演播室的功能，在前景信号采集的设计中，利用原有的索尼HVR－Z1C进行实景信号采集，也就是一路标清的SDI信号，同时新引进两台索尼公司最新推出的HVR－Z7C高清摄像机，可以拾取两路高清摄像机的HDMI信号（或SDI信号），通过视频服务器还可以拾取一路电脑的外视频HDMI信号，也就是实现了单通道三机位四路信号同时输入，即一主两副三个机位，分别对应主讲席正面，侧面，观众席，加上外视频对课件的实时录制，在录制过程中间可以根据需求对不同的镜头进行切换。

前景信号流程如图2所示：两路摄像机的高清HDMI信号进入直接进入色键系统，与虚拟服务器输出的图形背景信号合成为虚拟演播室的最终信号。而外视HDMI信号直接进入虚拟服务器，在虚拟背景上直接进行切换，根据需求直接在虚拟服务器上直接输出。另外一路摄像机SDI信号则直接进入Data video SE－900特技台，SE－900根据需求利用不同的切换特技进行实景和虚拟的切换，加强现场的真实感。

图2 前景信号流程图

2.3 色键器的选择

色键技术是虚拟演播室系统中最为关键的一环，色键技术的优劣直接影响到最终的合成效果。美国高创公司推出的SMARTMATTE系列色键是专用于虚拟演播室系统抠像的专业设备，是业内独有的采用内置DSP芯片进行色键算法处理的全数字抠像合成设备，采用线性键的方式对红、绿、蓝三种颜色进行抠像合成，因此可以合成烟雾、透明物体，可以保留前景物体的更多细节而不出现边缘的锯齿。本虚拟演播室选用了SMARTMATTE HDMI色键器，保证了虚拟演播室的抠像质量。

2.4 虚拟场景的开发

高清三维虚拟服务器可以实时读取3Dmax、Maya等国际通用的建模软件构建好的场景模型，此外，在虚拟的场景中还可以自己的添加多个虚拟物体，并进行特效处理。虚拟物体可以是动态的，如运动的视频，飞行旋转的地球和LOGO以及运动的树叶、雨雪、礼花、云雾、游动的雨、飞舞的蝴蝶等虚拟特效；也可以是静态的，如各类图形图片以及模型材料等。在我院精品课程录制的过程中，就通过将我院风光作为背景，学院名称和课题直接设计到虚拟背景中，可以实现虚拟视频窗（如课件）与全屏幕视频画面的自由切换、视频窗的飞入、飞出等特技。在虚拟服务器中，可以根据需要制作各种形式的背景，制作不同类型的视频素材可以选用不同的背景，这样，加大了虚拟演播室的利用率，降低了制作成本。

2.5 视音频延时处理

在采集信号过程中，视频和音频是不同的通道进行采集，由于色键抠像和虚拟合成等工作都需要一定的处理时间，从而形成了声音信号与视频动作信号的不一致。为了解决视音频的不同步，通常增加延时设备，音频信号从YAMAHA MG124C调音台出来后通过DL60进行音频延时从而实现视音频信号的同步。由于本虚拟演播室没有采用同步跟踪技术，计算机不需要很长时间的计算，此系统设定160ms的延时就可以确保声画同步。

2.6 视频会议在线学习系统

该系统最终将合成信号设置了四路输出，其中，两路给回监，一路回监信号到演播室，方便摄影师查看实景人物在三维空间的位置，一路回监信号传回给特技控制台，方便三维场景的设定和监看，一路给非线性编辑系统进行采集和编辑，一路给视频会议系统，可以进行现场的网络发布。只要有互联网的地方，就可以通过互联网进行实时的学习和交流，实现网络课堂。视频会议系统的加入，将虚拟演播室的功能更加的具体化，可以用于大型的、正式的发布会。

3 虚拟演播室的应用

3.1 高职精品课程制作

目前各高校都在开发各类学科的视频教学节目，我院也专门打造精品课程建设专栏，让优秀的教师走入虚拟演播室，将授课主讲教师的授课内容与多媒体课件与根据教学需求进行合成，实现最佳的教学效果。同时，虚拟演播室进行精品课程的录制对教师的教学也有很大的促进，对教师多元化教学提出了更高的要求。通过精品课程的录制，教师能发现自身教学中存在的不足，加以改进。

3.2 在线大工种培训课程制作

武钢内网的e－Learning平台里面的资源主要以管理课程为主，而生产在第一线的技术工种没有充足的学习资源，不能满足绝大部分员工学习的需求。而利用虚拟演播室可以开发完全符合现场生产要求的高质量、高水平的在线学习课程，能够完善数字化学习资源，满足同步或异步学习的需要。

3.3 远程教育

针对合作办学，包括电大、成教、自考、研究生学习，开发更多合理的学习资源，开展更多途径的教学方式，都是势在必行的趋势。虚拟演播室技术可以很好的运用在远程教学中，通过视频会议系统，可以将处于不同空间的人组织起来一起交谈和演示，也可以制作各种类型的专家访谈活动，对某一问题进行实时的沟通与交流。授课教师可以通过虚拟演播室，把很多空间的概念加以实体化，以动态或者静态的方式展示在学生面前，并支持学生的在线答疑，能够弥补时间和空间的缺陷。在网络远程授课和教学的同时还可以进行全程的课程录制，作为教学资料和后期教学研究手段。

3.4 校园文化建设

虚拟演播室可以制作各种类型的校园文化节目，如新闻发布，节目访谈，文娱节目，求职视频，个人展示等，丰富校园文化生活，更大的促进校园文化建设，也是对学院的一种宣传手段。

3.5 教学实训基地

虚拟演播室可以作为动漫专业学习的实践基地，可以让学生构建不同的虚拟背景和虚拟事物，并与现实场景一起进行加工合成，实现虚实结合，更大的促进学生的专业技术水平的发展。

虚拟演播技术作为一种新兴的高质量、高效率的技术，有很大的开发和利用的空间。总之，没有做不到的，只有想不到的，好的创意可以立即实现到场景中。但是很重要的一点，从设计到开发，需要一支高素质的队伍才能将虚拟演播室的优势充分挖掘出来，发挥其最大的功能。

［1］ 陈健森.浅谈虚拟演播室技术及构建实例［J］.广播与电视技术，2011，（7）：106－109.

Construction and Application of Virtual Studio

TAN Jun

The working principle and basic construction of the Virtual Studio are introduced，and the"single channel of three seats"virtual studio system in practical application and development are explored.

Virtual studio；System construction

TP391.9

A

1671－3524（2012）02－0033－03

（责任编辑：李文英）

2012－05－09

2012－05－20

谈 钧（1983～），女，助教.E－mail：tj＠wgxy.net