郑州电视台高清虚拟演播室的设计与实现

郑州电视台 孙 众 汪 贝

郑州电视台高清虚拟演播室的设计与实现

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一、高清虚拟演播室系统设计简介

郑州电视台新大楼高清虚拟演播室使用的是新奥特高清虚拟系统，该系统利用先进的机械传感技术，采用“制作”、“播出”、“控制”分离的工作方式。新奥特高清虚拟系统具有开放式、插件式、网络化的整体架构，采用主控工作站和图形工作站分离的网络连接方式，利用虚拟场景设计器、虚拟演播室控制播出器和图形渲染器3种不同的工作环境，制作、播出和控制采用不同的界面操作，实现了制作和播出分离控制的效果。新奥特高清虚拟系统还具备强大的三维场景实时编辑功能，能及时修改场景中三维物体的位置、纹理、材质和空间，且无须返回3DMAX等三维建模软件。

二、传统色键技术的不足

高清虚拟演播室是在传统色键技术的基础上发展起来的。传统色键（Chroma-Key）技术是电视节目制作中常用的合成手段，它的原理就是将主持人或演员置身于蓝色背景前表演，然后利用色键合成器的色键功能将前景图像中的色度与作为背景的彩色幕布的色调差别作为形成键控电压的依据，并利用此电压“抠”去插入画面，然后再将前景图像填入画面，这样就可以将主持人从蓝色背景中分离出来，用其他的画面作为背景来填充蓝色部分，形成一幅天衣无缝的合成画面。这种系统现在在电视节目制作中应用得非常普遍，但是它有1个不足之处在于：前景在运动时，背景却不能作出与前景运动相应的动作。也就是说，传统的色键扣像不能保持背景和前景之间的空间位置关系，使得前景没有“溶入”到背景中，从而限制了传统色键扣像的应用范围。

三、高清虚拟演播室系统的优点及核心技术

1.高清虚拟演播室系统的优点。高清虚拟演播室基于传统的色键抠像合成系统，却突破了传统色键抠像系统的限制，消除了摄像机拍摄的前景画面不能与场景画面同步运动的致命弱点，使演员能够真实地嵌入到虚拟三维场景中，并能与其中的虚拟对象实时交互。

2.高清虚拟演播室系统的核心技术。高清虚拟场景生成系统。高清虚拟演播室的场景是由专业软件创作的二维或三维图形CG（Computer Graphics）来完成，即虚拟场景。高清虚拟演播室的场景是由高性能的图形工作站绘制的图形，其绘制的图形有二维和三维之分，因而虚拟场景也有二维和三维之分。二维场景没有厚度，只是1个平面图形，而三维虚拟场景中的景物具有“Z”方向的厚度，是立体的。在三维的场景中，虚拟景物既能作为真实的人物前景出现，也能作为背景出现，这样在视觉效果上更加具有纵深感和真实性。

3.摄像机跟踪系统。摄像机在拍摄过程中有水平角（PAN）、俯仰角（TITLE）、镜头变焦（Z00M）和聚焦（FOCUS）等参数。这些参数的改变会引起所摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，高性能的图形工作站必须根据这些参数来不断调整三维视图。而摄像机跟踪系统的作用正是获取摄像机的位置信息和运动数据，实时地跟踪真实摄像机，保证摄像机前景画面与高性能的图形工作站场景画面的“联动”。机械跟踪方式克服了图形识别方式的缺点，测量摄像机的参数更精确，旋转角度可以精确到0.001°，移动距离可以达到1 mm的精确度，数据处理时间短且无延时。

4.高清视频合成技术。高清虚拟演播室系统视频合成的基本技术是色键抠像。摄像机拍摄蓝箱前的真实景物通过色键器进行抠像处理，与高性能的图形工作站生成的虚拟场景合成为为1个画面。高清视频合成主要有以下2种技术：

（1）深度合成技术。深度合成技术是指虚拟物体与实际演员的前后遮挡关系，这种技术需要考虑2路键信号的深度信息，就可以让背景内容在演员前面显示。高清虚拟演播室的基础就是在前景和背景合成的时候，前景的演员可以被背景的内容覆盖。为了丰富画面的拍摄效果，还需要考虑虚拟物体的遮挡效果，一般都采用深度合成技术来完成。

（2）同步技术。同步技术是指高性能的图形工作站根据传感系统的参数变化实时地提供相应的虚拟场景，并与摄像机前景信号完成精确地同步合成。要使摄像机的前景画面和虚拟场景天衣无缝的合成，需要让虚拟演播室系统中所有的设备接受外同步锁定，这样才能保证顺利地实时合成。

四、郑州电视台高清虚拟演播室的应用实例

郑州电视台高清虚拟演播室可以录制标清和高清节目。而且可以做出现实中无法搭建的背景效果。不同的栏目可以共用1个演播室，因此大大提高了演播室的利用率。

例如，郑州台《笑啥咧笑》、《戏曲擂台》等节目的背景就是三维动画。Mariana.VS系统采用成熟的传感跟踪系统，准确地跟踪摄像机各个姿态的变化，使在实景演播室画面中任意区域植入的三维虚拟模型、三维图元、三维视频都可以准确的跟随摄像机进行平摇、俯仰、变焦摇臂运动，高光反射等细腻真实地效果和渲染，使主持人和背景更加清晰。

随着计算机技术和高清视频技术的不断发展和日趋成熟，高清虚拟演播室技术将越来越多地被视频制作机构所使用。工作人员可以根据自己不同的实际情况和栏目需求，合理地使用高清虚拟演播室系统，制作出既经济又能满足观众观赏性的节目。