虚拟演播室技术特点及应用

郑翔

摘 要 虚拟演播室是一种全新的电视节目制作工具，本文对虚拟演播室技术的工作原理、关键技术和典型应用做了较为详尽的阐述。虚拟演播室技术的关键在于用摄像机的位置和镜头等变化来控制计算机中的“虚拟摄像机”，使它的位置和镜头变化与“实际”同步，将他们进行色键效果处理之后，得到的画面会更加真实自然。因此，虚拟演播室技术广泛应用在广播电视领域，本文着重介绍了在广播电视领域的典型应用。

关键词 虚拟演播室 技术特点 应用

引言

虚拟演播室（Virtual Studio，VS）是计算机技术在电视节目制作领域的最新应用之一，是一种基于虚拟现实的电视节目制作技术，它具有制景费用低廉、更换布景方便，便于发挥主创人员创意，实现其他技术难以完成的特技的优势，因此它的出现，不但成功地展示了所有能想象到的一切，而且电视给人们带来了焕然一新的视觉效果。

为了产生出逼真视觉的场景效果，用计算机场景工作站生成的三维图像代替简单的二维图像作为演播室的“虚拟”背景，并跟踪摄像机运动实时调整和“移动”该背景，使之与拍摄的主持人图像（前景）同步变换，实现三维场景的移动变换与真实摄像机相一致的模拟效果，这就是三维图形学、人工智能、模式识别与计算机图形图像处理相结合的虚拟演播室技术。它一般由一套计算机系统、电视摄像机（装有摄像机跟踪器）、三维场景跟踪器、色键器以及视音频切换等构成，其实质是将计算机产生的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的演员（或节目主持人）表演的活动图像图像进行数字化实时合成，使演员（或节目主持人）的表演（前景）与虚拟场景（背景）达到同步的变化，从而实现前景与背景的完美结合。

1 虚拟演播室工作原理

不同虚拟演播室对软件的要求不尽相同，但其核心部分却大同小异。虚拟演播室主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站、色键合成器4个部分组成。摄像机主要用于摄取蓝色幕布前真实的人或物。摄像机跟踪系统主要用于获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。计算机图形工作站主要用于生成实施虚拟场景。色键合成器主要用于于将摄像机前景和计算机虚拟场景合成为一个图像。

虚拟演播室的工作原理如图1所示，把摄像机拍摄到的一蓝色幕布为背景的画面作为前景，用一台超级实时图形计算机中的三位动画软件生成的三维动作图形作为虚拟场景，通过跟踪器系统把采集到的摄像机的运动参数实时传送给计算机图形工作站，计算机图形工作站经大量运算后，产生于实际摄像机拍摄的实景画面匹配的虚拟场景。再通过深度键和色键将前景与虚拟场景合成为一个图像输出，达到以假换真的效果。

2 虚拟演播室关键技术

2.1 摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取计算机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、演员或节目主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。目前，摄像机跟踪技术主要有图形识别、机械传感、红外线传感和超声波传感4种方式，每种方式都各有优劣，分别适用于不同的应用环境，4种方式的原理和比较如下图所示。

在虚拟演播室节目制作过程中，虚拟演播室专用数字摄像机通常为二到三个，摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其原理是将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦乃至升降等传感部位的运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“校准器”，这样，理想情况下，现场摄像机与虚拟演播室中“虚拟”的摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机运动时，虚拟摄像机受跟踪器的控制可以实时地与现场摄像机保持同步。

2.2 辅助摄像机技术

辅助摄像机技术是以图形识别技术为基础，可以说是图形识别系统的一种扩展。辅助摄像机是一种专用的小型摄像机，它可安装在任何一个演播室摄像机的顶部。而格子图案可以是任意颜色的，可安装于摄像师的后部、侧墙或天花板上。当演播室摄像机拍摄表演者时，辅助摄像机就会拍摄到格子图案，通过格子图案的视频图像信号进行分析，就可以得到演播室摄像机的各种参数。使用辅助摄像机技术后，演播室摄像机的拍摄可不受任何限制，可实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作级费蓝演播室应用等。

2.3 “垃圾色块”技术

使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。为了克服这一现象，出现了“垃圾色块”技术，或称为“填补彩底”技术。使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，因此它具有“背景保护”功能，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围。另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。

2.4 计算机虚拟场景生成技术

虚拟演播室系统配备的计算机是一个小型计算机网络，主机为网络中心，它是虚拟演播室的控制中心，是虚拟演播室节目制作的“导演台”。它除了调用和调整事先做好的三维虚拟场景外，还负责向图形发生器传输图像数据及处理由摄像机跟踪器传来的摄像机运动数据。根据主机传来的摄像机运动数据实时地计算出虚拟的三维电脑场景的运动，以保证其输出的虚拟背景与真实的前景同步。

其中，在虚拟节目准备中的一个重要任务就是建立三维模型。虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机创作的二维或三维模型，即虚拟场景。有别于普通的电视节目后期制作和三维动画技术，虚拟演播室技术更加强调制作的现场感和可扩充的实时性。用计算机建立三维场景几乎不受现实的限制，因此，创作人员得以在节目需求的基础上根据想象自由发挥。场景的大小、布局、材料和动画等等都可以是任意的，只要设计得当，就可以制作出任何以往想都不敢想的虚拟场景。虚拟演播室系统还可以用建模软件控制合适的贴图、灯光、模型等参数，给场景中的物体贴画，加光影和润色，使其更具真实感。在虚拟场景中，主持人可以来回走动，场景中的虚拟物体可以实时的移动和处理，电视窗口能显示外部视频源送来的视频信号。主持人不仅能在虚拟物体的前面或后面，并且能隐藏在物体的里面。

2.5 灯光技术

灯光对于电视节目的制作向来占用相当重要的地位，在虚拟演播室中更是这样，所有光色必须保证蓝色空间场地基色，以适应色键器抠像的技术要求。虚拟演播室的无限蓝箱给灯光的处理带来了新的要求，传统的三点式布光的方法要有所变化，处理好布光问题可大大增加虚拟场景的真实感。对于地面、墙面的光线要尽量做到均匀、无阴影，要注意把握人物主体与蓝色背景之间布光的比例，另一方面，要注意现场真实灯光与虚拟系统生成的场景光效之间的协调，以增强真实感。

2.6 色键技术

虚拟演播室对色键技术提出了更高的要求，为了将前景画面和虚拟背景很好的合在一起，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄像机到每个像素的距离。这是一种基于计算机产生的三维布景画面的混合技术，被称之为深度键。使用传统的色键技术，将主持人丛蓝色幕布中提取出来，同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出键的深度值。在传统的抠像技术的基础上增加了深度键，可以让表演者处在虚拟场景的正确位置中，这样表演者可以走到虚拟物体的前面、后面或处于虚拟物体的内部，甚至可以穿过虚拟物体，给观众真实的距感，与传统色键相比，用深度键抠像的效果更自然和逼真。

2.7 蓝箱技术

蓝箱也称为蓝背景，它是主持人活动的实际场景及虚拟制作的基本依据。蓝箱的好坏，直接关系到色键像的质量。蓝背景可采用蓝幕布，但最好采用蓝背景漆。

蓝箱的设计首先要考虑空间结构。建议最好是选用面积适合的小演播室作为虚拟演播室专用，另外，要根据虚拟演播室的机位，来设计蓝箱的形状并计算其大小。

其次要考虑制作工艺，重点是背景制作，一般来说蓝色能更好地保护人体的皮肤颜色；物体周围的蓝色弱色调没有绿色弱色调显眼；演员们在蓝色环境，工作要比红色环境中愉快。蓝背景漆应使用添加有阻燃剂、哑光、具有一定耐磨度的纯正的色键蓝色，以保证最好的色键效果。

其它新技术还包括虚拟阴影及反射、虚拟散焦、高速数字视频处理等等。利用虚拟阴影及反射技术可进一步增强场景的真实感。虚拟散焦功能可模仿几何光学的原理，对虚拟场景中的远处景物进行散焦处理，从而增强场景的纵深感。新的数字视频处理器可完成高达每秒30亿次的操作，可建立逼真的3D环境。

3 虚拟演播室技术的应用

虚拟演播室的优势是显而易见的，从画面可以明显看出，电脑生成的背景与演员之间的融合简直是天衣无缝。使用虚拟演播室制作新闻、体育、娱乐、访谈、天气预报和一些教育类节目是比较理想的，因为这些节目在制作上具有连续性和重复性，制作一个场景就可以重复利用多次。在世界各大电视台，这样的节目不胜枚举。在演播室内搭建摩天大楼，演员在月球进行“实况转播”，演播室里刮龙卷风等等。

3.1 虚拟重放

虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评论节目。它通过先进的视频跟踪技术和三维重建技术，可自动跟踪运动员或球，并突出显示他们的运动轨迹或路线，测量运动员和球的速度以及两物体之间的距离，并可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。这套系统需要事先存储体育场的三维模型。另外，准备素材需要几分钟的时间。虚拟重放系统将逐步改变体育节目的转播方式，它可部分代替慢速重放，可从各个角度模仿真实比赛的情况，因此呈现在观众面前的将不再是“有争议”的或是难以判断的情况。

3.2 数字重放

数字重放系统主要应用于体育比赛的报道及评述节目。它能迅速重放各种精彩场面，在重放时，通过使用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，可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。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。

3.3 虚拟广告

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，或用虚拟广告牌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，观众丝毫不会觉察。利用虚拟广告系统有很多优点，首先，在对不同的地区进行转播时，可插入不同的广告，增强广告的有效性，提高资源利用率。另外，赛场上的广告可以不再是静止的，可以将插入的虚拟广告作成动画形式，各种二维或三维的动画广告更能吸引观众的注意力。此外，使用虚拟广告后，广告位置不再局限于场地的边边角角，如果愿意，整个场地都可以放置虚拟广告，广告尺寸也不会有任何限制。而且，虚拟广告可插入到以前无法利用的空间，如水面、沙滩、雪地或非常高的地方。

3.4 虚拟采访

利用从外地传来的被采访者在蓝色幕布前的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统。通过插入的视频可将被采访者与演播室中的播音员实时结合在一个虚拟背景中，两个人物可以面对面的交谈和表演，对观众来讲就好像真的采访者请到了演播室中一样。

3.5 移动场景

移动场景也是一种具有特殊功能的系统，它可将视频及动画插入到室内和室外的节目中。这里使用的是一块绘有格子图案的小型面板，拍摄节目时将它放置在需要插入视频或动画的场景位置上。摄像机可从任意角度拍摄，得到的格子图案信息可控制生成装置生成与面板透视关系一致的视频或动画。最后经色键合成后，在相应于面板的位置就会出现视频或动画，且其透视关系与面板完全一致。移动场景功能非常适合于体育报道、实况采访、天气预报、现场新闻报道等节目，它可给节目增添活力，带来耳目一新的感觉。例如：英国EPO公司制作二战中被毁的一座大型教堂的建筑结构的录像。教堂尚未重建，但用超级计算机制作出教堂的立体画面，用一台虚拟的摄像机从各个角度做推拉、旋转等动作拍摄。30分钟画面用了6-8周时间，一座宏伟的教堂便“出现”了。

3.6 虚拟人物表演

计算机技术的高速发展使得实时人物动画表演成为可能。在真人身上各重要关节处装传感器，传感器的各组数据传到工作站中用于控制已制成的虚拟动画人物的关节活动，使它完全实时地模仿表演者的动作。 虚拟动画人物与真人能同时出现在同一个虚拟背景中，并相互配合，互换位置和交谈。这在已往的演播室制作过程中是无法想象的，也会给节目带来新奇感和神秘感，从而最大程度地娱乐观众。

3.7 火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播

火箭以及其它太空飞行器的虚拟直播系统，对于火箭这一类太空飞行器，无法通过安装固定跟踪摄像机的方法来获得其空中飞行的直播图像，但是通过对其飞行姿态参数的遥测，可利用虚拟演播室技术来获取其飞行姿态的虚拟直播图像。

虚拟演播室技术的发展很快，应用也包括很多方面，这里只介绍了其中的几个主要方面。

4 小结

虚拟演播室技术无疑是电视节目制作技术的一种革命性飞跃，充分体现了电视技术对当代最新的数字技术、计算机技术兼容并蓄的特点。随着计算机图形处理技术、多媒体技术以及视频数字化的发展，虚拟演播室技术发展前景会非常广阔，必将会带动电视领域的一场革命。