虚拟演播室技术及其在电视节目制作中的应用

山东省招远广播电视台 杜世卿

一、引言

随着电子信息技术的发展，虚拟现实技术已经在电视节目制作领域崭露头脚。虚拟演播室就是虚拟现实技术和传统演播室色键抠像技术相结合，它将真实摄像机所拍摄的画面与计算机制作的虚拟场景实时、完美地结合起来，创造出令人美轮美奂的虚拟世界。虚拟演播室的应用，使得电视节目制作摆脱了时间、空间及道具制作方面的限制，极大地提高了电视节目创作与制作能力。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，降低了节目制作费用，缩短了节目制作周期，提高了演播室效率。

二、虚拟演播室技术介绍

一套虚拟演播室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构成。虚拟演播室的工作原理如图1所示。

图1 虚拟演播室的工作原理

1.摄像机跟踪系统

虚拟演播室能否将现实世界与虚拟世界完美结合起来，关键问题是能否正确判断摄像机、主持人、计算机所制作布景三者之间的相对位置和关系，让计算机知道摄像机的位置和拍摄范围。因此，就需要有一个能够实时检测和提供摄像机运动参数的系统，这就是摄像机的跟踪系统。摄像机的动作参数包括俯仰、左右摇、Z轴旋转、左右移动、上下移动、前后移动和摄像机镜头的变焦、聚焦、光圈共九个参数。跟踪系统的任务是实时测出这些参数，传送给着色系统。目前，在虚拟演播室系统中应用较为广泛的跟踪技术，主要分为机械传感器跟踪、图形识别跟踪、红外跟踪三种。

2.虚拟背景生成系统

虚拟演播室中的背景图像可以是来自录像机或其他节目源的活动图像，也可以是静止的图像或图片，利用最多的是虚拟场景，也就是由计算机创作的二维或三维图形。虚拟场景的制作可分为几个步骤：首先，要对场景中的所有物体进行建模，也就是设计物体的外形和尺寸，在建立一个模型的同时，计算机将他们分解成许多个多边形，一般是三角形，然后定义一个轮廓；在每个多边形上施加材质，可以是简单的颜色，也可以材料；再把图像或照片施加在多边形上，以产生逼真的效果。其次，是将模型在虚拟场景中定位，使用虚拟灯光产生所需要的灯光效果如阴影、高光、反射和折射。最后，是制作在实际拍摄过程中虚拟场景出现的事件序列和特技效果。

在摄像机运动参数控制下，背景生成系统对预先制作好的虚拟场景信号进行处理，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。这就意味着背景生成系统必须要对视频画面以25帧/秒（PAL制）或30帧/秒（N制）的速度实时处理数据流。如果生成的是三维虚拟场景，其计算量非常大。在不降低图形照明度、阴影、纹理和建模结构的前提下，提高图形刷新速率成为实时生成虚拟背景的关键。

3.视频合成系统

背景的视频图像只有与前景的视频图像混合后，才最终完成虚拟演播室节目制作。前景与背景视频合成是通过色键合成器实时完成的，为保证合成准确，应使拍摄视野中的蓝箱处于均匀照明之下；要合理调配灯光，使前景与虚拟背景的照明亮度及方向匹配；另外，主持人及真实道具在蓝箱中投下的影子也要随主持人及道具一起进入虚拟空间，为提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大区别，影子的方向也要和虚拟空间中光源方向一致；蓝箱应使用纯正的色键蓝色，其空间大小应保证演员有足够的移动范围。

另外，由于图形计算机创建出来的三维虚拟场景中每一个像素都带有深度信息，这便引出了深度键概念。采用层次等级深度键可将物体分为有限数目的深度层次，使物体间实现相互遮挡，当真实人物、景物与虚拟景物动态遮挡时，通过深度键技术，就可以实现逼真的三维效果。

虚拟演播室的工作原理是将摄像机拍摄到的以蓝箱为背景的人物、景物送到色键器作为前景画面，同时通过摄像机运动跟踪系统将采集到的摄像机运动参数送给图形计算机，然后，图形计算机根据摄像机运动参数生成合适的虚拟的虚拟背景画面和遮挡信号，并按照遮挡信号提供的关系，通过Z轴深度键和色键技术将前景画面与虚拟背景画面进行色键合成，使真实人物、景物与虚拟场景之间“同步联动”，形成正确的透视关系，虚拟出真实演员置身于“真实”场景中的画面输出。

三、虚拟演播室的优势

虚拟演播室不仅为电视节目制作提供了高科技的制作手段和无限自由的创作空间，而且在丰富节目包装方式、降低节目制作费用等方面也显示出其巨大的优势。

（1）降低了节目的制作成本。每个电视台都有多种节目，由于演播室的场景必须要与节目的内容相适应，制作每个节目所需的演播室的场景是不同的，从理想的情况看，每个节目都要有一个演播室，这样就造成浪费。虚拟演播室只需一个蓝幕布景，利用虚拟现实技术，可以制作出各种形式的能与主题相配的场景。虚拟演播室置景轻松,换景方便,实现多栏目共用演播室,使用中小演播室实现大场景制作。另外, 虚拟演播室是以计算机制作的虚拟场景作为背景,不需要搭建、拆卸、搬运、储藏以及制作实物道具和布景,大大节约了人力、物力和财力。

（2）解决了传统抠像的失真问题。运用传统色键技术抠像时，摄像机做任何运动，背景都没有变化，前后景之间缺乏联动关系，看上去前景就像漂浮在背景上一样，造成透视关系失配而失去真实感。而采用同步跟踪技术的虚拟演播室，可将摄像机的运动参数转变成电信号，通过计算机的运算，对虚拟场景的相应参数进行调整，实时生成与前景联动的背景信号，因此，合成后的前景与背景看上去是一起运动的。

（3）拓宽了节目制作者的创作空间。在传统的演播室中，创作人员的设计思路往往受演播室的资金等条件的限制，使得有些精妙的创意无法完整实现。而虚拟演播室没有时空的限制，没有资金的约束，创作人员可充分发挥想象力，创作出精美的、真实场景无法达到的电视视觉效果。虚拟演播室给创作人员带来了充足的创意空间，使实际不可能做到的变成现实，使观众收视到前所未有的充满立体感和强烈冲击力的电视画面。虚拟现实技术可以在演播室的有限空间里创造出气势宏大的壮观场面，从而使得节目的创作已经不再受演播室面积的限制。

四、结束语

虚拟演播室技术发展很快，它与数字视频技术、计算机技术以及其他相关技术的发展息息相关，随着这些技术的发展，虚拟演播室技术也在不断发展和完善。可以相信，虚拟演播室技术终将成为一种最有力的电视节目制作工具。