数字化虚拟演播室技术分析与应用

蒋春明，朱华良，邓飞，杨春晨

摘 要 随着我国社会的快速发展，电视节目演播制作发生着变化，数字虚拟演播的制作方式已经逐步形成重要的演播制作技术标准，利用数字技术，提升虚拟演播室的节目制作效果，对实际的技术应用和技术研究进行准确的分析，首先分析了虚拟演播室的出现，然后对虚拟演播室的构成进行分析，最后根据实际使用情况，分析如何进行虚拟演播室的应用。

关键词 数字化虚拟演播室;技术分析;研究

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2018）21-0035-02

在当前的电视节目录制当中，会大量使用到虚拟演播室来提升节目画面的表现力和画面感，但是实现虚拟演播室需要合理布置演播室内的光线、安排好摄像机的活动方向等。虽然虚拟演播室的初期投入很高，但是随着技术的成熟，因为其各种画面都是通过计算机合成，相比传统演播室成本低了很多，在当前的电视节目中使用越来越广泛。

1 虚拟演播室技术概述

1.1 虚拟演播室技术形成过程

1）色键技术。电视台在进行电视节目的制作时使用的是色键技术，使用了纯蓝色或者绿色的背景，通过使用色键器，能够进行颜色判断并进行抠图，把主持人从背景当中抠出来，再合成到其他的视频里。而这种技术的缺陷在于，当摄像机和主持人在节目的拍摄过程中移动，但是合成的背景并不能够伴随着主持人的活动相应变化，无法通过抠图来解决背景和前景之间的透视关系，只能应用于制作二维动画，局限性较大。

2）虚拟演播室技术的出现。色键技术虽然实现了一些效果，但是它的问题也是十分明显的，为此，在色键技术的基础上引入了摄像机跟踪技术，通过收集摄像机镜头参数、云台运动参数、摄像机空间位置和角度参数，从而判断摄像机、前景人物、虚拟场景之间的相对位置关系，告诉虚拟场景生成系统该产生什么样的虚拟场景，才能与前景结合更真实。利用虚拟演播室，电视台在制作节目时可以减少外景的搭建，通过模拟节目的需求创造外景。例如在表现一些历史事件时，就可以依靠计算机的计算进行建模和渲染，同时配合摄像机镜头的改变，就能够将当年的场景融入到现实中。

1.2 虚拟演播室的原理

虚拟演播室当会使用U型或者L型蓝箱，在进行三维合成时，首先使用色键技术将主持人的画面抠出来，然后通过摄像机运动轨迹和所处的位置来计算主持人的位置变化，从而将主持人以更加合理的方式合成到三维场景当中，并创造具有更高真实感的画面。和传统的拍摄方式不同，虚拟演播室的拍摄必须要大量使用到数字摄像技术，摄像机的视频信号通过延迟器进入色键器之后进行色键处理，之后生成主信号。

2 数字虚拟演播室的构成

2.1 摄像机跟踪系统

節目的拍摄过程中，需要移动摄像机位从而获得更好的拍摄角度，并改变拍摄到的画面。但是摄像机和主持人出现移动之后，所身处的环境也必须要有相应的变化，这就必须要让环境也出现同步的改变。在过去的演播室拍摄当中，由于技术水平的不足，节目的拍摄是不考虑这些问题的，所以在合成画面的时候只能进行简单的二维合成。为了实现更加具有真实度的三维模拟，必须要考虑到摄像机的状态再进行视频合成，尤其是摄像机在运动中时，虚拟场景必须要移动运动才能够获得更为良好的拍摄效果。

摄像机跟踪系统技术是虚拟演播室技术中的一项重要指标，目前应用较多的摄像机跟踪技术，主要有机械传感、图形识别、红外线跟踪、超声波定位这几种方式。

1）图像识别定位跟踪系统。图像识别定位跟踪系统使用了图像识别算法，在摄像机拍摄到影像之后，摄像机会进行解析，同时进行匹配和图像识别工作，进而就能够获得摄像机的位置等各种技术非参数。该技术的最大优势在于，并不需要在摄像机上加装其他的传感器设备，也并不会因为维修产生更多的成本，一切的识别工作都由计算机来完成。

2）传感器定位跟踪。使用该技术时，需要在摄像机镜头上安装运动参数编码器，从而在计算机运动时，编码器就会获得横摇、俯仰、变焦、平移等机位的信息和活动的参数。该技术的优势在于，由于摄像机所有的状态都来自于直接生成，并不是通过计算获得，因此得到这些参数时没有任何的延迟，即便是比较复杂的运动，也能够获得极为准确的参数。使用该技术，还可以让多台摄像机进行协同工作，在进行后期成像时，也十分方便。但是，由于每台摄像机都需要加装传感器，这就使得成本会有大幅度的增加，同时技术的难度也很高，必须要保证系统的稳定，一旦定位系统出现故障需要进行重启，则整个虚拟演播室内所有的摄像机都需要进行校正才能够获得正确的数据。

3）红外线跟踪技术。红外线跟踪技术需要利用红外线LED目标，通过将其安装在虚拟演播室的摄像机上，就可以向主持人的颈部或者侧面进行发射光线。通过进行一定的处理后，就可以利用红外线检测仪来对摄像机进行跟踪，从而达到对摄像机进行定位的目的。

4）超声波跟踪。该技术使用了超声波信号来判断摄像机的位置，技术的优势在于，摄像机的活动比较方便，受到的限制很小，并且定位的精度也很高，而且由于计算量低，所以延迟也不高。

2.2 虚拟场景生成系统

虚拟场景生成系统是虚拟演播室的核心，能否稳定、迅捷生成逼真的三维演播室虚拟场景是关键。制作三维演播室虚拟场景，首先需要利用3D软件对虚拟场景中的物体建模，然后对物体的不同部位赋予相应的材质，再根据设计需要对物体进行合理定位。三维系统具有很高的场景要求，同时画面的效果也很真实，具有视觉冲击力。为了能够提高三维场景的虚拟效果，还需要对画面的一些细节问题进行处理，比如画面当中的光影问题、如何通过计算保证光影能够保持一致等，这些都需要在算法上进行开发。

虚拟演播室的灯光。光影是虚拟演播室的画面是否具有真实性的关键，必须要保证演播室内光影的变化和节目画面一致，才能减少观众在观看之后的违和感。由于和传统演播室的不同，蓝箱内的灯光需要采用不同的布置方法。首先要保证蓝箱内的灯光均匀，其次，蓝箱内的灯光需要和虚拟场景一致变化，使主持人能够充分融入到场景当中。

过去，虚拟演播室对灯光亮度的要求非常高，为了满足这些要求，通常会使用大功率的灯光，但是大功率的灯光发热很大，多数主持人无法长时间坚持主持节目。随后，使用的是三基色冷光源，这种光源有很大的发光面积，并且有着均匀的光线，比较符合演播室对灯光的要求。现在，LED光源技术突破，且随着摄像机技术的发展，对照度的要求降低，LED光源发光柔和均匀，阴影少、能耗更低，得到大量使用。

3 虚拟演播室的技术应用

虚拟演播室的技术目前已经大量运用在节目生产、视频资源的建设中，主要应用方向有：

1）虚拟场景的制作。以往，不同的栏目具有不同的风格，演播室场景风格迥异，不同栏目不能共用同一个演播室，否则场景就要不停来回更换，需要大量人力物力。虚拟演播室只需设计制作不同场景，轻松调用，提高了演播室利用率，更大大降低制作成本，节省时间和布景、道具制作的人力、物力。

2）虚拟节目内容的制作。虚拟现实技术，能够轻易表现大到宏观的天文、地理，小到微观的细胞，大大丰富了节目视频资源所表现的节目内容，为观众展示一个全新的视角。

3）虚拟移动場景的制作。在节目制作过程中，通过背景开窗以显示器的形式，可将视频或者动画插入到节目置景中，增加表现手段，丰富节目活力。

此外，虚拟演播室技术通过虚拟重放、数字重放以及虚拟广告等形式还大量应用在体育节目中，取得了非常好的效果。

4 结束语

视频数字化技术的日益发展和成熟，使得电视节目越来越丰富。虚拟演播室的建设需要在前期投入大量的资金，但是由于所有的道具和场景都通过电脑合成，使得其在后期的投入比传统演播室减少了许多，因此从长远的分析，虚拟演播室是一种更加节约的方式。并且，虚拟场景的构建、节目表现手段的多样化是传统演播室无法做到的，通过使用合理的技术一定能够创造更加丰富的视觉场景。

参考文献

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[3]胡卫华，高涛.数字场景设计在虚拟演播室中的应用[J].电视技术，2018，42（3）：75-78，85.

[4]刘峻.虚拟演播室中的摄像机定位和布光技术[J].西部广播电视，2016（2）：197.

作者简介：蒋春明，工程师，研究方向为电视灯光技术。