虛擬演播室的應用技術淺析

趙海城，王 偉，李志霞，鄒德偉，于 靜

（遼寧省朝陽廣播電視臺，遼寧 朝陽 122000）

虛擬演播室的應用技術淺析

趙海城，王 偉，李志霞，鄒德偉，于 靜

（遼寧省朝陽廣播電視臺，遼寧 朝陽 122000）

簡要介紹虛擬演播室系統(tǒng)設計原理、特征及技術特性，分析影響虛擬演播室應用的關鍵技術和使用中出現(xiàn)的問題。

虛擬演播室；應用技術；渲染；色鍵；藍箱

虛擬演播室技術因其虛擬場景的特點，可隨心所欲地創(chuàng)意和實現(xiàn)演播室靜態(tài)和動態(tài)場景設計，縮短了電視節(jié)目制作周期，提高了演播室利用效率，比較適用于中小型電視臺的節(jié)目制作、包裝需求。本文以遼寧省朝陽廣播電視臺為例，簡要介紹虛擬演播室的應用技術。

朝陽廣播電視臺于2010年搬遷進入新廣電大樓，由于新大樓新聞演播室面積狹小，要承擔多檔新聞節(jié)目的錄制，更換大量實景道具費時費力，節(jié)目制作不能達到最高效率運轉。綜合以上因素，我們經(jīng)過充分論證，決定搭建虛擬演播室來滿足節(jié)目制作需要。

該虛擬演播室項目從場景設計到搭建投入使用僅用了20天左右，實現(xiàn)了新聞節(jié)目用虛擬演播室錄制、所有新聞背景均由虛擬背景合成的要求。除了三檔新聞節(jié)目以外，其他包裝類節(jié)目也在本演播室錄制，即每天要調用多達10檔不同的三維場景，利用率大大提高，它已成為朝陽廣播電視臺節(jié)目制作的一個新亮點。

1 工作原理及流程

1.1 原理說明

虛擬演播室是以計算機三維動畫“虛擬”出的場景取代道具實景，現(xiàn)場布景由藍箱取代，攝像機拍攝的畫面只是圖像的前景，背景則由相配的圖形工作站產(chǎn)生。其優(yōu)點是靈活，可以做出現(xiàn)實中無法搭建的背景效果，節(jié)省空間，不同欄目可共用同一演播室而不必更換景片；缺點是前期投入的工作較多，燈光設計師需要考慮最終合成后的畫面效果，而非習慣上的所見即所得，主持人的即興發(fā)揮也會受到一定限制。

這里以藍箱加機械跟蹤方式來簡單介紹虛擬演播室系統(tǒng)的工作原理。

（1）攝像機進行前景信號（在藍箱中活動的主持人等）的拍攝。見圖1。

（2）攝像機跟蹤器將攝像機的平搖、俯仰、推拉、升降、移動等動作，轉換為傳感器信號，通過數(shù)據(jù)線傳送到虛擬演播室三維渲染引擎。

（3）攝像機拍攝的前景信號通過SDI輸出，傳送到色鍵器的前景信號輸入端。

（4）渲染引擎根據(jù)數(shù)據(jù)線傳送來的傳感器信號進行數(shù)據(jù)分析，映射到設計好的三維場景中的虛擬攝像機上，轉換為相應的平搖、俯仰、推拉、升降、移動等動作，使輸出的圖形背景根據(jù)前景的變化同步作相應的透視變化。渲染引擎實時渲染出隨鏡頭運動的三維虛擬場景畫面，并將渲染畫面信號分別以一路視頻填充信號和一路鍵信號的方式通過SDI輸出，發(fā)送到色鍵器的背景信號輸入端和鍵信號輸入端上。隨著攝像機的運動，渲染引擎根據(jù)設計元素定義以及主持人在三維場景中的空間定位，計算出的位于主持人與攝像機之間的這一部分虛擬場景的鍵信號。通常所說的“垃圾遮擋”（常用于遮擋演播室上空容易穿幫的燈光設備等）也是由鍵信號來完成，從而實現(xiàn)無限藍箱的概念。

（5）色鍵器將攝像機前景信號中的藍色部分摳掉，將填充視頻信號根據(jù)鍵信號的鍵值分層填入到前景信號中，合成最終信號，送給視頻切換臺。見圖2。

1.2 工作流程

（1）無論《朝陽新聞》、《新聞今報》等新聞欄目或其他欄目，均按照尺寸設計三維虛擬場景。

（2）操作員在虛擬演播室中，對攝像機跟蹤進行調整，使之與三維場景中的背景、虛擬新聞演播桌、主持人手的放置位置等定位對應。

（3）節(jié)目錄制或者播出，通過裝在攝像機上的傳感器跟蹤信息實時傳遞給渲染引擎進行位置跟蹤，并通過色鍵器合成畫面，最后反饋給監(jiān)視器，調整信號給總輸出。

2 特征及技術指標

應用虛擬演播室錄制節(jié)目時，由演播室中的物理攝像機拍攝節(jié)目主持人，由計算機中的虛擬攝像機生成場景，二者通過色鍵技術合成。當物理攝像機作推、拉、搖、移和機位切換等取景和構圖變化時，虛擬攝像機鏡頭下生成的場景也必須同步實時地發(fā)生完全相同的取景和構圖變化。由于是兩個不同類型的攝像機同步工作，共同實現(xiàn)節(jié)目的拍攝，需要處理好以下幾個技術細節(jié)：

2.1 初始化定位

要讓物理攝像機和虛擬攝像機的取景和構圖變化完全相同，首先必須使二者的初始機位參數(shù)、鏡頭參數(shù)、變焦鏡頭參數(shù)完全相同。定位方式應是物理攝像機對虛擬攝像機作直接的自動初始化定位，而不應在攝像機前面設置任何標志，或限定物理攝像機的架設位置和主持人的位置，也不應做任何的手工測量和計算。在演播室藍箱前面選擇架設好攝像機后，應即刻由計算機自動完成多個機位的初始化定位并開始工作，不應有任何復雜的調整和限制，隨架設隨使用。

2.2 跟蹤

跟蹤要有較高的靈敏度、頻響，跟蹤速度要快，穩(wěn)定性要高。當物理攝像機鏡頭下的前景畫面有任何視覺上的微小變化，或其做快速的小幅度來回反復平搖、俯仰、變焦等取景變化，或做快速的大幅度平搖、俯仰、變焦等取景變化時，或由任意運動鏡頭變?yōu)殪o止鏡頭時，虛擬攝像機鏡頭下的場景畫面應實時同步地發(fā)生與其相同的變化，而不應有任何的遲鈍、錯位、抖動、閃爍、打滑或飄移現(xiàn)象。

2.3 色鍵

色鍵應對燈光無苛刻要求，對藍箱無苛刻要求；應在同一參數(shù)下實現(xiàn)同時色鍵出頭發(fā)絲、陰影、半透明體、亮藍色、煙霧、柔和自然的輪廓邊緣和正確的膚色還原；對任意節(jié)目主持人、場景和不用刻意布置的燈光環(huán)境，開機后只需一兩秒時間就可自動調整好色鍵參數(shù)開始拍攝；色鍵應具有存儲和記憶功能，隨調隨用。

圖1 攝像機前景信號

圖2 渲染合成信號

3 操作界面及性能要求

為了提高場景中三維網(wǎng)格物體的渲染效率并保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，虛擬演播室一般都采用渲染工作站和操作控制協(xié)調工作的方式，操作界面及性能要求如下。

（1）操作界面應集中控制，一套鼠標鍵盤，不需識別物理設備。

（2）場景中的諸視覺元素，如貼圖、動畫、視頻、特效等素材應導入方便，分類清晰，可隨時調用和更換。

（3）場景中三維物體的運動軌跡、旋轉、縮放、變形等功能的建立與編輯，特效、燈光、視頻等所有操作應支持在線拾取和可視化編輯。

（4）動作和事件統(tǒng)一的時軌邏輯排序，既可按預先設計好的流程和時序自動播出，也可手動干預自動與手動結合播出，也可以邊編輯邊播出。

（5）支持多個場景同屏實時渲染，方便地實現(xiàn)不同場景的任意組合與各自動作設置的二次創(chuàng)作。

（6）四視圖界面設計，與3D MAX風格一致，使三維場景中任意視覺元素的空間位置關系和透視關系準確無誤，編輯調整精確方便。

（7）應有自動無限藍箱功能：允許攝像機作360°平搖；當取景超出藍箱時，藍箱以外的垃圾色塊不被色鍵進入合成畫面，任意燈光布置情況下有限藍箱和無限藍箱間不應存在過渡痕跡。

（8）應具有多機位預監(jiān)功能：即一個機位被輸出時，操作界面上能實時顯示另一機位的合成效果；當預監(jiān)屏上多機位切換時，節(jié)目輸出機位的圖像不受影響。

（9）應支持視頻實時采集與存儲功能，便于實現(xiàn)外視頻在任意物體表面播放的精確控制。

（10）應支持對節(jié)目制作的提前設計、編輯和調試，以文件形式存儲，拍攝時隨時調用。

（11）整個系統(tǒng)應至少在一天內(nèi)可連續(xù)進行編輯、設置、添加字幕和存儲調用等各種操作，保證輸出無丟幀、無黑場、不死機。

4 虛擬演播室的系統(tǒng)構成及作用

朝陽廣播電視臺虛擬演播室系統(tǒng)構成組件及其作用如表1所示，系統(tǒng)方框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)方框圖

表1 系統(tǒng)構成組件及其作用

5 搭建中遇到的困難及解決辦法

5.1 聲畫不同步問題

由于渲染引擎需要實時處理大量的數(shù)據(jù)，導致整個系統(tǒng)鏈路中的視頻有延時情況，這就需要音頻系統(tǒng)也要做相應的處理，為了能夠準確地體現(xiàn)主持人口形和聲音的一致性，經(jīng)過反復計算、論證，并在實踐中校正，最后得出視頻有5幀延時，相應地將聲音延時200 ms，可以保證聲畫的同步。

5.2 虛擬演播室的布光問題

在虛擬演播室建設中，最初將藍箱中的燈具設計得較多，調試后發(fā)現(xiàn)較多的燈光反而造成局部高光區(qū)，光線分布不均造成了陰影區(qū)，結果導致色鍵摳像不干凈，主持人臉部有明顯的輪廓線條。

在實踐中逐漸發(fā)現(xiàn)，虛擬演播室和傳統(tǒng)演播室的布光有一定區(qū)別：虛擬演播室藍箱要求光線分布必須均勻，不允許出現(xiàn)高的亮斑，主持人前景與藍箱背景照度必須相匹配、色溫必須達到一致。因此，采用了三基色冷光源燈具，有效地保證了布光的均勻、柔和，且交叉陰影小。冷光源燈管采用飛利浦原裝進口件，有效地保證了光源色溫和攝像機的色溫一致，從而保證了良好的色彩還原效果。

燈具供應商建議不加主光源，因為如果使用不當，可能造成實際光與虛擬光不一致，主光源在藍箱上產(chǎn)生投影會影響渲染機的圖像處理。采取在主光方面加雙主光源的方法，巧妙地避免了這種情況。當然，光源必須采用三基色柔光燈，燈光比正常演播室布光角度降低5°～8°，另外遠距離加地排光進行正面?zhèn)?5°角補光，加側光、側逆光抵消一部分主光，體現(xiàn)出主持人空間以及輪廓，這樣既保證了主持人面光，又合理地使用側光、側逆光，加強了畫面的景深，增強了三維立體效果，也滿足了虛擬演播室的布光要求。

5.3 主持人臉色偏藍，色彩保真度不夠

搭建新演播室初期，經(jīng)過渲染機渲染合成的主持人面部色彩保真度不夠好，顏色偏藍，色彩飽合度差，而不經(jīng)過渲染機直接輸出的圖像卻一切正常。經(jīng)過查找原因，首先更換色鍵器，選擇了一種質量及指標比較好的色鍵器，然后調整色鍵拐點、色相位、噪藍控制、對比度、灰度等控制參數(shù)，并對參數(shù)進行控制比對。通過逐天比對調整參數(shù)記錄，對圖像較理想的參數(shù)劃定區(qū)間，記入技術檔案進行備份，最后達到理想效果。

5.4 藍箱維護以及道具制作問題

藍箱的品質決定了摳像的效果。每天大量使用藍箱很難保證藍色地面的干凈，由于沒有條件購進德國進口的專用摳像地毯，只能在市面上買一種專用的透明膠氈，既便宜、透明又不易磨損，踩上鞋印后容易清除，便于維護。

考慮到場景中要放置一些真實的道具，專門制作了輕便的藍色桌子。聲音采集盡量采用無線話筒，如果確需有線設備，也專門添加一些藍色護線套，這樣傳輸線就不會體現(xiàn)在畫面里。

6 結束語

朝陽廣播電視臺虛擬演播室的搭建中，在場地、資金和技術等方面都提出了很大的挑戰(zhàn)，大家一起攻堅克難，最終圓滿地完成了各項任務。該工程達到了現(xiàn)代電視節(jié)目制作的要求，不僅為電視臺節(jié)省了人力、物力、財力等大量制作成本，而且培養(yǎng)了一支具備設計和應用開發(fā)能力的高素質技術隊伍。

（編輯 張冠華 張 淼）

A Brief Study on Application of Virtual Studio

ZHAO Hai-cheng, WANG Wei, LI Zhi-xia, ZOU De-wei, YU Jing
(Chaoyang Broadcasting and Television station, Chaoyang Liaoning 122000, China)

A brief study was carried out on the design principle, technical features of virtual studio. The critical technology to affect virtual studio was analyzed as well as the problems emerging in practice.

Virtual studio; Rending; Initial orientation; Color key; Blue box

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.013

趙海城，遼寧省朝陽廣播電視臺技術中心高級工程師，從事電視視頻技術、EFP技術、演播室設計與搭建、設備維修及維護方面工作及相關理論研究。