趙海城，王 偉，李志霞，鄒德偉，于 靜

（遼寧省朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

虛擬演播室的應(yīng)用技術(shù)淺析

趙海城，王 偉，李志霞，鄒德偉，于 靜

（遼寧省朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

簡(jiǎn)要介紹虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、特征及技術(shù)特性，分析影響虛擬演播室應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。

虛擬演播室；應(yīng)用技術(shù)；渲染；色鍵；藍(lán)箱

虛擬演播室技術(shù)因其虛擬場(chǎng)景的特點(diǎn)，可隨心所欲地創(chuàng)意和實(shí)現(xiàn)演播室靜態(tài)和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，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(tái)的節(jié)目制作、包裝需求。本文以遼寧省朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)為例，簡(jiǎn)要介紹虛擬演播室的應(yīng)用技術(shù)。

朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)于2010年搬遷進(jìn)入新廣電大樓，由于新大樓新聞演播室面積狹小，要承擔(dān)多檔新聞節(jié)目的錄制，更換大量實(shí)景道具費(fèi)時(shí)費(fèi)力，節(jié)目制作不能達(dá)到最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合以上因素，我們經(jīng)過(guò)充分論證，決定搭建虛擬演播室來(lái)滿(mǎn)足節(jié)目制作需要。

該虛擬演播室項(xiàng)目從場(chǎng)景設(shè)計(jì)到搭建投入使用僅用了20天左右，實(shí)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(lèi)節(jié)目也在本演播室錄制，即每天要調(diào)用多達(dá)10檔不同的三維場(chǎng)景，利用率大大提高，它已成為朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)節(jié)目制作的一個(gè)新亮點(diǎn)。

1 工作原理及流程

1.1 原理說(shuō)明

虛擬演播室是以計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)“虛擬”出的場(chǎng)景取代道具實(shí)景，現(xiàn)場(chǎng)布景由藍(lán)箱取代，攝像機(jī)拍攝的畫(huà)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(diǎn)是靈活，可以做出現(xiàn)實(shí)中無(wú)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(diǎn)是前期投入的工作較多，燈光設(shè)計(jì)師需要考慮最終合成后的畫(huà)面效果，而非習(xí)慣上的所見(jiàn)即所得，主持人的即興發(fā)揮也會(huì)受到一定限制。

這里以藍(lán)箱加機(jī)械跟蹤方式來(lái)簡(jiǎn)單介紹虛擬演播室系統(tǒng)的工作原理。

（1）攝像機(jī)進(jìn)行前景信號(hào)（在藍(lán)箱中活動(dòng)的主持人等）的拍攝。見(jiàn)圖1。

（2）攝像機(jī)跟蹤器將攝像機(jī)的平搖、俯仰、推拉、升降、移動(dòng)等動(dòng)作，轉(zhuǎn)換為傳感器信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳送到虛擬演播室三維渲染引擎。

（3）攝像機(jī)拍攝的前景信號(hào)通過(guò)SDI輸出，傳送到色鍵器的前景信號(hào)輸入端。

（4）渲染引擎根據(jù)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳送來(lái)的傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，映射到設(shè)計(jì)好的三維場(chǎng)景中的虛擬攝像機(jī)上，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的平搖、俯仰、推拉、升降、移動(dòng)等動(dòng)作，使輸出的圖形背景根據(jù)前景的變化同步作相應(yīng)的透視變化。渲染引擎實(shí)時(shí)渲染出隨鏡頭運(yùn)動(dòng)的三維虛擬場(chǎng)景畫(huà)面，并將渲染畫(huà)面信號(hào)分別以一路視頻填充信號(hào)和一路鍵信號(hào)的方式通過(guò)SDI輸出，發(fā)送到色鍵器的背景信號(hào)輸入端和鍵信號(hào)輸入端上。隨著攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，渲染引擎根據(jù)設(shè)計(jì)元素定義以及主持人在三維場(chǎng)景中的空間定位，計(jì)算出的位于主持人與攝像機(jī)之間的這一部分虛擬場(chǎng)景的鍵信號(hào)。通常所說(shuō)的“垃圾遮擋”（常用于遮擋演播室上空容易穿幫的燈光設(shè)備等）也是由鍵信號(hào)來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)限藍(lán)箱的概念。

（5）色鍵器將攝像機(jī)前景信號(hào)中的藍(lán)色部分摳掉，將填充視頻信號(hào)根據(jù)鍵信號(hào)的鍵值分層填入到前景信號(hào)中，合成最終信號(hào)，送給視頻切換臺(tái)。見(jiàn)圖2。

1.2 工作流程

（1）無(wú)論《朝陽(yáng)新聞》、《新聞今報(bào)》等新聞欄目或其他欄目，均按照尺寸設(shè)計(jì)三維虛擬場(chǎng)景。

（2）操作員在虛擬演播室中，對(duì)攝像機(jī)跟蹤進(jìn)行調(diào)整，使之與三維場(chǎng)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(duì)應(yīng)。

（3）節(jié)目錄制或者播出，通過(guò)裝在攝像機(jī)上的傳感器跟蹤信息實(shí)時(shí)傳遞給渲染引擎進(jìn)行位置跟蹤，并通過(guò)色鍵器合成畫(huà)面，最后反饋給監(jiān)視器，調(diào)整信號(hào)給總輸出。

2 特征及技術(shù)指標(biāo)

應(yīng)用虛擬演播室錄制節(jié)目時(shí)，由演播室中的物理攝像機(jī)拍攝節(jié)目主持人，由計(jì)算機(jī)中的虛擬攝像機(jī)生成場(chǎng)景，二者通過(guò)色鍵技術(shù)合成。當(dāng)物理攝像機(jī)作推、拉、搖、移和機(jī)位切換等取景和構(gòu)圖變化時(shí)，虛擬攝像機(jī)鏡頭下生成的場(chǎng)景也必須同步實(shí)時(shí)地發(fā)生完全相同的取景和構(gòu)圖變化。由于是兩個(gè)不同類(lèi)型的攝像機(jī)同步工作，共同實(shí)現(xiàn)節(jié)目的拍攝，需要處理好以下幾個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)：

2.1 初始化定位

要讓物理攝像機(jī)和虛擬攝像機(jī)的取景和構(gòu)圖變化完全相同，首先必須使二者的初始機(jī)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(yīng)是物理攝像機(jī)對(duì)虛擬攝像機(jī)作直接的自動(dòng)初始化定位，而不應(yīng)在攝像機(jī)前面設(shè)置任何標(biāo)志，或限定物理攝像機(jī)的架設(shè)位置和主持人的位置，也不應(yīng)做任何的手工測(cè)量和計(jì)算。在演播室藍(lán)箱前面選擇架設(shè)好攝像機(jī)后，應(yīng)即刻由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成多個(gè)機(jī)位的初始化定位并開(kāi)始工作，不應(yīng)有任何復(fù)雜的調(diào)整和限制，隨架設(shè)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(dāng)物理攝像機(jī)鏡頭下的前景畫(huà)面有任何視覺(jué)上的微小變化，或其做快速的小幅度來(lái)回反復(fù)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(shí)，或由任意運(yùn)動(dòng)鏡頭變?yōu)殪o止鏡頭時(shí)，虛擬攝像機(jī)鏡頭下的場(chǎng)景畫(huà)面應(yīng)實(shí)時(shí)同步地發(fā)生與其相同的變化，而不應(yīng)有任何的遲鈍、錯(cuò)位、抖動(dòng)、閃爍、打滑或飄移現(xiàn)象。

2.3 色鍵

色鍵應(yīng)對(duì)燈光無(wú)苛刻要求，對(duì)藍(lán)箱無(wú)苛刻要求；應(yīng)在同一參數(shù)下實(shí)現(xiàn)同時(shí)色鍵出頭發(fā)絲、陰影、半透明體、亮藍(lán)色、煙霧、柔和自然的輪廓邊緣和正確的膚色還原；對(duì)任意節(jié)目主持人、場(chǎng)景和不用刻意布置的燈光環(huán)境，開(kāi)機(jī)后只需一兩秒時(shí)間就可自動(dòng)調(diào)整好色鍵參數(shù)開(kāi)始拍攝；色鍵應(yīng)具有存儲(chǔ)和記憶功能，隨調(diào)隨用。

圖1 攝像機(jī)前景信號(hào)

圖2 渲染合成信號(hào)

3 操作界面及性能要求

為了提高場(chǎng)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(diào)工作的方式，操作界面及性能要求如下。

（1）操作界面應(yīng)集中控制，一套鼠標(biāo)鍵盤(pán)，不需識(shí)別物理設(shè)備。

（2）場(chǎng)景中的諸視覺(jué)元素，如貼圖、動(dòng)畫(huà)、視頻、特效等素材應(yīng)導(dǎo)入方便，分類(lèi)清晰，可隨時(shí)調(diào)用和更換。

（3）場(chǎng)景中三維物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、旋轉(zhuǎn)、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(yīng)支持在線(xiàn)拾取和可視化編輯。

（4）動(dòng)作和事件統(tǒng)一的時(shí)軌邏輯排序，既可按預(yù)先設(shè)計(jì)好的流程和時(shí)序自動(dòng)播出，也可手動(dòng)干預(yù)自動(dòng)與手動(dòng)結(jié)合播出，也可以邊編輯邊播出。

（5）支持多個(gè)場(chǎng)景同屏實(shí)時(shí)渲染，方便地實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的任意組合與各自動(dòng)作設(shè)置的二次創(chuàng)作。

（6）四視圖界面設(shè)計(jì)，與3D MAX風(fēng)格一致，使三維場(chǎng)景中任意視覺(jué)元素的空間位置關(guān)系和透視關(guān)系準(zhǔn)確無(wú)誤，編輯調(diào)整精確方便。

（7）應(yīng)有自動(dòng)無(wú)限藍(lán)箱功能：允許攝像機(jī)作360°平搖；當(dāng)取景超出藍(lán)箱時(shí)，藍(lán)箱以外的垃圾色塊不被色鍵進(jìn)入合成畫(huà)面，任意燈光布置情況下有限藍(lán)箱和無(wú)限藍(lán)箱間不應(yīng)存在過(guò)渡痕跡。

（8）應(yīng)具有多機(jī)位預(yù)監(jiān)功能：即一個(gè)機(jī)位被輸出時(shí)，操作界面上能實(shí)時(shí)顯示另一機(jī)位的合成效果；當(dāng)預(yù)監(jiān)屏上多機(jī)位切換時(shí)，節(jié)目輸出機(jī)位的圖像不受影響。

（9）應(yīng)支持視頻實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)功能，便于實(shí)現(xiàn)外視頻在任意物體表面播放的精確控制。

（10）應(yīng)支持對(duì)節(jié)目制作的提前設(shè)計(jì)、編輯和調(diào)試，以文件形式存儲(chǔ)，拍攝時(shí)隨時(shí)調(diào)用。

（11）整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)至少在一天內(nèi)可連續(xù)進(jìn)行編輯、設(shè)置、添加字幕和存儲(chǔ)調(diào)用等各種操作，保證輸出無(wú)丟幀、無(wú)黑場(chǎng)、不死機(jī)。

4 虛擬演播室的系統(tǒng)構(gòu)成及作用

朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)虛擬演播室系統(tǒng)構(gòu)成組件及其作用如表1所示，系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)方框圖

表1 系統(tǒng)構(gòu)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(huà)不同步問(wèn)題

由于渲染引擎需要實(shí)時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)鏈路中的視頻有延時(shí)情況，這就需要音頻系統(tǒng)也要做相應(yīng)的處理，為了能夠準(zhǔn)確地體現(xiàn)主持人口形和聲音的一致性，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算、論證，并在實(shí)踐中校正，最后得出視頻有5幀延時(shí)，相應(yīng)地將聲音延時(shí)200 ms，可以保證聲畫(huà)的同步。

5.2 虛擬演播室的布光問(wèn)題

在虛擬演播室建設(shè)中，最初將藍(lán)箱中的燈具設(shè)計(jì)得較多，調(diào)試后發(fā)現(xiàn)較多的燈光反而造成局部高光區(qū)，光線(xiàn)分布不均造成了陰影區(qū)，結(jié)果導(dǎo)致色鍵摳像不干凈，主持人臉部有明顯的輪廓線(xiàn)條。

在實(shí)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(lán)箱要求光線(xiàn)分布必須均勻，不允許出現(xiàn)高的亮斑，主持人前景與藍(lán)箱背景照度必須相匹配、色溫必須達(dá)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(jìn)口件，有效地保證了光源色溫和攝像機(jī)的色溫一致，從而保證了良好的色彩還原效果。

燈具供應(yīng)商建議不加主光源，因?yàn)槿绻褂貌划?dāng)，可能造成實(shí)際光與虛擬光不一致，主光源在藍(lán)箱上產(chǎn)生投影會(huì)影響渲染機(jī)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(dāng)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(yuǎn)距離加地排光進(jìn)行正面?zhèn)?5°角補(bǔ)光，加側(cè)光、側(cè)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(cè)光、側(cè)逆光，加強(qiáng)了畫(huà)面的景深，增強(qiáng)了三維立體效果，也滿(mǎn)足了虛擬演播室的布光要求。

5.3 主持人臉色偏藍(lán)，色彩保真度不夠

搭建新演播室初期，經(jīng)過(guò)渲染機(jī)渲染合成的主持人面部色彩保真度不夠好，顏色偏藍(lán)，色彩飽合度差，而不經(jīng)過(guò)渲染機(jī)直接輸出的圖像卻一切正常。經(jīng)過(guò)查找原因，首先更換色鍵器，選擇了一種質(zhì)量及指標(biāo)比較好的色鍵器，然后調(diào)整色鍵拐點(diǎn)、色相位、噪藍(lán)控制、對(duì)比度、灰度等控制參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行控制比對(duì)。通過(guò)逐天比對(duì)調(diào)整參數(shù)記錄，對(duì)圖像較理想的參數(shù)劃定區(qū)間，記入技術(shù)檔案進(jìn)行備份，最后達(dá)到理想效果。

5.4 藍(lán)箱維護(hù)以及道具制作問(wèn)題

藍(lán)箱的品質(zhì)決定了摳像的效果。每天大量使用藍(lán)箱很難保證藍(lán)色地面的干凈，由于沒(méi)有條件購(gòu)進(jìn)德國(guó)進(jìn)口的專(zhuān)用摳像地毯，只能在市面上買(mǎi)一種專(zhuān)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(hù)。

考慮到場(chǎng)景中要放置一些真實(shí)的道具，專(zhuān)門(mén)制作了輕便的藍(lán)色桌子。聲音采集盡量采用無(wú)線(xiàn)話(huà)筒，如果確需有線(xiàn)設(shè)備，也專(zhuān)門(mén)添加一些藍(lán)色護(hù)線(xiàn)套，這樣傳輸線(xiàn)就不會(huì)體現(xiàn)在畫(huà)面里。

6 結(jié)束語(yǔ)

朝陽(yáng)廣播電視臺(tái)虛擬演播室的搭建中，在場(chǎng)地、資金和技術(shù)等方面都提出了很大的挑戰(zhàn)，大家一起攻堅(jiān)克難，最終圓滿(mǎn)地完成了各項(xiàng)任務(wù)。該工程達(dá)到了現(xiàn)代電視節(jié)目制作的要求，不僅為電視臺(tái)節(jié)省了人力、物力、財(cái)力等大量制作成本，而且培養(yǎng)了一支具備設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力的高素質(zhì)技術(shù)隊(duì)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(yáng)廣播電視臺(tái)技術(shù)中心高級(jí)工程師，從事電視視頻技術(shù)、EFP技術(shù)、演播室設(shè)計(jì)與搭建、設(shè)備維修及維護(hù)方面工作及相關(guān)理論研究。