山東省招遠廣播電視臺 杜世卿

一、引言

隨著電子信息技術的發(fā)展，虛擬現實技術已經在電視節(jié)目制作領域嶄露頭腳。虛擬演播室就是虛擬現實技術和傳統(tǒng)演播室色鍵摳像技術相結合，它將真實攝像機所拍攝的畫面與計算機制作的虛擬場景實時、完美地結合起來，創(chuàng)造出令人美輪美奐的虛擬世界。虛擬演播室的應用，使得電視節(jié)目制作擺脫了時間、空間及道具制作方面的限制，極大地提高了電視節(jié)目創(chuàng)作與制作能力。并且由于虛擬場景的制作、修改、保存都是在計算機中進行，省去了真實場景的搭建、拆卸、儲藏等環(huán)節(jié)，降低了節(jié)目制作費用，縮短了節(jié)目制作周期，提高了演播室效率。

二、虛擬演播室技術介紹

一套虛擬演播室主要由攝像機跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)及視頻合成系統(tǒng)構成。虛擬演播室的工作原理如圖1所示。

圖1 虛擬演播室的工作原理

1.攝像機跟蹤系統(tǒng)

虛擬演播室能否將現實世界與虛擬世界完美結合起來，關鍵問題是能否正確判斷攝像機、主持人、計算機所制作布景三者之間的相對位置和關系，讓計算機知道攝像機的位置和拍攝范圍。因此，就需要有一個能夠實時檢測和提供攝像機運動參數的系統(tǒng)，這就是攝像機的跟蹤系統(tǒng)。攝像機的動作參數包括俯仰、左右搖、Z軸旋轉、左右移動、上下移動、前后移動和攝像機鏡頭的變焦、聚焦、光圈共九個參數。跟蹤系統(tǒng)的任務是實時測出這些參數，傳送給著色系統(tǒng)。目前，在虛擬演播室系統(tǒng)中應用較為廣泛的跟蹤技術，主要分為機械傳感器跟蹤、圖形識別跟蹤、紅外跟蹤三種。

2.虛擬背景生成系統(tǒng)

虛擬演播室中的背景圖像可以是來自錄像機或其他節(jié)目源的活動圖像，也可以是靜止的圖像或圖片，利用最多的是虛擬場景，也就是由計算機創(chuàng)作的二維或三維圖形。虛擬場景的制作可分為幾個步驟：首先，要對場景中的所有物體進行建模，也就是設計物體的外形和尺寸，在建立一個模型的同時，計算機將他們分解成許多個多邊形，一般是三角形，然后定義一個輪廓；在每個多邊形上施加材質，可以是簡單的顏色，也可以材料；再把圖像或照片施加在多邊形上，以產生逼真的效果。其次，是將模型在虛擬場景中定位，使用虛擬燈光產生所需要的燈光效果如陰影、高光、反射和折射。最后，是制作在實際拍攝過程中虛擬場景出現的事件序列和特技效果。

在攝像機運動參數控制下，背景生成系統(tǒng)對預先制作好的虛擬場景信號進行處理，實時生成與前景有正確透視關系的背景圖像。這就意味著背景生成系統(tǒng)必須要對視頻畫面以25幀/秒（PAL制）或30幀/秒（N制）的速度實時處理數據流。如果生成的是三維虛擬場景，其計算量非常大。在不降低圖形照明度、陰影、紋理和建模結構的前提下，提高圖形刷新速率成為實時生成虛擬背景的關鍵。

3.視頻合成系統(tǒng)

背景的視頻圖像只有與前景的視頻圖像混合后，才最終完成虛擬演播室節(jié)目制作。前景與背景視頻合成是通過色鍵合成器實時完成的，為保證合成準確，應使拍攝視野中的藍箱處于均勻照明之下；要合理調配燈光，使前景與虛擬背景的照明亮度及方向匹配；另外，主持人及真實道具在藍箱中投下的影子也要隨主持人及道具一起進入虛擬空間，為提取陰影，燈光的設置應使陰影處的藍色電平與背景藍幕布的藍色電平有較大區(qū)別，影子的方向也要和虛擬空間中光源方向一致；藍箱應使用純正的色鍵藍色，其空間大小應保證演員有足夠的移動范圍。

另外，由于圖形計算機創(chuàng)建出來的三維虛擬場景中每一個像素都帶有深度信息，這便引出了深度鍵概念。采用層次等級深度鍵可將物體分為有限數目的深度層次，使物體間實現相互遮擋，當真實人物、景物與虛擬景物動態(tài)遮擋時，通過深度鍵技術，就可以實現逼真的三維效果。

虛擬演播室的工作原理是將攝像機拍攝到的以藍箱為背景的人物、景物送到色鍵器作為前景畫面，同時通過攝像機運動跟蹤系統(tǒng)將采集到的攝像機運動參數送給圖形計算機，然后，圖形計算機根據攝像機運動參數生成合適的虛擬的虛擬背景畫面和遮擋信號，并按照遮擋信號提供的關系，通過Z軸深度鍵和色鍵技術將前景畫面與虛擬背景畫面進行色鍵合成，使真實人物、景物與虛擬場景之間“同步聯動”，形成正確的透視關系，虛擬出真實演員置身于“真實”場景中的畫面輸出。

三、虛擬演播室的優(yōu)勢

虛擬演播室不僅為電視節(jié)目制作提供了高科技的制作手段和無限自由的創(chuàng)作空間，而且在豐富節(jié)目包裝方式、降低節(jié)目制作費用等方面也顯示出其巨大的優(yōu)勢。

（1）降低了節(jié)目的制作成本。每個電視臺都有多種節(jié)目，由于演播室的場景必須要與節(jié)目的內容相適應，制作每個節(jié)目所需的演播室的場景是不同的，從理想的情況看，每個節(jié)目都要有一個演播室，這樣就造成浪費。虛擬演播室只需一個藍幕布景，利用虛擬現實技術，可以制作出各種形式的能與主題相配的場景。虛擬演播室置景輕松,換景方便,實現多欄目共用演播室,使用中小演播室實現大場景制作。另外, 虛擬演播室是以計算機制作的虛擬場景作為背景,不需要搭建、拆卸、搬運、儲藏以及制作實物道具和布景,大大節(jié)約了人力、物力和財力。

（2）解決了傳統(tǒng)摳像的失真問題。運用傳統(tǒng)色鍵技術摳像時，攝像機做任何運動，背景都沒有變化，前后景之間缺乏聯動關系，看上去前景就像漂浮在背景上一樣，造成透視關系失配而失去真實感。而采用同步跟蹤技術的虛擬演播室，可將攝像機的運動參數轉變成電信號，通過計算機的運算，對虛擬場景的相應參數進行調整，實時生成與前景聯動的背景信號，因此，合成后的前景與背景看上去是一起運動的。

（3）拓寬了節(jié)目制作者的創(chuàng)作空間。在傳統(tǒng)的演播室中，創(chuàng)作人員的設計思路往往受演播室的資金等條件的限制，使得有些精妙的創(chuàng)意無法完整實現。而虛擬演播室沒有時空的限制，沒有資金的約束，創(chuàng)作人員可充分發(fā)揮想象力，創(chuàng)作出精美的、真實場景無法達到的電視視覺效果。虛擬演播室給創(chuàng)作人員帶來了充足的創(chuàng)意空間，使實際不可能做到的變成現實，使觀眾收視到前所未有的充滿立體感和強烈沖擊力的電視畫面。虛擬現實技術可以在演播室的有限空間里創(chuàng)造出氣勢宏大的壯觀場面，從而使得節(jié)目的創(chuàng)作已經不再受演播室面積的限制。

四、結束語

虛擬演播室技術發(fā)展很快，它與數字視頻技術、計算機技術以及其他相關技術的發(fā)展息息相關，隨著這些技術的發(fā)展，虛擬演播室技術也在不斷發(fā)展和完善。可以相信，虛擬演播室技術終將成為一種最有力的電視節(jié)目制作工具。