山東省招遠(yuǎn)廣播電視臺(tái) 杜世卿

一、引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在電視節(jié)目制作領(lǐng)域嶄露頭腳。虛擬演播室就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)演播室色鍵摳像技術(shù)相結(jié)合，它將真實(shí)攝像機(jī)所拍攝的畫面與計(jì)算機(jī)制作的虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)、完美地結(jié)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(yīng)用，使得電視節(jié)目制作擺脫了時(shí)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(chǎng)景的制作、修改、保存都是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，省去了真實(shí)場(chǎng)景的搭建、拆卸、儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)，降低了節(jié)目制作費(fèi)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(shù)介紹

一套虛擬演播室主要由攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)及視頻合成系統(tǒng)構(gòu)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(jī)跟蹤系統(tǒng)

虛擬演播室能否將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界完美結(jié)合起來，關(guān)鍵問題是能否正確判斷攝像機(jī)、主持人、計(jì)算機(jī)所制作布景三者之間的相對(duì)位置和關(guān)系，讓計(jì)算機(jī)知道攝像機(jī)的位置和拍攝范圍。因此，就需要有一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和提供攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的系統(tǒng)，這就是攝像機(jī)的跟蹤系統(tǒng)。攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)包括俯仰、左右搖、Z軸旋轉(zhuǎn)、左右移動(dòng)、上下移動(dòng)、前后移動(dòng)和攝像機(jī)鏡頭的變焦、聚焦、光圈共九個(gè)參數(shù)。跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)測(cè)出這些參數(shù)，傳送給著色系統(tǒng)。目前，在虛擬演播室系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的跟蹤技術(shù)，主要分為機(jī)械傳感器跟蹤、圖形識(shí)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(jī)或其他節(jié)目源的活動(dòng)圖像，也可以是靜止的圖像或圖片，利用最多的是虛擬場(chǎng)景，也就是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的二維或三維圖形。虛擬場(chǎng)景的制作可分為幾個(gè)步驟：首先，要對(duì)場(chǎng)景中的所有物體進(jìn)行建模，也就是設(shè)計(jì)物體的外形和尺寸，在建立一個(gè)模型的同時(shí)，計(jì)算機(jī)將他們分解成許多個(gè)多邊形，一般是三角形，然后定義一個(gè)輪廓；在每個(gè)多邊形上施加材質(zhì)，可以是簡(jiǎn)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(chǎn)生逼真的效果。其次，是將模型在虛擬場(chǎng)景中定位，使用虛擬燈光產(chǎn)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(shí)際拍攝過程中虛擬場(chǎng)景出現(xiàn)的事件序列和特技效果。

在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制下，背景生成系統(tǒng)對(duì)預(yù)先制作好的虛擬場(chǎng)景信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)生成與前景有正確透視關(guān)系的背景圖像。這就意味著背景生成系統(tǒng)必須要對(duì)視頻畫面以25幀/秒（PAL制）或30幀/秒（N制）的速度實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)流。如果生成的是三維虛擬場(chǎng)景，其計(jì)算量非常大。在不降低圖形照明度、陰影、紋理和建模結(jié)構(gòu)的前提下，提高圖形刷新速率成為實(shí)時(shí)生成虛擬背景的關(guān)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(shí)時(shí)完成的，為保證合成準(zhǔn)確，應(yīng)使拍攝視野中的藍(lán)箱處于均勻照明之下；要合理調(diào)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(shí)道具在藍(lán)箱中投下的影子也要隨主持人及道具一起進(jìn)入虛擬空間，為提取陰影，燈光的設(shè)置應(yīng)使陰影處的藍(lán)色電平與背景藍(lán)幕布的藍(lán)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(lán)箱應(yīng)使用純正的色鍵藍(lán)色，其空間大小應(yīng)保證演員有足夠的移動(dòng)范圍。

另外，由于圖形計(jì)算機(jī)創(chuàng)建出來的三維虛擬場(chǎng)景中每一個(gè)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(jí)深度鍵可將物體分為有限數(shù)目的深度層次，使物體間實(shí)現(xiàn)相互遮擋，當(dāng)真實(shí)人物、景物與虛擬景物動(dòng)態(tài)遮擋時(shí)，通過深度鍵技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)逼真的三維效果。

虛擬演播室的工作原理是將攝像機(jī)拍攝到的以藍(lán)箱為背景的人物、景物送到色鍵器作為前景畫面，同時(shí)通過攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)將采集到的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)送給圖形計(jì)算機(jī)，然后，圖形計(jì)算機(jī)根據(jù)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成合適的虛擬的虛擬背景畫面和遮擋信號(hào)，并按照遮擋信號(hào)提供的關(guān)系，通過Z軸深度鍵和色鍵技術(shù)將前景畫面與虛擬背景畫面進(jìn)行色鍵合成，使真實(shí)人物、景物與虛擬場(chǎng)景之間“同步聯(lián)動(dòng)”，形成正確的透視關(guān)系，虛擬出真實(shí)演員置身于“真實(shí)”場(chǎng)景中的畫面輸出。

三、虛擬演播室的優(yōu)勢(shì)

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(fèi)用等方面也顯示出其巨大的優(yōu)勢(shì)。

（1）降低了節(jié)目的制作成本。每個(gè)電視臺(tái)都有多種節(jié)目，由于演播室的場(chǎng)景必須要與節(jié)目的內(nèi)容相適應(yīng)，制作每個(gè)節(jié)目所需的演播室的場(chǎng)景是不同的，從理想的情況看，每個(gè)節(jié)目都要有一個(gè)演播室，這樣就造成浪費(fèi)。虛擬演播室只需一個(gè)藍(lán)幕布景，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以制作出各種形式的能與主題相配的場(chǎng)景。虛擬演播室置景輕松,換景方便,實(shí)現(xiàn)多欄目共用演播室,使用中小演播室實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景制作。另外, 虛擬演播室是以計(jì)算機(jī)制作的虛擬場(chǎng)景作為背景,不需要搭建、拆卸、搬運(yùn)、儲(chǔ)藏以及制作實(shí)物道具和布景,大大節(jié)約了人力、物力和財(cái)力。

（2）解決了傳統(tǒng)摳像的失真問題。運(yùn)用傳統(tǒng)色鍵技術(shù)摳像時(shí)，攝像機(jī)做任何運(yùn)動(dòng)，背景都沒有變化，前后景之間缺乏聯(lián)動(dòng)關(guān)系，看上去前景就像漂浮在背景上一樣，造成透視關(guān)系失配而失去真實(shí)感。而采用同步跟蹤技術(shù)的虛擬演播室，可將攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，對(duì)虛擬場(chǎng)景的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)生成與前景聯(lián)動(dòng)的背景信號(hào)，因此，合成后的前景與背景看上去是一起運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。而虛擬演播室沒有時(shí)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(shí)場(chǎng)景無法達(dá)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(shí)際不可能做到的變成現(xiàn)實(shí)，使觀眾收視到前所未有的充滿立體感和強(qiáng)烈沖擊力的電視畫面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在演播室的有限空間里創(chuàng)造出氣勢(shì)宏大的壯觀場(chǎng)面，從而使得節(jié)目的創(chuàng)作已經(jīng)不再受演播室面積的限制。

四、結(jié)束語(yǔ)

虛擬演播室技術(shù)發(fā)展很快，它與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，隨著這些技術(shù)的發(fā)展，虛擬演播室技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善?？梢韵嘈?，虛擬演播室技術(shù)終將成為一種最有力的電視節(jié)目制作工具。