虚拟演播室系统构成及抠像

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虚拟演播室系统是现代计算机图形处理技术与传统色键抠像技术相结合的产物，它可以把现场视频与计算机生成的场景影像，按照一定的透视关系实时无缝的进行合成，虚拟出真实演员置身于虚拟场景中的画面输出，以满足人们不断提高的欣赏要求。它的出现是对传统演播室技术的一次重大变革。在虚拟演播室系统中，跟踪技术和色键技术的好坏，是一个系统性能好坏的关键，但这些技术的应用均是建立在一个最基本的环境中，即我们所称的虚拟演播室的蓝箱。

大家知道，蓝箱是主持人活动的实际场景，及虚拟制作的根本依据。蓝箱的好坏，可能给后续的虚拟制作工作带来很大的影响。我频道拟于2001年购买一套二机位的RE-SET的IBIS虚拟演播室系统，在进行蓝箱的设计施工时，有一些心得和经验，在此与各位同行交流。

1、施工要求

在实际进行蓝箱设计时，首要考虑的问题就是蓝箱所在演播室的空间问题。目前各电视台的演播室多是一室多用，即同一个演播室由多个节目共用，也就有多个场景。这就要求在设计蓝箱时要充分考虑到其它场景的位置和灯光需求，不能使节目在录制时出现质量下降或穿帮现象。倘若演播室一室一用，专为虚拟演播室所用，就不存在这个问题。所以，建议最好是选用面积适合的小演播室作为虚拟系统专用。

其次，要根据虚拟系统的机位，来设计蓝箱的形状并计算其大小。也就是说，蓝箱的大小一定要能够满足摄像机的推拉摇移的范围要求，既不能过小而限制镜头的活动，又不能盲目加大蓝箱面积而导致造价的大幅度提高。

然后，就是要根据使用虚拟演播室制作节目的性质来规划蓝箱的大小。大家知道，新闻及小型访谈类的节目在录制时镜头一般较为简单，大多是以正面近景辅以少量侧面全景，且镜头固定，无需推拉摇移，主持人的位置也固定不动，这样对蓝箱的要求也就不高，只要顾及到侧面全景不穿即可，蓝箱可以做的较小。如果是录制文艺性节目，主持人不但会来回走动，且镜头的推拉摇移较多，变化较大。这就要求蓝箱要相对较大，给出足够的镜头活动空间。

另外，在施工期期间，不能影响演播室正常的节目录制。

2、具体设计

①确定位置与大小：根据我频道的实际条件，最终确定在250平米演播室的一角装修蓝箱，大小以70平米左右为宜。

②蓝箱装修包括两个成90度夹角的立面和一个地台。立面与地台的夹角应大于90度（我们采用了立面向外倾斜10度的方案），以减少反射到主持人身上的蓝光；立面与地台间最好采取弧形过渡，这将更容易均匀布光，而且墙壁间也不会互相反射。圆滑的角落可以帮助减少灯光的明暗差异。地板应该足够大，以避免主持人的面光形成的强阴影打上立面，有时这会为制作带来一些麻烦。蓝箱整体设计如图1、图2所示。

1）确定制作工艺

制作工艺是蓝箱质量的保证，也就是说，蓝箱是否能顺利完成虚拟演播室的录制任务，制作工艺的好坏是关键之一。在制定制作工艺时，要从以下几个方面来考虑：

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①制作材料

目前国内制作蓝箱的厂家主要使用两种材料，一种是玻璃钢，另一种就是木材。采用玻璃钢材料，优点就是材料强度高，几乎不会产生变形，且具有不可燃性。这样在制作前就无需对材料进行防火、防变形等预处理工作，大大节省了工期。缺点是造价过高，每平方米费用大约为2000元左右，这样如果建造一个大约100平方米左右的中型蓝箱，就需要花费20万元左右，这对于多数中小型电视台来说，都是一笔不小的开支。而如果采用木料的话，其造价大约为每平方米500元左右，是玻璃钢材料的1/4。但由于木料本身具有易燃、易变形等特点，所以在施工前期需进行大量的预处理工作，延长工期，增加了施工难度。目前国内各用户多采用木材来进行蓝箱的搭建。

②蓝箱的搭建结构方式

蓝箱体积较大，搭建起来较为复杂，施工周期也较长。如果所有工作都在演播室中完成，势必会影响演播室的正常使用。所以我们建议蓝箱整体结构采用积木式拼接方式，即将蓝箱整体分为若干部分，先将每一部分在演播室外施工场地进行加工完成，最后将各部分在演播室中通过榫接等方式结合在一起，形成整体结构。采用这种方式的好处就是缩短室内施工时间，而且预先单独制作球形区域和各弧形区域，也较容易保证其成型。但这样对施工者的施工水平要求很高，在整体拼接时应能进行准确的校正，保证由多个部分组成的各平面、弧面、球面的平滑过渡性。我们的蓝箱所采用的积木式结构将整个蓝箱分为二十多个部分进行分别制作，最后再进行整体拼装。

3、选材的预处理

根据自身目前的预算状况，我们选择了使用木料搭建蓝箱，所用蓝漆为国产阻燃漆。由于蓝箱搭建在演播室中，且木料及漆料自身易燃，所以在施工前一定要对所有用料进行预处理，达到消防要求。

①对木料的预处理

防变形处理：大家知道，普通木料中含有大量水分（含水率约在25%-30%之间），在水分经过一段时间挥发掉之后，木料就会产生变形甚至开裂，导致制成品损坏或无法使用，所以木料的防变形处理就显得至关重要了。目前的木料防变形处理主要是脱水处理，即将含水量较高的木料放入烘干房中，加高温使大部分水分从木料中挥发出去，从而使木料的含水率降低到10%左右。经这种方法处理后的木料的变形量极小，不会导致开裂等严重后果。

防火处理：木料是否能达到防火阻燃的要求，是关系到演播室财产及工作人员人身安全的一个重要问题，一定要认真对待，切切不可大意。目前所用的防火处理方法主要是在木料上淋刷阻燃剂，或是将木料直接放入阻燃剂中进行充分浸泡。推荐使用第二种防火处理方法，因为第一种方法只能在木料表面形成阻燃层，如果在施工过程中对木料表面进行加工，就会破坏阻燃层。而第二种方法就会使阻燃剂渗透到木料内部，从而达到整体阻燃效果。

要注意的是，阻燃剂中也含有一定的水分，所以最好先对木料进行防火处理，然后再进行防变形处理，这样就能将木料在防火处理过程中所吸收的水分和木料本身原有水分一起排出。

②蓝箱所用蓝漆的选择与特性

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虚拟演播室系统虽然不局限于抠蓝，但蓝色有几个优点：一是蓝色能更好地保护人体的皮肤颜色；其次，物体周围的蓝边弱色调没有绿边弱色调显眼；三是演员们在蓝色环境中工作要比绿或红色环境中愉快。

关于业界将蓝箱装修专用的进口蓝漆称为电视蓝的说法，我们有自己的理解。什么叫做电视蓝？从技术指标的角度来说，当摄像机只有蓝管输出，而红管和绿管都输出为零时，摄像机输出的就是电视蓝。其实无论是什么蓝，对涂料行业来说，都一样可以调配出来，不一定非要使用昂贵的进口专用漆。而且，除了价格因素之外，与国内优秀漆料生产厂商合作，可以定制调配添加有阻燃剂、哑光、具有一定耐磨度的特种漆。这也是我们采用国产漆的原因。实际上，在我们提出阻燃、哑光、耐磨、快干几项要求后，厂家专门小批量地调配了六种具有不同色度、色调的蓝漆，经过我们的多次测试，最终确定了最适合的一种蓝漆。测试过程是这样的：将测试蓝板放置在演播室正常制作节目的灯光下，摄像机推满。采用矢量示波器观察，当将两场色度矢量重合时，其矢量方向越接?quot;B田字区域，说明漆色中绿色或红色的偏色越少。矢量方向顺时针偏离，说明漆色偏绿；反之偏红。考虑到对肤色的处理，漆色偏绿强于偏红。

最后，再加上对硬度与阻燃性的平衡考虑，最终确定漆型。

4、室内施工

预制件完成后，就可以进演播室施工了。施工时有几个问题应注意：

①预制件整体搭建时，应保证施工现场地面平整，立面后要有支撑，以防止整体受力不均而引起变形。由于演播室地处大楼一层，地台下要铺设防潮层（我们就采用了地板专用防潮薄膜），进行防潮处理。

②整体打磨取平时，要注意演播室内设备的防尘问题。设备尽量远离施工位置，并加盖防尘布。施工现场应及时打扫，尽量减少粉尘的停留时间。打磨完成后，应用吸尘器仔细清除粉尘。

③地台边缘以及道具与地台的接触边缘如果处理不好，在抠像时会形成一条很难去除的黑线。有时在利用虚拟演播室无限蓝箱的功能时，地台的边缘由于光线的不均匀，不能完全抠干净，但又不能用色块填充，边缘就形成?quot;两不管地带。解决的方法是边缘采用完全不同的颜色完全抠掉。道具的边缘就只能是在制作时尽量保证其底部完全与地台平面吻合，避免因产生阴影而影响抠像质量。

④上漆的方式应选择滚刷。人工手刷费工费时，而且不易保证整体漆色均匀；喷涂上漆引起的漆雾污染太大，不适合在室内施工。

⑤考虑到蓝漆由于阻燃剂的添加而损失了一部分的耐磨性，在地台蓝漆之上可以再加一层哑光的清漆。

⑥整体漆面完成需要4-5遍蓝漆和一遍清漆，但由于施工期间，演播室还要正常录制节目，所以除了要采用快干漆之外，还要注意上漆期间的通风问题，即使更新室内空气。

5、灯光

对虚拟演播室来说灯光是最困难可又是最重要的问题之一。在一些制作中，需要一些经验丰富的灯光导演来处理虚

拟演播室的灯光问题是必不可少的。

在通常情况下，针对虚拟演播室多机位的特点，为了使摄象机在各个角度抠出的图像都不会出现抠透精彩文档．

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或者有蓝边现象，蓝色舞台及蓝背景需要被照得非常均匀。如果蓝墙的蓝色调比蓝地板的蓝色调深，那么在最后合成的图象就会发现虚拟的地板图象和背景图象相比显得偏黄，造成整个场景的色温不均匀。因此，虚拟演播室的布光越均匀，抠像效果越好，人物在地面的影子就越饱满和真实。在虚拟演播室里，播音员的主光、辅助光、轮廓光需要单独布置。并要使人物光和环境光之间有合适的光比，使人物在能保证最佳还原的同时，并和场景很好的融合在一起。

电视照明现在已由过去的高光比的方式发展到现在的低光比低反差的方式，而灯具的发展也在不断的变化。三基色冷光源已作为建立虚拟演播室灯光照明的最常用灯具。我台虚拟演播室使用的是一个原综合性演播室的一部分建造的，原有的灯具为菲涅耳聚光灯、天幕灯和二次反射柔光灯。因此，我台虚拟演播室的灯光使用原有的灯具进行布光。在布光时，为避免灯光产生硬影子或造成局部不均匀，在聚光灯、天幕灯、柔光灯上都加上柔光纸，这样还可以使蓝墙与蓝地板的圆弧过度部分比较柔和。在人物布光上，主光使用的是菲涅耳聚光灯，应注意的是灯位的高度，

灯光应经常保持足够高的角度来使阴影落在地面上而不是背景墙上，还可以避免在蓝墙上形成不必要的光斑。在大多数情况下，阴影应该避免落在真实墙壁上，除非虚拟墙与真实墙的轮廓相似。这样可以允许用户制作虚拟演播室比真实演播室深得多的特技。地面上的阴影使观众看到真实的效果，真实物体与虚拟地面天衣无缝的联接了起来。如果真实背景太小，真实阴影被突然剪掉会产生负面效果，小模型技术（例如在边缘多边形上利用透明度）可以帮助使阴影的边缘平滑，有时这种方法可以解决上述问题。图4为我台虚拟演播室布光图。

在虚拟演播室中，抠像效果的好坏，除灯光外服装的选择也同样有着至关重要的作用。播音员的服装要避免与背景相近或相靠，白色或特别浅色的衣服也不宜使用，因为这些颜色不宜抠干净，会影响人物的边缘和背景的融合。

地排的使用是为了增加地面的辅助光。如果没有来自下面的灯光，只能靠蓝背景对灯光的反射来照亮前景物体的下面部分。这将降低键的质量，并且蓝色反射将会影响键的效果，当人物在虚拟场景中走动时，手势的增加，会形成手臂的一面以及人物下巴处会被从地面反射的蓝光所覆盖。这些蓝色区域会被抠透。地排的使用能消除这些弊端，还可以提高人物走动时脚底的亮度，消除阴影。另外过多的蓝光反射在物体上。这种蓝溢出在合成时能去掉，却损失了侧光和背光。

演员及真实道具在蓝室中投下的影子也要随演员及道具一起进入虚拟空间。为了更好地提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝箱的蓝色电平有较大的区别。影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。

6、几个小问题

一是话筒线的问题。建议最好适用无线话筒，如果一定要使用有线话筒，可以将话筒线用同一种蓝漆漆蓝，以避免在使用时，因为话筒线而影响抠像的效果。

其次是提示标志的问题。我们用木料制作了几个半球体（拳头大小），打磨上漆。在使用时，放在地台上可以起到位置提示作用，由于体积不大，上表面又是同色的球面，不会影响抠像的效果。

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另外，在实际使用中，若有几个蓝色道具（比如立方体、阶梯等），可以大大地丰富制作手段，提供更多的创意空间。但这种体积较大的道具也使用木制的话，一是制作结构太复杂，二是分量较重，使用时容易划伤地台上的漆面。可以使用泡沫塑料一次成型，表面用胶与布（或纸）包裹，最后上漆。这样的道具不仅重量轻，而且造价也较为低廉，在电视台的道具处就可以制作，更换十分方便。

键控技术的数字实现与发展

我们知道传统视频领域中的键控技术的本质就是应用视频开关控制图象的尠抠和填。抠就是利用前景物体轮廓作为遮挡控制电平将背景画面的颜色沿该轮廓线抠掉，使背景变成黑色。填就是将所要叠加的视频信号填到被抠掉的无图象区域，而最终生成前景物体与叠加背景合成的图象，如图1所示。在这个处理过程中，依赖于前景物体所产生的遮挡轮廓信号，作为外键信号输入，背景图象中输出像素的键值为0%，而前景物体输出像素的键值为100%。这种传统处理方式存在的缺陷是对于前景物体的软边，比如头发丝，会产生兰色镶边，就是我们通常说的兰溢出（blue spill）。

在早期的视频领域要想很好的解决兰溢出的发生，很好的保留前景图象的细节，或者是针对半透明前景物体作键处理，是一件很难做到的事情。但是在数字视频领域里，由于引入多种数字色键处理方式，使得我们基本上走出了此类困惑。本文将介绍几种数字色键的处理方法，并且与传统方法进行一些比较，希望能使读者可以对数字键控技术有更多的认识。

1传统键控原理

由于人体肤色的原因，传统的键控处理中背景画面的颜色一般选择

高饱和度的兰色和绿色，所需的门控开关信号称为键控信号或键信号，键信号由作为键源的视频信号通过键处理器产生。一个键开关信号在有键信号（键值为100%）的时候背景图像通不过，让前景图像通过，没有键信号（键值为0%）的时候让背景图像通过，而前景图像通不过，根据不同的前景图象视频所获得的，并因此控制视频切换开关的键信号的频率，大约在几十Hz--几MHz。如此一个模拟色键处理的结果即是我们通常所说的扣像。

图2 为传统键控处理原理示意图。

传统键信号波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，在合成输出图像时

前景物体与背景画面的分界处有锯齿、抖动和突变现象，使人感到生硬和不自然，还存在分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等现象。另外，对于自然景物中的半透明物体作为合成图像前景图像时，其后面的背景图像应该是部分地透明，但是在传统色键处理时，任何瞬间其键信号所控制的视频切换开关不是接通就是断开，键信号只有两种取值，不是高电平就是低电平，因此传统色键合成图像中前景图像不是全透过就是全不透过其后的背景图像，这与我们日常见到的自然景观是不同的，效果十分生硬与缺乏真实感的，我们称之为硬色键。在硬色键中，键信号为高电平时视频开关接通，前景图像全透过其后的背景图像，键信号为低电平时视频开关切断，前景图像全不透过其后的背景图像。

2数字视频领域的键控技术

数字色键主要使用数字格式的视频做键处理，而不是建立一个新的技术概念。首先分别介绍数字键控处理中涉及

的相关概念及技术。

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2．1相关概念

（1）深度键（depth-key）

深度键不是键技术，它根本是解决主持人与三维虚拟场景的前后遮挡关系，以确定键或非键。

深度键的概念是由三维实时虚拟演播室技术引入的，与传统的键控技术不同，目前市场出现的三维实时虚拟演播室产品中，合成图象的真实性主要表现在可以产生一个纵深方向的信息（即Z轴方向的参数值，称为Z值），它不象二维处理时所用的层技术，是一种基于三维画面的混合技术，称为深度键（depth-key）。

虚拟演播室的出现，对传统色键技术提出了更高的要求，为了使同一节目中的主持人、实物道具和虚拟背景之间可以相互动态遮挡，实现主持人在虚拟或实际物体后方或前方行走，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄象机到每个像素的距离。使用传统的色键技术，将主持人从兰色幕布中提取出来的同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出色键的深度值。深度键发生器有两种：一种是将物体分成有限数目的分层级；另一种是将像素分成等级的像素级。在分层级深度键中，物体被分别归类到数目有限的几个深度层中，因此演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。而在像素级深度键中，构成虚拟场景中的每一个像素都有相应的Z轴深度值。因此演员在虚拟场景中的位置可以连续变化。

目前，获得深度键的方法大致有两种：一种靠近似判断的方法得出。它是用近似的方法判断出前景主持人和摄象机的相对距离，并且用这个值作为整个前景的深度值。如果主持人移动，那么这个值也将改变。

通过对合成画面上每个像素Z值的计算和实际内容的需要用手控方式决定前景主持人和虚拟背景的相对关系，这种方法实现起来比较容易，缺陷是逼真度差，而且对主持人的要求较高。另一种获得Z值的方法是采用自动主持人跟踪系统。它主要是由一个固定在主持人身上的红外发射器和一套安装在演播室墙上的红外接收装置完成。它可以准确定位出主持人的三维位置，自动识别主持人和虚拟背景的相对位置关系。

(2)数字色键

数字色键与模拟色键的最大不同在于它可以在数字领域的1千6百万种颜色中任选一种，这1千6百万种颜色得自计算机的32位机器字长，其中有8位专门用于表示每一种颜色的256种明暗（灰度）变化（即下文提到的ALPHA 键），另外的24位可以表示224种（约为1千6百万种）颜色。当然这是由计算机的处理能力得出的，并不代表自然界真实存在的颜色，有很大一部分为非法色。模拟色键在做扣像时，可以不分级的连续选择无数色作为键出色，通常选择高饱和度的兰或绿色。高质量的数字色键针对画面的三个分量（Y，B-Y，R-Y）的每一路进行处理，并分别产生一个线性键。这种将一个色键分为三个键来处理的方法，可以允许保留更多的图象细节。

由于色键处理是针对背景画面的某一种颜色分量进行键出覆盖，因此键源信号的质量高低决定了键信号的质量。为了对色度信号做尽可能细的区分，带宽的保证是必不可少的。众所周知，模拟或数字分量的NTSC或PAL制全电视信号的带宽为6MHz，而在ITU-601数字分量演播室标准内，采用对Y，（R-Y），（B-Y）3个信号分量分别编码的方式，

取样频率为13.5 MHz，取样结构为4：2：2，假如以10bit 作为量化比特数，其编码后的总码率R=10*（13.5+6.75+6.75）=270Mbit/s。

通常，信道带宽至少是数码率的0.5至1倍，数字化后的信号带宽就达到了（67.5--135）MHz（只有精彩文档．实用标准文案

Y时）或（135--270）MHz。即使经过数据压缩之后，其带宽仍远远高于模拟或数字分量信号。因此，ITU-601数字分量演播室标准就为色度提供了更大可用的带宽。使得数字色键产品可以得到比模拟色键产品好得多的质量。但是数字色键也有它自身不可克服的缺陷，那就是由于数字图象的压缩，哪怕是极轻微的压缩，都有可能导致键错误的发生。尤其是在DCT分块处理的边界处。在新的数字电视标准中，已经将键信号规定为彩色图象除了Y，（R-Y），（B-Y）的第四个分量，其采样结构为4：2：2：4或4：4：4：4（此时为R，G，B处理），采样频率为13.5MHz。

（3）柔化键（Soft-key）

在数字键控技术领域，提到柔化键，一般包括两层含义。一种是针对传统开关切换的硬色键而言的软色键，其键信号波形是与前景图像透明度相关的斜坡形（梯形）信号，键信号在上升和下降期间有一定的斜率，能够在很大程度上克服硬色键非0即1的缺点，软色键中将用于硬色键的脉冲门控混合电路改成了线性混合电路。还有一层含义是指在一些数字色键处理过程中，为了得到精细逼真的画面效果，而将处理模块细化，比如Primatte色键处理软件，在处理兰屏前的物体与背景叠加时，将处理过程细分为背景彩色分量处理、柔化键彩色分量处理（针对前景物体的透明或半透明部分进行）、兰色溢出彩色分量处理与前景彩色分量处理。四个过程分别进行，然后再合成。此时的柔化键，已经是特指对前景物体的透明度所进行的软件运算了。

（4）线性键（linear-key）

线性键是在柔化键中软色键技术的基础上发展而来的，它借用了计算机图象处理软件中的ALPHA通道分层技术的精髓，通过对键信号的分级来均匀地混合前景与背景。采用线性键技术合成的图像，可以根据前景图像的透明度线性成比例地透过背景图像，因此也被称为ALPHA键。

线性键是具有半透明混合效果的键控特技，其键信号决定合成图像中前景图像（填充信号）后背景图像以什么样的透明度可见，即键信号根据前景图像的透明度而线性地成比例地决定前景信号与背景信号的合成比例或混合程度。线性键的数学模型可用下式表示：

VOUT = VF * K + VB *（1 - K）

其中VOUT为前景（填充）信号和背景信号合成后的输出信号，VF 为前景信号，VB背景信号，K为键信号，K值取值范围为大于等于0而小于等于1，从该式可知，当K=1时，VOUT = VF ，此时线性键的合成输出就是前景（填充）信号，这种情况称为完全叠加。当K=0时，VOUT = VB ，此时线性键的合成输出就是背景信号，这种情况称为完全不叠加。当大于0而小于1时，线性键的合成输出为前景（填充）信号VF 和背景信号VB按照K值所决定的比例进行合成以后的图像，合成图像看上去是半透明的效果，透过前景可以看到背景，透明度的大小取决于键信号K的值。

从上述表达式可以看出，线性键并不是作完全的相加混合，在前景（填充）信号为半透明的情况下，要看到背景画面，必须削弱前景信号，这样势必会损失图象细节。实际上，当K=0或K=1时，线性键就工作在硬色键方式，但反过来硬色键却不能达到线性键的效果，因为硬色键的键信号K的值只有0（低电平）和1（高电平）两个值，所以硬色