虚拟演播室技术及制作流程综述

虚拟演播室技术及制作流程综述

[作者：派格太合环球传媒投资有限公司陈研]

虚拟演播室（Virtual Studio）是近几年来兴起的新一代视频制作设备，相对于传统的演播室系统，它具有制景费用低、更换布景方便、便于发挥主创人员的创意的特点，特别适合中小型的播报类和访谈类节目，给电视台和中小型影视制作机构的低成本演播制作带来深刻的变革和广阔的应用前景。

传统演播室的节目录制经常使用色键抠像技术，将在蓝背景前录制的前景画面（如播音员、主持人）与背景视频画面经色键器合成，产生所需的节目画面供播出或录制。由于前景和背景的图像没锁定，摄像机运动时，背景无法随之变化，造成前景播音员在背景上漂浮。虚拟演播室可以产生与摄像机的运动同步移动的背景，使演播室抠像技术产生重大进步。

一虚拟演播室技术特点

1. 虚拟演播室系统构成

典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数拾取、计算机图形发生器、图像合成设备和图形处理软件组成。

在蓝背景中的演员由前景摄像机拍摄。摄像机在演播室中的空间位置参数，摄像机的倾斜、转动、翻转运动参数，摄像机镜头变焦、聚焦等设置参数被送入计算机图形发生器中，实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。然后，前景图像（包括演员和真实场景、道具）与计算机生成的背景图像通过色键控制器合成。输出的图像可以直接播出或记录在存储媒介上。

2. 虚拟演播室关键技术

虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和色键技术等

（1）摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和运动参数，这些参数提供给图形发生器对保证前后景之间的联动和前后景之间的遮挡关系、实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定是必须的。目前，摄像机跟踪技术主要有图形识别和机电传感两种方式：

a. 图形识别法

图形识别实际上是一种"运动估测算法"，它可以对运动画面进行精确的计算，获得摄像机的各项运动参数。实际应用一般采用有浅蓝色网格图案的深蓝色背景板，拍摄时，系统会对网格进行定位追踪，通过对每幅画面中许多像素点亮度信号进行计算，可以得出画面的移动和比例的变化，用这个测量值和运动参数建立一个关于像素子集的联立方程。为了减少计算误差，可以一个基准帧为基准对每幅画面进行计算。

b. 机械传感法

基于机械传感器的摄像机跟踪系统最精确，传感器安装在摄像机三角架、底座、升降摇臂的摇摄轴、俯仰轴上和镜头的变焦、聚焦环上以及滑轨推车上。它采集摄像机位置和透视数据，编码量化后通过RS-232端口或RS-422端口传送给图形发生器。

图形识别方式和机械传感器方式各有其优缺点。

图形识别方式的优势在于：不需要对摄像机进行改造，无需镜头校准，便于摄像师操作，摄像机可以不用轨道进行移动；一个跟踪器可同时用于多个摄像机。其不足之处在于：要对每幅画面进行大数据量分析和计算，对前景图像加配视音频延时器，加大了视频延时量；为了精确的跟踪，必须使网格图案保持清晰，这使得摄像机景深范围受到限制，摄像机的焦点必须始终保证在网格上，主持人有时会显得模糊；只有当画面中含有一定数量的网格图案时，系统才能进行测量计算，使得演员的活动范围受到一定的限制，无法拍摄一些特写镜头；由于背景有深浅两种蓝色，对演播室布光要求比较严格，对色键器的质量要求很高。

机械传感方式可以弥补上述图形识别方式的不足，摄像机参数测量的精确性和稳定性好；数据处理延时量小；演员在蓝色布景范围内的活动自由度大。其缺点在于：摄

像机运动范围和轨迹受跟踪器工作范围约束，移动不便；定位、镜头校准过程复杂。由于镜头上要安装传感器，摄像机的类型受到限制，必须是ENG/EFP式。

从实际应用看，采用机电传感器方式的虚拟演播室系统多于图形识别方式的系统。

（2）虚拟场景设计与生成

虚拟演播室中的场景、道具通常由计算机产生，可以实现常规演播室中不能做到的更大的空间背景和现实生活中不可能见到的景观。虚拟场景可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机三维软件及材质创作的二维或三维图形。随着PC机的计算能力、绘图能力和视频处理能力的极大提高，当前的艺术导演可以采用更开放的平台及软件例如softimage、Wavefront、Alias或3dmax建立三维场景。

虚拟场景按照是否实时读取场景源文件并对源文件实时渲染，可以分为三维虚拟演播室与两维半虚拟演播室。

两维半虚拟演播室是指在三维建模环境中(如3DMAX、Softimage、Maya、

Alias/wavefront等)提前渲染成一张特别大的广角位图做为虚拟场景，其图像的水平和垂直清晰度应不小于1024像素值。将该图片安装到系统主机中，合成场景时根据摄像机镜头的运动状态对图片进行处理，选择图片的一部分与前景进行合成，同时场景中加入一些三维的小物件和遮挡物体，增强场景的真实性。而三维虚拟演播室是指虚拟背景由计算机在场景合成时实时渲染。采用这种方式建立三维模型中的虚拟摄像机受演播室中的摄像机运动参数控制，当真实摄像机的镜头或位置参数变化时，虚拟摄像机同步变化，并实时(50场/秒)生成虚拟背景图形。

二维半采用事先不限时地进行渲染生成背景和遮挡掩膜的图片文件，而真三维是读取3D Max、Maya、Softimage等三维建模软件制作的场景源文件。二维半系统的场景生成比较简单，按照摄像机机位的参数对背景图和遮挡掩膜进行处理后生成演播室背景信号。而真三维系统包括场景调度、物体运动、灯光调节、特殊效果调节等模块，功能更为强大。

从场景设计角度来看，由于二维半系统采用事先生成虚拟场景图片，可以设计更精细和更复杂的场景。场景中物体边缘的反走样、光线跟踪、镜头特效等都可以运算得非常到位。通过有效的插值算法，可以保证镜头推拉、俯仰、平摇过程中背景的平稳变化，再加上丰富的大屏幕切换特技、无限蓝箱、深度键等实用功能，可以满足大部分节目制作的需求。真三维系统是对场景源文件实时渲染，场景精细度和复杂度受系统硬件和软件的限制较大，常常不能有反射、折射、特效等等。

二维半虚拟演播室更适用于对实效性要求高的节目制作；而真三维虚拟演播室更适于对镜头灵活性要求高的节目。

（3）蓝箱设计

虚拟演播室中的摄像机所拍摄的是以蓝色为背景的主持人画面，其全部蓝色区域将被合成到计算机三维软件生成的虚拟场景中。

虚拟演播室的摄像室一般是由一面或多面蓝墙和蓝色的地板组成的“蓝室”，对蓝色舞台没有实际的物理尺寸限制，真实蓝背景的大小可以决定有多少演员在虚拟场景中活动。建立更大的蓝色墙壁或采用蓝色的边墙是得到更大摄像机视角范围的办法。需注意，正面临近的墙角应大于90度，这将更容易打灯光，并且墙壁之间也不会互相反射。当摄像机取远景时，不仅需要播音员身后是蓝色，地板也要求是蓝色的。地板

应该足够大得包括阴影，否则落在真实背景之外的阴影将被剪除。在蓝背景中应采用圆滑的角落，因为对折角打光会非常困难，需要在键控器上进行额外的调整来均匀明暗差异，这也使保留阴影变得更困难。

（4）灯光布光技术

虚拟演播室灯光通常采用三基色柔光灯，这种灯发光均匀、阴影小、发热少、色温恒定而均匀，使主持人肤色自然真实。节目中的主持人通常会有一定的活动区域，因此，对前景主持人布光不能用新闻类节目的定点布光，而必须采用区域布光。传统的新闻类演播室一般都运用三点式布光原理就能满足电视灯光的要求，而虚拟演播室技术采用的是色键器消蓝技术进行抠蓝处理，因此，要消除蓝色对前景主持人的影响就必须树立立体布光的理念。

先前景布光，后蓝箱布光：因为三基色柔光灯发光面积大，对前景主持人布好光后，必将在蓝箱上产生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再对蓝箱墙面进行适当补光就能满足色键抠蓝的要求。前景与虚拟背景完美融合的关键在于前景与蓝箱的科学而合理的布光。

在通常情况下，蓝色舞台需要被照得非常均匀。在虚拟演播室中通常用冷光。大多数经常使用的冷光类型是KINO FLO及VIDESSENCE。如果没有冷光，有时可以用蜡纸盖住标准演播室的灯光来代替。建议亮度是120瓦左右。

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。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物体与虚拟地面结合的仿真效果。

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。这将影响键的效果。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。影子的方向要和虚拟空间中的光源方向一致。为表现虚拟背景中地板反光的影子效果，可在蓝室地板上铺设蓝色透明塑料。虚拟演播室中的

影子效果一般只限于地板，但如果要求演员或真实道具的影子投射到虚拟空间的墙壁上，就要在蓝室中相应于虚拟墙壁的位置上放一个蓝色物体以产生这种阴影效果；如果要求影子投射到虚拟空间的不规则物体上，需要在蓝室中用灯光模拟出逼真的影子效果，实际很难做到。

虚拟演播室系统虽然不局限于蓝色，但蓝色有几个优点：一是亚洲人的黄皮肤比较适合在蓝背景下键出；其次，物体周围的蓝色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。

（5）色键技术

虚拟场景不仅有背景，还有前景，如桌子、讲台等，演员甚至可以进入一个虚拟物体中去。画面中真实的、虚拟的物体间的关系比较复杂，要想实现完美自然的叠加，就需要具有特殊功能的高级色键技术，因此，产生了一种被称为Z轴深度键的新技术。目前主要有基于层次级和像素级的深度键。层次级深度键技术将物体分别归类到数目有限的深度层中去，所以，演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。像素级深度键技术把构成虚拟场景中的每一个像素都赋予相应的Z轴深度值。虚拟物体、真实物体和演员可以动态地相互遮挡，从而增加了虚拟场景的真实感。

二虚拟演播室运作流程

下面以《东方夜谭》节目为例子，简单介绍虚拟演播室的运作流程。

1. 主编或策划文案提出节目的制作要求

《东方夜谭》是主持人刘艺伟与现场嘉宾的播报和访谈类节目。编导和美术人员要首先确定出现在虚拟场景里有多少人，接着要确定景别流程，主持人和被采访嘉宾的位置变化即走位方式，进场和收场，镜头切换、特写等。《东方夜谭》为主持人站立播报和与嘉宾座谈设计了两套虚拟背景方案。导演必须就每个镜头细节与虚拟场景设

计者事先沟通，使其充分理解导演的意图。

2. 虚拟设计制作人员用计算机创建虚拟三维演播室

《东方夜谭》使用两维半的大洋VRset虚拟演播室系统制作，这是根据节目类型、制作量、栏目成本、系统使用成本来综合考虑的。根据经验，将虚拟演播室背景制作分为室内风格和全虚拟风格。室内风格类似于建筑室内设计，但有很大不同，因为设计是为电视画面服务的，最后效果要落实到4:3或16:9画面中，要解决主持人和背景主次关系和构图，场景层，色彩关系，虚拟灯光和演播室灯光关系，前景实物搭配关系，甚至要考虑主持人衣服颜色等。在场景层上要考虑实际演播室的透视关系，解决好前景、中景（主持人）的透视关系，在全虚拟风格的虚拟背景设计中尤其重要。另外，画面的协调性也很重要，虚拟背景是为主持人和嘉宾服务的，所以尽量不要喧宾夺主。具体实施上，一般用3D Studio MAX、Softimage 3D、Photoshop和一些高端渲染器等三维或二维图形图像制作软件来创建模型及模型中需要的贴图。

3. 演播室制作和录棚预调整

虚拟场景设计初步完成后，要将场景数据转交给演播室制作人员，通过文件格式转换输入到虚拟主机里。在虚拟演播室工作流程中，先导入虚拟背景，打开棚里灯光，先在计算机内调整虚拟摄像机；先锁定演播事所有的摄像机的空间位置，然后同时进行蓝棚电平增益调整，通过摄像机的传感器将机械跟踪信息传递给虚拟主机来进行位置跟踪和蓝背景键出的工作，最后反馈给监视器，由切换导演来切换镜头完成录制。在演播室制作人员调整时，灯光师，摄像师和主持人替身都在协调工作，同时完成布光，主持人预走位，锁定焦点和景深等各项必要的工序；而主持人和嘉宾一边化装一

边熟悉台词。当所有工序完成时就转入正式录制了。

与传统演播室相比，主持人或演员所处的现场已不再是五颜六色的舞台，取而代之的是一个全部涂成蓝色的房间。摄像师的拍摄对象主体只剩下了主持人或演员，机位的运动效果体现在电脑所建立的虚拟场景中.摄像师和导演分别通过监视器和电脑终

端才能看到，他们与虚拟演播室软件的操作者共同控制整个节目。

与传统后期特效制作相比，虚拟演播室具有“实时键出抠像”和“实时追踪”两大特点，几乎不用生成，键出抠像效果远好于后期软件抠像，在电视节目制作越来越注重效率和成本的今天，满足节目质量又节约工序时间的虚拟演播室技术将发挥更强的作用。

三虚拟演播室技术展望

虚拟演播室技术经过数年的发展不仅在关键技术上有了很大改善，而且还在系统类型和应用领域方面有了较大扩展。

虚拟演播室技术最初只是用于演播室节目的制作，现在它广泛用于体育节目报道及广告制作，出现了以虚拟演播室技术为基础的虚拟和数字重放系统、虚拟广告系统等新技术。

1. 虚拟重放系统和数字重放系统

虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评论节目。它可提供球场、队员及球的动态三维图形画像，同时可连续改变虚拟摄像机的拍摄视点。可部分代替慢速重放，可从各个角度模仿真实比赛的情况，因此呈现在观众面前的将不再是“有争议”的或是难以判断的情况。数字重放系统主要应用于体育比赛的报道及评述节目。它能迅速重放各种精彩场面，在重放时，通过使用先进的视频跟踪技术，可突出显示并自动追踪关键运动员或球，可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。对于观众来说，数字重放系统可使他们更清楚地了解比赛中的每一个细节，从而能更好地欣赏比赛。

2. 虚拟广告系统

虚拟广告系统可在体育节目或文艺节目的直播期间，将演播室制作的虚拟广告牌插入到赛场或表演场地，甚至替换掉场地上原有的广告牌。利用虚拟广告系统有很多优点。首先，在对不同的地区进行转播时，可插入不同的广告，增强广告的有效性，提高资源利用率。另外，赛场上的广告可以不再是静止的，可以将插入的虚拟广告做成动画形式，各种二维或三维的动画广告更能吸引观众的注意力。此外，使用虚拟广告后，广告位置不再局限于场地的边边角角，如果愿意，整个场地都可以放置虚拟广告，广告尺寸也不会有任何限制。而且，虚拟广告可插入到以前无法利用的空间，如水面、沙滩、雪地或高处。

随着数字视频技术、计算机技术的发展，虚拟演播室技术也在不断地发展和完善。虚拟演播室已不仅仅在电视台应用，在气象台、企业、学校也引进了虚拟演播室使其成为一种有力的节目制作工具。目前虚拟演播室技术的应用也扩展到了互联网上，出现了具有虚拟实况和网络重放功能的互联网节目，比如最近的IPTV技术模式可以通过互联网即时欣赏到全运动的三维比赛精彩场面，还可以在互联网上分析关键的比赛瞬间。

摘自《现代电视技术》