虚拟演播室的应用技术浅析

赵海城，王 伟，李志霞，邹德伟，于 静

（辽宁省朝阳广播电视台，辽宁 朝阳 122000）

虚拟演播室的应用技术浅析

赵海城，王 伟，李志霞，邹德伟，于 静

（辽宁省朝阳广播电视台，辽宁 朝阳 122000）

简要介绍虚拟演播室系统设计原理、特征及技术特性，分析影响虚拟演播室应用的关键技术和使用中出现的问题。

虚拟演播室；应用技术；渲染；色键；蓝箱

虚拟演播室技术因其虚拟场景的特点，可随心所欲地创意和实现演播室静态和动态场景设计，缩短了电视节目制作周期，提高了演播室利用效率，比较适用于中小型电视台的节目制作、包装需求。本文以辽宁省朝阳广播电视台为例，简要介绍虚拟演播室的应用技术。

朝阳广播电视台于2010年搬迁进入新广电大楼，由于新大楼新闻演播室面积狭小，要承担多档新闻节目的录制，更换大量实景道具费时费力，节目制作不能达到最高效率运转。综合以上因素，我们经过充分论证，决定搭建虚拟演播室来满足节目制作需要。

该虚拟演播室项目从场景设计到搭建投入使用仅用了20天左右，实现了新闻节目用虚拟演播室录制、所有新闻背景均由虚拟背景合成的要求。除了三档新闻节目以外，其他包装类节目也在本演播室录制，即每天要调用多达10档不同的三维场景，利用率大大提高，它已成为朝阳广播电视台节目制作的一个新亮点。

1 工作原理及流程

1.1 原理说明

虚拟演播室是以计算机三维动画“虚拟”出的场景取代道具实景，现场布景由蓝箱取代，摄像机拍摄的画面只是图像的前景，背景则由相配的图形工作站产生。其优点是灵活，可以做出现实中无法搭建的背景效果，节省空间，不同栏目可共用同一演播室而不必更换景片；缺点是前期投入的工作较多，灯光设计师需要考虑最终合成后的画面效果，而非习惯上的所见即所得，主持人的即兴发挥也会受到一定限制。

这里以蓝箱加机械跟踪方式来简单介绍虚拟演播室系统的工作原理。

（1）摄像机进行前景信号（在蓝箱中活动的主持人等）的拍摄。见图1。

（2）摄像机跟踪器将摄像机的平摇、俯仰、推拉、升降、移动等动作，转换为传感器信号，通过数据线传送到虚拟演播室三维渲染引擎。

（3）摄像机拍摄的前景信号通过SDI输出，传送到色键器的前景信号输入端。

（4）渲染引擎根据数据线传送来的传感器信号进行数据分析，映射到设计好的三维场景中的虚拟摄像机上，转换为相应的平摇、俯仰、推拉、升降、移动等动作，使输出的图形背景根据前景的变化同步作相应的透视变化。渲染引擎实时渲染出随镜头运动的三维虚拟场景画面，并将渲染画面信号分别以一路视频填充信号和一路键信号的方式通过SDI输出，发送到色键器的背景信号输入端和键信号输入端上。随着摄像机的运动，渲染引擎根据设计元素定义以及主持人在三维场景中的空间定位，计算出的位于主持人与摄像机之间的这一部分虚拟场景的键信号。通常所说的“垃圾遮挡”（常用于遮挡演播室上空容易穿帮的灯光设备等）也是由键信号来完成，从而实现无限蓝箱的概念。

（5）色键器将摄像机前景信号中的蓝色部分抠掉，将填充视频信号根据键信号的键值分层填入到前景信号中，合成最终信号，送给视频切换台。见图2。

1.2 工作流程

（1）无论《朝阳新闻》、《新闻今报》等新闻栏目或其他栏目，均按照尺寸设计三维虚拟场景。

（2）操作员在虚拟演播室中，对摄像机跟踪进行调整，使之与三维场景中的背景、虚拟新闻演播桌、主持人手的放置位置等定位对应。

（3）节目录制或者播出，通过装在摄像机上的传感器跟踪信息实时传递给渲染引擎进行位置跟踪，并通过色键器合成画面，最后反馈给监视器，调整信号给总输出。

2 特征及技术指标

应用虚拟演播室录制节目时，由演播室中的物理摄像机拍摄节目主持人，由计算机中的虚拟摄像机生成场景，二者通过色键技术合成。当物理摄像机作推、拉、摇、移和机位切换等取景和构图变化时，虚拟摄像机镜头下生成的场景也必须同步实时地发生完全相同的取景和构图变化。由于是两个不同类型的摄像机同步工作，共同实现节目的拍摄，需要处理好以下几个技术细节：

2.1 初始化定位

要让物理摄像机和虚拟摄像机的取景和构图变化完全相同，首先必须使二者的初始机位参数、镜头参数、变焦镜头参数完全相同。定位方式应是物理摄像机对虚拟摄像机作直接的自动初始化定位，而不应在摄像机前面设置任何标志，或限定物理摄像机的架设位置和主持人的位置，也不应做任何的手工测量和计算。在演播室蓝箱前面选择架设好摄像机后，应即刻由计算机自动完成多个机位的初始化定位并开始工作，不应有任何复杂的调整和限制，随架设随使用。

2.2 跟踪

跟踪要有较高的灵敏度、频响，跟踪速度要快，稳定性要高。当物理摄像机镜头下的前景画面有任何视觉上的微小变化，或其做快速的小幅度来回反复平摇、俯仰、变焦等取景变化，或做快速的大幅度平摇、俯仰、变焦等取景变化时，或由任意运动镜头变为静止镜头时，虚拟摄像机镜头下的场景画面应实时同步地发生与其相同的变化，而不应有任何的迟钝、错位、抖动、闪烁、打滑或飘移现象。

2.3 色键

色键应对灯光无苛刻要求，对蓝箱无苛刻要求；应在同一参数下实现同时色键出头发丝、阴影、半透明体、亮蓝色、烟雾、柔和自然的轮廓边缘和正确的肤色还原；对任意节目主持人、场景和不用刻意布置的灯光环境，开机后只需一两秒时间就可自动调整好色键参数开始拍摄；色键应具有存储和记忆功能，随调随用。

图1 摄像机前景信号

图2 渲染合成信号

3 操作界面及性能要求

为了提高场景中三维网格物体的渲染效率并保证系统稳定可靠，虚拟演播室一般都采用渲染工作站和操作控制协调工作的方式，操作界面及性能要求如下。

（1）操作界面应集中控制，一套鼠标键盘，不需识别物理设备。

（2）场景中的诸视觉元素，如贴图、动画、视频、特效等素材应导入方便，分类清晰，可随时调用和更换。

（3）场景中三维物体的运动轨迹、旋转、缩放、变形等功能的建立与编辑，特效、灯光、视频等所有操作应支持在线拾取和可视化编辑。

（4）动作和事件统一的时轨逻辑排序，既可按预先设计好的流程和时序自动播出，也可手动干预自动与手动结合播出，也可以边编辑边播出。

（5）支持多个场景同屏实时渲染，方便地实现不同场景的任意组合与各自动作设置的二次创作。

（6）四视图界面设计，与3D MAX风格一致，使三维场景中任意视觉元素的空间位置关系和透视关系准确无误，编辑调整精确方便。

（7）应有自动无限蓝箱功能：允许摄像机作360°平摇；当取景超出蓝箱时，蓝箱以外的垃圾色块不被色键进入合成画面，任意灯光布置情况下有限蓝箱和无限蓝箱间不应存在过渡痕迹。

（8）应具有多机位预监功能：即一个机位被输出时，操作界面上能实时显示另一机位的合成效果；当预监屏上多机位切换时，节目输出机位的图像不受影响。

（9）应支持视频实时采集与存储功能，便于实现外视频在任意物体表面播放的精确控制。

（10）应支持对节目制作的提前设计、编辑和调试，以文件形式存储，拍摄时随时调用。

（11）整个系统应至少在一天内可连续进行编辑、设置、添加字幕和存储调用等各种操作，保证输出无丢帧、无黑场、不死机。

4 虚拟演播室的系统构成及作用

朝阳广播电视台虚拟演播室系统构成组件及其作用如表1所示，系统方框图见图3。

图3 系统方框图

表1 系统构成组件及其作用

5 搭建中遇到的困难及解决办法

5.1 声画不同步问题

由于渲染引擎需要实时处理大量的数据，导致整个系统链路中的视频有延时情况，这就需要音频系统也要做相应的处理，为了能够准确地体现主持人口形和声音的一致性，经过反复计算、论证，并在实践中校正，最后得出视频有5帧延时，相应地将声音延时200 ms，可以保证声画的同步。

5.2 虚拟演播室的布光问题

在虚拟演播室建设中，最初将蓝箱中的灯具设计得较多，调试后发现较多的灯光反而造成局部高光区，光线分布不均造成了阴影区，结果导致色键抠像不干净，主持人脸部有明显的轮廓线条。

在实践中逐渐发现，虚拟演播室和传统演播室的布光有一定区别：虚拟演播室蓝箱要求光线分布必须均匀，不允许出现高的亮斑，主持人前景与蓝箱背景照度必须相匹配、色温必须达到一致。因此，采用了三基色冷光源灯具，有效地保证了布光的均匀、柔和，且交叉阴影小。冷光源灯管采用飞利浦原装进口件，有效地保证了光源色温和摄像机的色温一致，从而保证了良好的色彩还原效果。

灯具供应商建议不加主光源，因为如果使用不当，可能造成实际光与虚拟光不一致，主光源在蓝箱上产生投影会影响渲染机的图像处理。采取在主光方面加双主光源的方法，巧妙地避免了这种情况。当然，光源必须采用三基色柔光灯，灯光比正常演播室布光角度降低5°～8°，另外远距离加地排光进行正面侧45°角补光，加侧光、侧逆光抵消一部分主光，体现出主持人空间以及轮廓，这样既保证了主持人面光，又合理地使用侧光、侧逆光，加强了画面的景深，增强了三维立体效果，也满足了虚拟演播室的布光要求。

5.3 主持人脸色偏蓝，色彩保真度不够

搭建新演播室初期，经过渲染机渲染合成的主持人面部色彩保真度不够好，颜色偏蓝，色彩饱合度差，而不经过渲染机直接输出的图像却一切正常。经过查找原因，首先更换色键器，选择了一种质量及指标比较好的色键器，然后调整色键拐点、色相位、噪蓝控制、对比度、灰度等控制参数，并对参数进行控制比对。通过逐天比对调整参数记录，对图像较理想的参数划定区间，记入技术档案进行备份，最后达到理想效果。

5.4 蓝箱维护以及道具制作问题

蓝箱的品质决定了抠像的效果。每天大量使用蓝箱很难保证蓝色地面的干净，由于没有条件购进德国进口的专用抠像地毯，只能在市面上买一种专用的透明胶毡，既便宜、透明又不易磨损，踩上鞋印后容易清除，便于维护。

考虑到场景中要放置一些真实的道具，专门制作了轻便的蓝色桌子。声音采集尽量采用无线话筒，如果确需有线设备，也专门添加一些蓝色护线套，这样传输线就不会体现在画面里。

6 结束语

朝阳广播电视台虚拟演播室的搭建中，在场地、资金和技术等方面都提出了很大的挑战，大家一起攻坚克难，最终圆满地完成了各项任务。该工程达到了现代电视节目制作的要求，不仅为电视台节省了人力、物力、财力等大量制作成本，而且培养了一支具备设计和应用开发能力的高素质技术队伍。

（编辑 张冠华 张 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

赵海城，辽宁省朝阳广播电视台技术中心高级工程师，从事电视视频技术、EFP技术、演播室设计与搭建、设备维修及维护方面工作及相关理论研究。