虚拟演播室系统在传统教学演播室中的应用

许建平中国人民大学新闻学院 北京 100872



虚拟演播室系统在传统教学演播室中的应用

许建平
中国人民大学新闻学院 北京 100872

摘 要：传统教学演播室中场景实际搭建较为繁杂；在实景制作、实景修改、不同栏目之间的实景更换等方面存在很大的局限性；同时，搭建实景拍摄无法在背景中加入很多动感的元素，整个节目画面比较呆板，无法给予观众视觉上的享受和视觉冲击力，因此越来越多的传统教学演播室内搭建了虚拟演播系统，转变成了具有虚实结合的全媒体演播室。主要阐述了虚实结合的全媒体演播室的特点以及虚拟演播室系统在传统教学演播室中的应用及优势，介绍了虚拟演播室系统的组成以及最新的无轨虚拟演播技术功能简介。

关键词：虚拟演播室系统；全媒体演播室；无轨虚拟演播技术

1　虚实结合的全媒体演播室的特点

在传统教学演播室内搭建虚拟演播室系统转型为具有虚实结合的全媒体演播室，同时将演播室分成若干个相对独立又互相关联的拍摄区域，主要包括传统蓝箱、虚拟图文、实景舞美、互动系统等。虚拟演播室系统可以在传统蓝箱背景前实现虚拟演播室的功能，也能在实景演播室中植入节目所需的三维物件、动画等，并且可以虚拟演播室与实景演播室自然过渡、互动，实现全媒体演播室效果，而且在不改变原有传统演播室结构的前提之下，有效利用演播室的现有景区，通过虚实结合可以更好地提高演播室的利用率，节约成本。

2　虚拟演播室系统在传统教学演播室中的应用

传统的教学演播室只要以教学中实景拍摄为主，在教学中对实景画面制作、不同栏目之间的实景更换、实景修改、在背景中加入很多动感的元素等方面更是存在很大局限性，使得教学人员在教学过程中无法创新，许多新颖的教学创意和拍摄手法无法实现，完成的拍摄作品也是乏善可陈。同时从教学经费有限和防止资源浪费的角度考虑，根据不同的教学要求搭建实景教学演播室会使得工作量增加、材料浪费严重、工作效率降低、不利于消防安全等，因此考虑在传统教学演播室中使用虚拟演播室系统根据不同的教学需要来制作不同的节目成为一种必然和发展趋势［1］。

在传统的教学演播室中搭建虚拟演播室系统，只需占用一小部分空间搭配蓝或绿的背景，设置摄影灯光，把人物的全身或半身景拍下即可。再通过虚拟设备合成，使得前景中的主持人看起来完全置身于计算机所产生的虚拟场景中，且能在其中运动，从而创造出逼真、立体的电视演播室效果。搭建过程中不存在原有设备的报废，演播室原有设备可以利旧，从而节约了大量教育经费。利用有限的资金就将传统的教学演播室转变成在教学中集新闻录制、节目拍摄、课程录制和现场教学的现代化全媒体演播室。

图1　虚拟演播室系统搭建效果图

虚拟演播室系统是一种独特的电视节目制作技术，在近些年得到了飞速的发展。其实质是将计算机制作的虚拟场景与电视摄像机现场拍摄的人物活动图像进行数字化的实时合成，使人物与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面［2］。

虚拟演播室系统具备很高的安全性和可靠性，配备了独创的非破坏性素材库管理功能，可以自动组织分散在不同硬盘中的不同种类文件，从而避免了在使用过程中有可能产生或出现的破坏性编辑，便于使用者整理、应用各种素材文件。在节目制作的过程中，使用者无须移动摄像机，在很大程度上避免了可能由人为因素而产生的“播出风险”。系统还可以通过“多画面预监”模块，为每个虚拟机位的合成信号提供“独立预监”功能，使用者拖动鼠标时，鼠标指针经过可预览摄像机的位置和运动轨迹。这样的功能使得现场切换导演可以先预览到每台摄像机机位的合成信号再进行有选择性的切换输出，有效降低切换盲目性。系统的集成性高、操作简便的特点也极大地提高了系统的稳定性、安全性，能满足用户制作节目的各种需求。在虚拟演播室中无须使用昂贵的摄像机动作传感器，系统采用独有的虚拟摄像机结构，能够轻松地在场景中任意添加360度全角度虚拟机位，可以任意2个虚拟机位间进行切换。实时渲染输出和改变虚拟摄像机位置，还可以方便地编辑场景中摄像机的运动速度和运动轨迹。通过实时地与三维虚拟场景无缝结合，可进行多重虚拟摄像机的显示与切换，同时利用套场景模板，完全能满足不同节目的需求。

虚拟演播室系统集成了色键器、虚拟切换台、三维在线同步字幕系统、下变换转换、阴影特效系统以及镜头生成系统等多种功能。在应用虚拟演播室系统制作时，全部摄像机的推拉、倾斜、缩放、摇臂以及航拍等效果均由虚拟摄像机完成。虚拟演播室系统同样有很强的扩展性，系统核心设备采用插件式结构，具有极好的扩展性，系统的升级、扩展如同搭积木一样方便，增加某些模块功能只需新增一套板卡和“加密狗”即可，且对系统的安全性、稳定性没有丝毫影响。虚拟演播室系统支持Autodesk 3D Studio Max，Autodesk Maya，Cinema 4D等软件制作虚拟场景，支持BPM，PGA，JPEG，PNG，TGA等常用的图像格式；支持创作软件的分层导入；兼容用户原有各种类型的演播室设备等。

图2　虚拟演播室系统处理流程及功能示意图

3　虚拟演播室系统的组成及无轨虚拟演播技术功能简介

3.1虚拟演播室系统的组成

虚拟演播室系统包括：虚拟演播室渲染引擎、虚拟场景/模板设计器（Motion Designer）、虚拟演播室虚拟切换台（virtual camera switcher）三大组成部分。

3.1.1虚拟演播室渲染引擎

渲染引擎充分开发现代图形处理硬件的可编程能力，利用GPU高级编程语言开发的全新渲染引擎，充分利用了GPU在浮点运算、并行运算、高效纹理处理、向量运算等方面的能力，实现绚丽的图文效果；包括以前在CPU上实现的图文处理算法都移植到GPU上以获得更高的效率。系统采用了包括纹理缓存、渲染状态缓存、GPU编程等一系列手段，为图形、图像处理提供强劲的实时渲染动力和强大的渲染能力，充分发挥高端图形加速卡GPU可编程渲染管线特性，渲染能力得到质的提升，能够流畅地运行复杂的虚拟场景，场景非常细腻真实。

3.1.2虚拟场景/模板设计器

虚拟场景/模板设计器是场景内容和模板的设计工具，是为广播级的电视图文应用而专门开发的。包含整套空间设计工具和设计界面的集合，可以为用户提供细致而又友好的设计手段，既能帮助用户快速搭建各种三维场景，又能精细调整每种物体的属性、动作。创作人员还能使用系统内置的丰富模板模型、字幕功能进行创作，也可导入第三方软件的分层文件，为创意的酝酿、产生、保持预留出充足的空间，在短时间内就能创造出质感、光感、动感俱佳的三维虚拟图文场景。

3.1.3虚拟演播室切换台

虚拟演播室包含简单易用的直播切换台，通过预设最大达到8个不同景别，不同角度的虚拟场景机位，只需要通过控制面板上面对应的数字按键就能轻松实现推拉、摇移、上下左右调整、大摇臂等不同效果，不同机位切换过程平稳顺滑，无任何抖、拉扯、拖影等问题，从而实现绚丽多彩的节目呈现。

3.2无轨虚拟演播技术功能简介

在虚拟演播室系统中技术含量非常高的组成部分非无轨虚拟演播技术莫属，其原理为固定摄像机位置无须借助传感器、红外线、网格等外部定位部件，即可实现节目制作过程中镜头推、拉、摇、移等特效。摄像机镜头或演员发生移动时，场景定位不需要使用传感器或网格等其他设备进行测量，从而减轻了操作的复杂性。摄像机的跟踪实现不得有约束条件，能够快速定位，进入节目的制作。无轨虚拟演播技术功能具有真正的三维属性、场景景深、虚拟场景各物体在三维空间中的透视关系。例如，在虚拟场景中的人物可以围绕虚拟物体转圈，而在运动的过程中，人物边缘平滑，无拖尾或者锯齿现象。同时，该技术还支持任意数量的虚拟摄像机位，可以实现多个虚拟摄像机位间的快速切换，推、拉、摇、移，产生大摇臂的运动拍摄效果。值得一提的是，摄像机运动过程的时长可根据教学人员的实际需要通过系统自定义或修改。多种虚拟节目成分能在同帧内完成切换，确保多机位切换时前后景同步、画面平滑、不抖动、无撕裂。在实际使用过程中使用2台摄像机就可实现3讯道虚拟演播室效果。例如，在2名主持人同时录制的状态下，从一台摄像机信号硬切换（或者推拉摇移）到另外一台摄像机信号，或者硬切换（或者推拉摇移）到全景模式（2名主持人），系统仅用2台摄像机就支持2种模式的镜头切换（包括：实时镜头切换、利用推拉摇移特效切换）。

无轨虚拟演播技术可自由升级至机器人有轨虚拟，具有强大的扩展性与灵活的延展性，同时配以强大的色键技术，无须局限于蓝箱或绿箱环境，将给播出画面带来真实自然的效果。

4　结束语

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，它的出现是对传统教学演播室技术的一次重大变革，而且虚拟演播室系统会越来越成熟，最新的无轨虚拟演播技术打破了许多传统教学演播室对虚拟演播系统的条件约束，减轻了教学人员在使用中的操作复杂性。充分发挥虚拟演播室的技术优势，必将会越来越快地融合到传统教学演播室当中，为高校在电视节目制作教学中提供更多的创新与帮助。

参考文献

［1］ 唐坤杰.虚拟演播室项目技术方案［J］.数码影像时代，2012（6）:114-119.

［2］ 张晓晶，李雪梅，黄丽，裴春梅.浅谈虚拟演播室在高职教学中的实践应用［J］.科技信息，2013（21）:274.

Application of Virtual Studio System in the Traditional Teaching Studio

Xu Jianping
School of Journalism and Communication， Renmin University of China， Beijing， 100872， China

Abstract:The traditional teaching studio real scene to build more complicated； there is a big limitation in real production， real changes， real change different between columns， etc； at the same time， building a real locations can not add a lot of dynamic elements in the background ， the entire program picture relatively inflexible， unable to give enjoyment and visual impact on the viewer visually， so more and more traditional teaching studio building a virtual studio system， combined with the actual situation has turned into a full media studio. Mainly expounds the actual situation with the media studio features a full virtual studio systems and applications and advantages of traditional teaching studio， introduces the composition of virtual studio systems and the latest trackless virtual studio technology Features.

Key words:virtual studio system； all media studio； trackless virtual studio technology

收稿日期：2016-03-23

作者简介：许建平，本科，高级工程师。