浅谈虚拟天气节目演播室技术及构建

孙志清 李想 彭卫红

摘要：经过多年的发展，虚拟演播室技术已逐步应用到了气象影视节目的制作中，也渐渐成为了大家丰富气象节目的重要手段。本文结合广东气象影视宣传中心高清虚拟演播室系统建设，对虚拟演播室的工作原理，系统构成，功能增强，系统安全等方面做了详细的介绍。

关键词：虚拟演播室；气象；跟踪；场景渲染

中图分类号：TN948.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0215-03

随着3D、新媒体技术的迅速发展，大众对视频节目的观赏水平不断提升，传统意义的抠像节目已很难满足受众日益增长的生活需求。气象预报节目作为公共气象服务体系的重要组成部分，想要在越来越激烈的市场竞争中占据主动权，更好更多的提供气象服务，急需在节目的形式和质量上下功夫，为气象节目的口碑和公益及经济效益做贡献。

三维虚拟演播室技术可以为观众提供更加逼真的视觉效果和场景空间感，摆脱了传统天气节目拍摄中使用色键简单抠像存在的诸多限制（主要是失真问题）。通过将摄像机现场拍摄主持人活动图像与三维虚拟物体图像进行数字化实时合成，主持人能够与虚拟天气预报演播室及模拟天气环境同步变化，实现了物理上难以具备的超过人们想象的充满立体感和强烈视觉冲击力的画面，大大增强了主持人讲解天气的生动性，也使得气象节目更加丰富，更具趣味性。

1 虚拟演播室技术原理

虚拟演播室的工作原理是将摄像机拍摄到的以绿箱/蓝箱为背景的人物、景物通过适当延时后，送到色键器作为视频画面；同时通过摄像机跟踪系统将采集到的摄像机运动参数、演播室空间位置等信息传送给图形计算机，然后图形计算机根据摄像机运动参数生成合适的虚拟背景画面和遮挡信号；并按照遮挡信号提供的关系，将视频画面与虚拟物件进行色键合成，使人物、景物与虚拟物件能够同步变化，而且摄像机镜头也可自由运动，从而达到拟真的完美图像。系统架构图见图1。

2 虚拟演播室构成

完整的三维虚拟演播室大致可以分为三个部分：摄像机跟踪系统、场景渲染系统以及色键合成系统，配合常规的灯光设计及音频系统来完成虚拟演播室的制作。

2.1 摄像機跟踪系统

传统绿箱/蓝箱演播室并不考虑摄像机运动的参数变化，仅仅是将背景与主持人“粘合”在一起，一旦主持超出预设的位置即会发生穿帮。但虚拟演播室不同，它需要时刻保持主持人与虚拟物件的同步。这就需要摄像机跟踪系统去获取摄像机在演播室的空间位置（x，y，z），运动参数（Pan、Tlit、Roll）以及镜头参数（FOV），判断摄像机与主持人及虚拟场景的位置关系，从而实现虚拟物件、场景与主持人的绑定。

主流的摄像机跟踪方式有三种，分别是红外线跟踪（IR）、网格识别跟踪（PR）以及机械传感器跟踪（MS）。

2.1.1 红外线跟踪方式

利用红外线收发装置判定主持人与摄像机在演播室的位置关系。

这种跟踪方式使得摄像机可随意移动，实现360度的拍摄扇区，如果在主持人身上添加红外线装置，还可识别主持人的景深参数，实现虚拟物件的自动遮挡。当然，缺点和不足也很明显：跟踪精度相对较低，特别是无法捕捉摄像机镜头的运动状态，不能独立完成整个动作的跟踪。

2.1.2 网格识别跟踪方式

在演播室绿箱/蓝箱上涂上与色键颜色相同、明暗不同、线条粗细不等、线距分布不均匀的网格线，计算机通过根据摄像机摄取的网格图像，采用一定的数学算法，实时计算出摄像机的运动状态和参数。

这种方式的优点明显，即无需对摄像机、云台等设备部件进行改造，安装调整简单便捷，同时摄像机的移动也很自由，无需镜头校准，定位的时间也很短。但制约条件也多：为了保证跟踪的精度，画面中必须出现足够的网格信息（至少包含三横三竖）；摄像机还需保持合适的角度，不能垂直或平行拍摄网格画面；对色键器的质量要求高；对灯光布置要求严格，要求布光均匀等等。

2.1.3 机械传感器跟踪方式

是最为传统的一种跟踪方式，通过在摄像机镜头和云台上安装传感器和相关电子设备，将摄像机的运动和镜头参数通过串行接口传送到图形渲染工作站，实时生成随摄像机运动的虚拟场景画面。

机械传感器的精确性是最高的，系统也相对简单。但安装较为繁琐，除非使用摇臂或机器人，不然摄像机机位只能固定，镜头自由度较低。

综合来看，不管运用哪种技术，根本功能是一样的，都是通过特定的设备和算法获取摄像机以及镜头的参数。大家可通过比较3种主流的虚拟演播室传感跟踪方式，结合自身的拍摄需求，选择一种，或者混合应用的解决方案。

2.2 场景渲染系统

在普遍高清制作的大背景下，渲染系统必须具备强大的渲染能力。硬件配置自不必说，随着计算机技术发展一直是水涨船高。

在软件上，国内外很多公司都有相应的解决方案。以挪威维斯有限公司的Vizrt为例，功能实现可通过软件的模块化组合。基本的配套软件除了核心的Viz Engine实时渲染引擎外，至少还配有Viz Artist设计工作站与Viz Trio播控工作站。

Viz Artist是一款用于3D图像实时创作的软件，除了具备三维动画设计工具和丰富的插件包外，还支持3ds Max、Maya等多种三维建模软件的场景源文件。设计师可在Viz Artist中自由发挥创作节目需要的三维虚拟场景和物件动画。创作后的三维场景和物件可直接在Viz Engine上播出。另外，在Viz Artist内部还可进行编程，用于实现二维、三维元素、数据以及文字的外部替换，对于日常变更图表、数据可视化产品需求较多的气象影视节目来说，可极大的提高播控效率。

Viz Engine实时渲染引擎作为场景渲染系统的核心。每台Viz Engine均支持SDI信号和IP码流的实施输入输出，可将Viz Artist中的三维场景和物件进行实时转换，生成高清、4K及更高级别的画面输出。同时，将摄像机的运动信号、镜头参数、空间位置与场景信号相结合，可达到真正的摄像互动。Viz Engine工作流程图见图2。

Viz Trio播控工作站通过网络连接，可对一台或多台渲染引擎进行播控。播控采用串联单控制方式，具有强大的模板功能。设计师可通过Viz Trio播控系统对测试场景的实际输出进行测试；当天编导和制作可将设计师设计的模板进行素材信息编辑，并自定义保存，自由组合成适用于当天的节目串联单。播控操作界面风格类似于字幕机，真的做到了灵活、高效、安全。

2.3 色键合成系统

这里所说的色键合成系统，其实就是传统的色键器加上高性能的图形工作站。在经过色键抠像处理后，视屏信号输入图形工作站和事先做好的虚拟场景合成输出。

相对于传统演播室，虚拟演播室内主持人可能会频繁的运动，对于抠像的要求就更高了。推荐使用久负盛名的Ultimatte 11实时高清色键器，Ultimatte 11采用先进的4：4：4：4图像处理技术，可提供更加优化的蒙版控制，因此用户可轻松将主体从背景当中精确分离出来。此外，它还能为用户提供蒙版修正功能、直接和间接灯光功能、溢出抑制工具、边缘修整控制等，所有这些实用功能均可实时操作并生效。

但如果从简化系统结构，方便日常操作的角度来说，大家也可以选择软件抠像。

3 虚拟天气节目演播室的功能增强

虚拟技术的发展，势必是为了更加接近于真实的视觉体验，除了在场景设计、内容策划等软实力上做努力外，在硬件上我们也可以做以下的升級：

第一，使用摇臂。气象节目的天气形势讲解多需要地理图形做烘托，摇臂在传统的三脚架和云台功能上增加了升降功能，可以使镜头在运动时更加“夸张”，借此拍摄出宏伟、大气的场面，更加突出气象要素，大大增强节目的观赏性。

第二，运用摄像机器人。摇臂需要专业的摄像师全程拍摄，对工作人员的专业性要求很高。引入摄像机器人纳入虚拟演播室系统，可大大降低对专业人员的依赖。通过对节目的策划，对镜头的固化，完全可设计出可行的日常节目业务化镜头运用模板，大大提高气象影视节目的制作效率。

4 虚拟演播室制作安全考虑

播出安全是影视从业人员的生命线。相对于传统演播室而言，虚拟演播室系统复杂，涉及的软硬件设备也更加的多。这要求整个演播室系统能方便的应急调整，便于故障的判断和维护，出于安全着想，我们考虑了以下几个方面：

（1）采用多通道独立式的结构设计，结构上采用一对一的通道化方式，解决了共用式设计可能带来的前后景切换延时问题。同时，任何一个通道的故障不会影响其它通道的正常输出，安全系数大大提升。

（2）为每台摄像机配置单独的返送监看信号。虚拟演播室多配备摇臂甚至机器人机位，摄像师面对的是绿箱/蓝箱，需要时刻获取主持人在虚拟场景中的空间环境，才能正确的构图，单独摄像机的返送信号配置是不可或缺的。

（3）两台播控引擎互为备份。平时一台播控工作站控制多个渲染引擎，在一台播控出现故障时，可迅速做切换处理，增强系统安全性。

（4）虚拟演播室系统采用主备双通道工作方式。正常情况下，主路作为播出通道，备路作为预览通道监看待播机位合成效果。同时主备路还可以通过二选一切换开关直接输出。当主路出现故障时，可在切换台上快速切换备路信号。

5 结语

虚拟天气演播室技术不仅提高了气象影视节目制作的效率，拓宽了气象节目制作者的创作空间，丰富了节目的表现形式，同时也大大降低了气象节目的制作成本。相信随着计算机多媒体技术和图形图像处理技术的发展，虚拟技术会愈加强大，在气象影视节目中的应用前景也会越来越广阔。

参考文献

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[2]梁骥.数字化虚拟演播室技术分析与研究[A].电声技术，2013，（6）：10-16.

[3]陈丽娜.高清直播虚拟演播室系统的技术探讨[J].影视制作，2012，（8）：78-82.