超高清虚拟演播室系统在广播电视工程中的应用

郑光维

（西藏自治区山南广播电视台，西藏 山南 856000）

0 引 言

超高清视频技术是广播电视技术从模拟、标清、高清向超高清的新发展。超高清视频在视频生产、网络传输、终端呈现、核心元器件及平台服务等产业链发展成果显著。超高清虚拟演播室系统是集合4K/8K超高清视频、虚拟现实、人工智能、计算机图形图像处理、渲染引擎等多种技术的电视节目制作技术。目前，超高清虚拟演播室系统在广播电视工程中有广泛的应用，能够有效解决实景演播室耗费大量的人力、物力、财力问题，缩短节目制作周期，提高演播室的利用率。

1 超高清虚拟演播室系统介绍及发展

1.1 超高清虚拟演播室系统介绍

2022年6月，国家广播电视总局发布《国家广播电视总局关于进一步加快推进高清超高清电视发展的意见》，明确提出加快推进高清超高清电视制播能力建设。虚拟演播室技术是在超高清电视发展的大背景下，将虚拟三维场景与电视摄像机现场拍摄相结合的电视节目制作技术，实现了真实人物与虚拟背景的完美结合。超高清虚拟演播室弥补了真实演播室的不足，打破了时间和空间的限制，能够为电视节目制作提供更加丰富的场景，极大提升电视节目制作的想象空间与制作效率。超高清虚拟演播室系统集虚拟、切换台、调音台、录制等功能为一体，通过内置高品质色键抠像模块与外置色键器，实现切换台、调音台、虚拟图文、PAD控制、自带场景、虚拟前景、图文包装制作以及修改模块等功能[1]。

1.2 虚拟演播室系统发展

虚拟演播室系统（Virtual Studio System，VSS）发展至今，产品已十分丰富，包括三维虚拟演播室、超高清虚拟演播室、云虚拟演播室以及智能虚拟演播室等。以三维虚拟演播室为例，其支持3dsMAX场景导入，支持场景的灯光、反射、抗锯齿、反走样以及阴影、雾化效果，支持模拟多路切换台功能，支持在线字幕的修改以及拍打唱词，支持特技模板以及上千种特技，色键采用GPU加速的软硬件色键算法，支持色键模板任意色彩抠像以及抠像透明键显示，系统广播级内同步，不需要音频延时器[2]。以超高清虚拟演播室为例，其以高质量、高效率渲染引擎为基础，通过GPU+CPU技术，结合实时光线追踪技术，实现超高清虚拟演播室在光照材质、特技滤镜、粒子系统等方面的性能突破；通过HDR/宽色域转换、自绘无限蓝箱、像素特技、4K/8K镜头、传感设备等实现虚拟与现实的完美结合与跟踪效果[3]；支持4K/8K UHD数字信号的输入与输出，并且支持HD/SD信号格式，能够满足广播电视多样化的节目制作需求。以云虚拟演播室为例，其通过云平台部署模式，可选择私有云、公有云或混合云部署模式进行云虚拟演播室建设，通过云资源库为广播电视台提供丰富的三维场景、三维物体、动画模板、资讯包装等。云虚拟演播室实现了编辑系统与播出系统的分离，支持标清、高清、4K/8K等多种输出格式[4]。

2 超高清虚拟演播室系统核心技术

2.1 色键器

色键器是超高清虚拟演播室系统的重要组成部分，作为超高清虚拟演播室的专业视频抠像设备，实现前景视频与背景合成的高效制作与输出。4K/8K色键器支持3 840×2 160、7 680×4 320等清晰度，P50/P60、P100/P120等帧率，通过内置高品质色键抠像模块，搭载广播级外置色键器，配备专业广播级抠像卡，实现复杂场景的良好抠像效果[5]。

2.2 蓝 箱

蓝箱是超高清虚拟演播室的数字摄影棚，是保障抠像画面质量的基本要素之一。超高清虚拟演播室蓝箱在搭建过程中可选择L形、扇形、U形等不同形式，可根据不同广播电视单位场地与节目选择合适的搭建形式，确保合理利用空间，为摄影师、主持人保留更多的活动区域。蓝箱搭建过程中要注意转角处的平滑过渡、地面的干净整洁，以确保抠像效果[6]。

2.3 渲染平台

超高清虚拟演播室系统的渲染平台选择实时渲染平台，通过CPU+GPU结构，充分提升渲染平台的图像、视频运算、处理能力，提供强劲的渲染动力，保障超高清图形与图像的渲染效果。渲染系统自带场景、虚拟前景、图文包装制作、修改模块等功能，以真实的光迹追踪、光照技术、空间摇移效果，达到现实与虚拟的完美融合，提升超高清电视节目的视觉效果。

2.4 多种跟踪模式

超高清虚拟演播室常见的跟踪模式有机械传感、红外移动、网格等。不同的跟踪模式有自身的优缺点。为保证超高清虚拟演播室的摄影摄像效果，可采用多种跟踪模式相结合的形式，充分发挥各种跟踪模式的优点。通过电动、光学、无轨等多种跟踪模式，搭配小型至中型的摄像机摇臂、智慧3D追踪摇臂及红外线追踪器等，实现无轨跟踪与有轨机械传感跟踪于一身，可适应广播电视各种跟踪场景，保障广播电视节目制作的高质量呈现效果[7]。

2.5 模型设计

超高清虚拟演播室场景设计需要通过3DMAX、Maya、C4D等建模软件完成，通过建模软件构建三维场景模型，达到真实场景的效果。运用三维模型设计，能够完成静态、动态图形与视频的设计制作工作，并且可完成风景、动物、植物等多种虚拟特效设计，丰富超高清电视节目的视觉效果。模型设计为广播电视从业人员提供了便捷的制作工具。在电视、电影、广告等节目制作过程中运用模型设计，可进行一些新颖、创新的效果设计，提升整个节目的视觉效果[8]。

3 超高清虚拟演播室系统在广播电视工程中的具体应用

超高清虚拟演播室系统目前已在广播电视工程领域有广泛的应用，极大提升了广播电视单位节目录制效率与质量，推动超高清电视节目的高质量发展。

以广东广播电视台为例，其于2019年开展4K超高清虚拟演播室建设，系统包括视频系统、音频系统、虚拟系统、灯光系统及绿箱等，具备虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增 强 现 实（Augmented Reality，AR）、混合现实（Mixed Reality，MR）以及拓展现实（Extended Reality，XR）制作能力，并被应用于《全球零距离》《乡村振兴大擂台》《国乐大典》等节目的制作中。

以宁波广播电视台为例，为适应融媒体发展趋势，宁波广播电视台开展了超高清虚拟演播室系统建设工程，系统架构分为视频信号源、音频信号源，通过超高清虚拟演播室系统完成节目制作工作。绿箱、灯光、设备集成、音频子系统等项目建设完成后，超高清虚拟演播室系统被应用于宁波广播电视台的新闻节目、综艺节目、直播等节目制作中。

以银川市新闻传媒集团为例，其开展新闻直播超高清虚拟演播室系统建设，主要应用技术包括抠像技术、渲染引擎、跟踪、VR、三维全景、实时直播等技术，打造新闻虚拟演播室，为提高超高清新闻节目质量，配备高清摄像头、4K高清摄像机、5G移动终端等设备，并应用于《银川新闻联播》《聚焦两会》等新闻节目直播中。

以中央广播电视总台为例，其已完成超高清虚拟演播室系统建设，广泛应用于电视、综艺、新闻等节目制作中。2022年两会期间，央视网策划访谈直播节目《两会C+时刻》，将超高清虚拟演播室系统与虚拟数字人结合，央视网超高清虚拟演播室系统通过主渲染引擎、副渲染引擎相结合，实现了VR、AR渲染输出。虚拟渲染引擎搭载UE4（Unreal Engine）实时3D渲染引擎。UE4是一种游戏制作渲染引擎，区别于Maya、3ds Max、Blender、Cinema4D等影视制作软件，UE4具备超高清实时渲染能力，目前已被应用于电视、电影、广告、建筑等诸多领域。在运用超高清虚拟演播室系统制作《两会C+时刻》节目过程中，技术人员运用了动作捕捉技术、面部捕捉技术、实时数据传输技术及虚拟摄像机跟踪技术等，为观众呈现了“虚拟+实景+虚拟数字人小C”的高品质节目播出效果。

4 结 语

虚拟演播室随着新一代信息技术的发展，与虚拟现实、人工智能、5G、大数据等技术的融合也更加紧密。在融媒体、超高清电视时代，超高清虚拟演播室技术在广播电视领域中的应用日益广泛，推动了电视节目、综艺节目、新闻节目及直播节目的发展。在未来，随着元宇宙的不断发展，虚拟演播室与超高清、虚拟现实之间的联系会更加紧密。超高清虚拟演播室在广播电视工程领域中的应用场景会更加多元化，推动超高清广播电视节目的高清化、智慧化、融合化发展。