虚拟演播室系统设计与技术分析

高乙超 重庆广播电视集团（总台）

随着时代进步和科技发展，虚拟演播室、虚拟技术等现代科技不断被应用在电视节目当中，通过各种虚拟技术研发和利用，不仅可以降低演播室内景观搭建的造价和人力物力的投入，还可以丰富观看者的视觉感受，将一些不可能在现实生活中呈现出来的场景虚拟出来，同时不断地促进相关行业的进步和发展。

一、虚拟演播室系统设计原理技术分析

（一）运动跟踪技术

常见的运动跟踪技术分为机械传感跟踪，红外跟踪和网格定位跟踪方式。

将跟踪器设置在摄像机内，然后通过运动跟踪技术准确的定位拍摄画面和各项信息数据，这种跟踪方式属于机械传感跟踪系统。对于一个节目的录制，相关制作人员需要将录制要求和数据信息提前设定好，之后再由摄影师按照要求调节摄像机的变焦环、聚焦环、机头的高度和角度等，同时安装运动数据编码器，这样相关制作人员便可以及时准确的了解到各种信息数据，并做出合理的判断和制作，从而实现前景、背景、人物等相互协调配合的要求。机械传感跟踪系统的技术较为成熟，在节目录制过程中应用较为广泛，尤其是对一些不转换摄像机位置的演播室，如新闻联播、节目解说、访谈节目等。但是随着目前电视节目录制的内容越来越丰富，这种固定摄像机的拍摄方式存在着较大的局限性，已经不能满足部分节目录制的需求，所以这种拍摄需要制作人员根据节目类型来进行合理的选择。

图像识别跟踪技术同样也是目前应用范围较为广泛的一种运动跟踪技术，其作用原理是由控制端控制摄像轨道，对其输入相应的传输信号和拍摄要求，再经过相应的数据信息和跟踪技术进行拍摄，然后实时向视频切换台或制作系统传送拍摄画面。这种跟踪系统与机械传感跟踪系统相比，需要更高的控制技术、传输技术，同时对于蓝箱的要求也非常的高，需要将各种信息数据直接作用在蓝箱的背景上，为了保证呈现的效果，必须严格控制数据信息的及时性和准确性。同时利用庞大的计算机技术，计算出每个画面在运动过程中所产生的参数，将其传送到控制台或者制作系统上，就可以准确地确定摄像机应该拍摄的具体位置和角度，使摄影师对摄像轨道、角度、方位做出正确的判断，从而获取到准确的拍摄画面[1]。

本台根据实际使用情况，对比几种定位方式的优缺点。最终采用了两台固定机位加一台通过机械传感定位的机器人摇臂的方案。这样避免了主持人在节目录制中运动范围受限的缺点。

（二）色键技术

虚拟演播室中的场景不仅有虚拟的背景、前景、各种摆放物品，还需要将人完美的融合在其中，并且还需要保证画面的真实性和利用各种技术完善虚拟物体之间的复杂关系，从而使虚拟演播室中各种虚拟物体之间可以形成自然的重合，这就需要色键技术对其进行专业的处理。从虚拟演播室系统刚刚投入使用时色键技术就已经得到了广泛的应用，可以使观看者自主掌握视频画面明暗度和清晰度，目前虚拟演播室系统中所应用的色键技术是一种被称之为Z轴深度键的技术。作用原理主要是利用层次级深度键技术和像素级深度键技术，将虚拟画面中的物体归类到有限的深度层中和将虚拟影像中每一个画面像素都给予相应的Z轴深度值。这项技术必须保证画面中人物位置不能一直变换，才能使画面中虚拟物体、真实物体和人物在相互影响和遮挡的情况下，呈现出形象具体的画面。

在色键器的选择上，我台使用了Ulitmatte500色键器。

①抠像调整：选择Menu->Matte功能抠像功能下最关键的是“MatteDensity”（调整抠像的黑白键的密度）、“BlackGloss”（调整抠像黑白键的对比度，让键信号的黑白对比强烈）、“CleanUpLevel”（可以用来清除抠像中网格线、和调整抠像细节，如：发丝、烟雾、半透明物体）、“CleanUpthreshold”（进一步调节抠像细节，效果不如CleanUpLevel明显），“glare”（调节人物阴影在地面的抠像细节）。抠像过程建议：选择“fileclear”清除抠像参数，恢复参数默认值。调整“cleanuplevel”，清除网格线在“VIEW功能区”选择“matte”让电视墙色键监看输出显示黑白抠像状态调整“mattedensity”设置基本抠像状态，使得不透明的物体显示黑色，被抠掉的区域显示白色，也就是让黑白显示基本分明。对于抠像后由于物体反射演播室蓝光等原因导致本不该被抠透的物体稍微有些半透的时候，通过调节“blackgloss”，可以使黑白键信号对比更强烈，使得不该被抠透的物体不被抠透。②对于抠像后，物体颜色变色的处理当虚拟演播室中如果主持人穿有粉色、紫色等色系的衣物，那么通常在经过抠像处理后，服装颜色有很大变化，粉红、紫色会偏红色，遇到这样的情况需要还原图像中被抠掉的蓝色成分。如何处理：“Menu功能区”中选择“FG”—“flare”—“gate2”，调节“gate2”的值到100%即可解决。③对于来自摄像机的前景图像信号中人物、物体右侧的黑边处理如何处理：“Menu”菜单中选择“matte”—“mattesize”—“positionhorizontal”，调整“positionhorizontal”的值，并在监视器上监看调整的效果。④如何自动抠像“Menu功能区”中选择“matte”—“screencolor”—“autoscreenselect”来完成自动抠像。自动抠像后应该做细微调整。⑤如何手动对某个点进行采样抠像：“Menu功能区”中选择“matte”—“screencolor”—点选“cursorenable”（使cursorenable状态为绿色，触发光标许可），调节“cursorposition”和“cursorposition”选择监视器中抠像采样区域，并选择“usescrncolor”。

（三）计算机图像技术

计算机图像技术是虚拟演播室系统中极其关键的环节，演播室中所有虚拟场景都是由计算机图像技术制成的。这项技术可以将人们现实生活中不可能见到的场景呈现出来，并且对于一些很难实现的场景或道具可以通过计算机图像技术呈现在虚拟演播室中，不仅减轻了节目录制的难度，从一定程度上还节省了节目录制的成本投入。另外，通过计算机图像技术的应用，使虚拟演播室呈现的画面提升了节目录制的效果，极大程度上推动了电视行业的发展，同时电视行业的发展也使计算机图像技术的应用越来越广泛[4]。

我台在虚拟场景制作和渲染上选择了北京艾迪普公司的iArtist软件。艾迪普iArtist是新一代实时三维图形图像引擎技术，由实时三维图形图像渲染、跟踪、识别、处理引擎共同构成。其高效的算法保证了更大的处理能力和运算效率，可实时渲染高质量及大量的图形图像，使创作者在使用基于该引擎技术所开发的软件工具时，能够实时进行渲染，这种细腻而带高质感的渲染能力，使画面内每个场景及物件细节都如在现场真实显现，效果更加自然。其操作界面如图所示。

IStudio基于IDPRE图形图像渲染引擎技术平台，为演播室节目提供了一个简单且功能强大的播出控制系统。IStudio与现有新闻网联动，快速生成播出串联单，并实现外部数据图形图像可视化功能。它不仅讲模板、文件、数据和文本所有网络化的图文要素完美结合，而且将众多种类的设备有机结合起来，大大节省了演播室人员的劳动强度。同时IStudio可完成其他设备的联动功能，与艾迪普其他产品相结合，可实现实时三维在线包装，点评触控，大屏播控等多种播出方式。

二、灯光系统的设计

灯光的设计上，充分考虑了虚拟演播室的特点。避免阴影和高亮区域对抠像效果的影响，采用了三基色柔光平面灯。面光高度尽量低平，均匀柔和，消除亮边绿边对抠像效果带来的影响。照度上不宜太高，一般可控制在 500～6001x。主持人在这种基本光照明下运动，不会产生太大的阴影。虚拟演播室灯光测光一定要消除主持人衣服轮廓上的绿色边沿光，避免对抠像产生影响。同时，逆光不宜太强，太强的逆光会在地面产生亮斑，进而对抠像产生影响。

三、结语

综上所述，虚拟演播室系统利用了很多现代化技术呈现出多种多样的电视节目，并且随着时代进步、科技发展，虚拟演播室系统设计与技术也在不断进行改变，使虚拟画质水平得到显著提高，并且具有强烈的真实感和科技感。虚拟演播室的运用还降低了电视节目的制作成本，同时也是电视行业重要的发展方向。