广播电视台超高清虚拟演播室系统技术及应用

吴 勇

（梧州市广播电视台，广西 梧州 543000）

0 引 言

随着科技的飞速发展，广播电视行业正迎来前所未有的变革。超高清虚拟演播室系统的出现，为观众提供了全新的视觉体验，还拓展了内容创作的可能性。本文旨在深入探讨超高清虚拟演播室系统的关键技术，以及它们在广播电视领域的多种应用。

1 超高清虚拟演播室系统的关键技术

1.1 4K/8K超高清视频

4K和8K超高清视频是指拥有极高分辨率的视频格式，分别为3 840×2 160像素（4K）和7 680×4 320像素（8K）。4K视频已经相对成熟，广泛应用于电视、电影、流媒体和游戏。8K视频则处于不断发展中，目前主要用于高端电视和专业摄影领域。技术上，8K视频需要更高的计算和存储能力以及更大的带宽来传输。4K/8K超高清视频应用场景十分丰富，包括媒体制作、电视和显示技术、游戏、医学成像以及虚拟现实等[1]。

1.2 虚拟交互技术

虚拟交互技术是一组涉及虚拟世界和现实世界的交互技术，其中包括虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、混合现实（Mixed Reality，MR）和拓展现实（Extended Reality，XR）等多种技术。VR技术通过戴在头部的特殊头戴显示器，将用户沉浸在完全虚构的数字环境中。用户可以与虚拟世界互动，通常通过手柄、手势识别或体感设备。VR可用于游戏、培训、医学模拟和娱乐等领域。AR技术将数字信息叠加在现实世界中，通过手机、智能眼镜或头戴式显示器实现。这使得用户能够看到和与真实世界中的物体进行交互，同时获取有关这些物体的数字信息。AR在导航、维修、教育和游戏等方面有广泛的应用。MR是VR和AR的混合，将虚拟元素嵌入到真实世界中，允许用户与虚拟和现实物体进行互动。这种技术在培训、设计和远程协作等领域具有潜力。XR是一个涵盖所有虚拟和增强现实技术的术语。它强调了这些技术之间的交叉和整合，以创造更丰富的交互体验。XR技术的发展正在逐渐消除虚拟与现实之间的界限[2]。

1.3 虚幻引擎

虚幻引擎是一款由Epic Games开发的世界著名的游戏引擎，用于创建高质量的3D游戏、VR、AR和模拟应用程序。虚幻引擎以其卓越的图形渲染能力而闻名。它支持先进的渲染技术，如实时光线追踪，可实现引人入胜的视觉效果。这使得虚幻引擎成为游戏制作、电影制作和虚拟现实体验的首选引擎。虚幻引擎采用了节点式的可视化编程方式，称为蓝图，使开发人员可以快速创建和调整游戏逻辑、人工智能和交互性，而无须编写大量的代码[3]。

1.4 摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是一种用于电影制作、广播、虚拟现实等领域的重要技术。它涉及自动或半自动地跟踪移动物体或目标，并确保摄像机持续对准目标，以捕捉稳定的图像或视频。摄像机跟踪技术通常包括以下关键方面。第一，根据运动路径进行追踪分析。摄像机通过自动调整焦距、曝光和角度的运算，以保持目标在帧内的稳定位置。这对于拍摄运动比赛、行动场景或虚拟现实体验非常重要。第二，物体识别。摄像机可以使用计算机视觉技术来识别特定的物体或标记，并将它们视为跟踪目标。这对于增强现实应用程序、自动驾驶汽车和工业自动化等领域非常有用。第三，虚拟制作。在虚拟制作中，摄像机跟踪技术与虚拟场景结合使用，以便将虚拟对象与实际拍摄的场景融合在一起。这创造了令人印象深刻的特效和沉浸式体验。第四，云台控制。在电影制作中，专业的电影云台使用摄像机跟踪技术来平稳追踪运动中的演员或物体。摄像机跟踪技术在现代媒体和技术中具有广泛的应用，提供了更好的图像稳定性，提升了自动化效率，同时为创意和视觉效果的实现提供了重要工具。不断的技术进步和算法改进将进一步拓展其在这一领域的潜力[4]。

1.5 制作和播出控制系统

制作和播出控制系统是超高清虚拟演播室的重要技术设施，负责管理和控制节目制作、编辑和播出过程。超高清虚拟演播制作控制室是节目制作的核心，通常包括视频和音频混合设备、摄像机控制、灯光和音响设备等。其中，虚拟场景渲染、合成等工作需要由虚幻引擎（即三维实时渲染引擎）来完成。编辑套间配备了专业的视频编辑软件和硬件，编辑师可以使用它们剪辑、合成和渲染视频，以获得最终的节目。播出控制室用于管理和控制节目的播放。它包括视频服务器、自动化控制系统、广告插播设备和转播设备，确保节目按计划播出。现代制作和播出控制系统还需要与在线流媒体平台和社交媒体集成，以实现多渠道分发。制作和播出控制系统通常具有实时监控功能，以确保节目质量，包括信号质量、音频水平和视频帧率的监测。自动化在节目制作和播出中发挥重要作用，减少了人为错误，提高了效率。人工智能在超高清虚拟演播室领域的应用十分广泛，包括语音识别、面部识别、物体检测、智能画面重构、超分上变换、自动调色和色彩匹配等应用[5]。

2 超高清虚拟演播室系统在广播电视领域的应用

2.1 超高清虚拟演播室系统在综艺节目中的应用

超高清虚拟演播室系统在综艺节目中的应用，为综艺节目提供了创新和沉浸式的元素，包括逼真的虚拟背景、特效和互动性。综艺节目可以借助这些系统创建令人惊叹的场景，如虚拟竞技场、历险探索、变身角色等，增加节目的趣味性和视觉吸引力。综艺节目制作者可以更灵活地构建故事情节，节省制作成本，减少外景地点的需求，使综艺节目更具创造力和竞争力。例如，梧州市广播电视台制作的儿童节目“梧桐树”栏目，通过超高清虚拟演播室完成主持人的录制，大量使用各种高清画面场景，通过制作软件抠图，结合预先录制好的场景，最终在播出节目中实现了主持人在现场的实际效果，给观众呈现了逼真的视觉体现。再比如《莫吉托》节目，依托虚拟演播室，先在三地（XR Space虚拟演播厅、中央广播电视总台1号演播厅、台北GETOP特效摄影棚）进行舞台坐标和镜头标定，提前做好所有分镜脚本、视频内容、镜头预演后，将MOCO的运动轨迹与UE4（Unreal Engine）制作的XR虚拟内容云快递给台北的坚达GETOP虚拟制作团队，GETOP虚拟制作团队再1∶1地还原与北京中央广播电视总台拍摄现场完全一致的设定，最终向观众呈现人物、道具以及虚拟场景的互动和结合的舞台盛宴[6]。以Wonders灵境系列虚拟演唱会为例，其在酷狗音乐、酷狗直播、咪咕视频、抖音直播等多个平台播放，通过超高清虚拟演播室将真实乐队置身于虚拟场景中，打破虚拟与现实的界限，通过绚烂的全景灯光、炫酷的画面特效及震撼的表演形式，带给观众沉浸式的娱乐新体验。

2.2 超高清虚拟演播室系统在体育节目中的应用

超高清虚拟演播室系统在体育节目中的应用，为观众呈现虚拟竞技场，重新创造比赛场地，并在实况转播中添加互动元素，包括实时统计、视觉效果和高级分析。这些系统还能够提供多角度观看、实时缩放和慢动作回放，以深入剖析比赛。体育节目制作中的超高清虚拟演播室系统使观众能够以前所未有的方式参与比赛，同时增加了广告和赞助商的机会，提升了体育娱乐的质量和吸引力。比如2022年冬奥会，中国国际电视台就是运用AR技术搭建了虚拟演播室，实现实景空间与虚拟元素的完美融合，通过虚拟交互技术拓展了演播室的空间，带给观众如临现场的观看体验。

2.3 超高清虚拟演播室系统在新闻节目中的应用

超高清虚拟演播室系统在新闻节目中的应用，为新闻报道带来了创新和实时性。它们允许新闻机构创建虚拟背景，将记者置于虚拟场景中，从而使传递的信息更具冲击力。这些系统还能够实时生成动态图表、图像和模拟场景，用于解释复杂的新闻事件。此外，虚拟演播室系统减少了外景拍摄的成本和风险，提高了灵活性和效率。这种技术改善了新闻报道的视觉质量和互动性，使观众更深入地理解新闻故事。以央视网2022年全国两会新闻报道为例，制作组搭建了超高清虚拟演播室系统，采用两套虚拟渲染引擎，实现VR和AR分别渲染输出，形成虚拟背景和虚拟前景相结合的场景展现方式。虚拟渲染引擎搭载的是UE4（Unreal Engine）实时3D渲染引擎，支持4K/8K超高清实时渲染，并配备了摄像机跟踪计算软件、播出列表模板生成软件等，为各种逼真特效与奇幻场景的制作提供技术支持。

3 结 语

本文深入探讨了超高清虚拟演播室系统的关键技术及其在广播电视领域的应用。这些系统正在推动媒体和娱乐领域的创新，为观众带来更沉浸式的体验，同时提供了更多的创作和制作工具。超高清虚拟演播室系统已经成为现代媒体制作的关键工具，将继续塑造未来的广播电视和数字娱乐体验。