施維思

（泰州市廣播電視臺，江蘇泰州 225300）

談?wù)勌摂M演播技術(shù)在電視制作中的應(yīng)用

施維思

（泰州市廣播電視臺，江蘇泰州 225300）

文章主要介紹了虛擬演播技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，并結(jié)合泰州電視臺的實際情況展示了該技術(shù)的一些應(yīng)用情況，對虛擬演播技術(shù)中的跟蹤、色鍵、場景制作以及演播室藍箱、燈光的注意事項均有較詳細的闡述。

虛擬演播技術(shù)；跟蹤技術(shù)；色鍵；藍箱

電視作為信息的創(chuàng)造、加工和傳輸?shù)闹饕ぞ?，近十年來發(fā)展迅猛，各電視臺都試圖占領(lǐng)本地區(qū)的電視傳媒市場。由于有線數(shù)字電視的高速發(fā)展，一般大、中城市觀眾通過有線數(shù)字電視網(wǎng)都能接收到上百套電視節(jié)目。在增加頻道、增設(shè)欄目和擴大覆蓋面等手段來提高收視率的同時，提高電視節(jié)目質(zhì)量、降低電視節(jié)目制作成本成為各電視臺競爭的有力手段。為電視節(jié)目制作提供無限想象和表現(xiàn)空間的虛擬演播技術(shù)，便應(yīng)運而生。

1 虛擬演播技術(shù)的產(chǎn)生

虛擬演播技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新興電視制作技術(shù),是傳統(tǒng)演播室色鍵摳像技術(shù)與計算機虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的產(chǎn)物。它將攝像機拍攝的圖像與計算機制作的虛擬場景完美地結(jié)合起來,創(chuàng)造出令人異想天開的虛擬世界。

談到虛擬演播技術(shù)，首先要說說色鍵。色鍵功能是一種傳統(tǒng)電視特技效果，其基本原理是：鍵控信號取自彩色電視信號的色度或亮度信號，用來控制一個高速電子開關(guān)進行畫面取舍的選擇。簡單的說，我們用攝像機拍攝演播室內(nèi)的主持人或其它物體，其背后用單色幕布（藍色或綠色）做為背景，色鍵系統(tǒng)分析畫面后，可將單色畫面去除，這樣我們可以隨意更換其它視頻畫面置于主持人身后，在電視制作中，我們形象地稱之為摳像[1]。

傳統(tǒng)的電視演播室制作，或采用實物布景，或采用特技臺色鍵進行摳像來疊加背景。前者為求一個美觀多樣的演播室布景，制作人員必須精心設(shè)計和搭建表演場景，需要耗費大量的人力、財力用在道具的購買、場景的布置和維護上，資源利用率較低。后者畫面虛假不自然，前景攝像機調(diào)整時，背景圖像無法進行同步變化。虛擬演播技術(shù)的發(fā)展和運用較好地解決了上述問題，虛擬系統(tǒng)能夠跟蹤攝像機參數(shù)的改變，使前景和背景圖像具有相同的成像參數(shù)和三維透視關(guān)系，保證了合成畫面的真實感。這一技術(shù)的應(yīng)用，使得電視工作者擺脫了時間、空間及道具制作方面的限制，極大地提高了電視臺的節(jié)目創(chuàng)作及制作能力。并且由于虛擬場景的制作、修改、保存都是在計算機中進行，省去了真實場景的搭建、拆卸、儲藏等環(huán)節(jié)，降低了節(jié)目制作的費用，提高了演播室的效率。

2 虛擬演播技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)構(gòu)成

在虛擬演播室中，把攝像機拍攝到的人物、景物稱為前景圖像，而把通過計算機動畫軟件制作的二維或三維動畫圖形，稱為虛擬背景或虛擬場景。雖然虛擬演播室前景、背景圖像也是靠色鍵技術(shù)合成的，但二者之間卻有“同步聯(lián)動”關(guān)系，即將拍攝前景的攝像機進行搖移、俯仰、變焦、聚焦動作時，可以通過獲取攝像機的各種運動參數(shù)(搖移、俯仰、變焦、聚焦、攝像機空間位置等)，去控制背景圖像生成裝置，使之生成與前景圖像保持正確透視關(guān)系的背景圖像，最后通過色鍵將前景、背景圖像合成輸出。

虛擬演播技術(shù)系統(tǒng)主要由攝像機跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)及視頻合成系統(tǒng)組成。

3 目前的發(fā)展狀況

虛擬演播技術(shù)真正得以廣泛的應(yīng)用是與計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的，早期的虛擬演播系統(tǒng)都是基于專業(yè)圖形工作站（SGI）的，價格比較昂貴。上世紀90年代末期，隨著計算機硬件的飛速發(fā)展，基于PC系統(tǒng)的虛擬演播系統(tǒng)應(yīng)運而生，國內(nèi)的視頻廠商相繼開發(fā)了各自品牌的虛擬演播系統(tǒng)。最早的虛擬演播系統(tǒng)其實稱為二維的虛擬場景系統(tǒng)更為合適，其本質(zhì)與傳統(tǒng)摳像極為接近，只是系統(tǒng)中可以集成一些除摳像以外的其他功能，如遮罩，虛擬電視墻等，一定程度上使出像效果更為逼真，但不具備最最關(guān)鍵的跟蹤技術(shù)，泰州電視臺早期使用的TRINITY系統(tǒng)便屬此列。隨著用戶要求的提高和廠商研發(fā)技術(shù)的增強，出現(xiàn)了真正的三維虛擬演播系統(tǒng)，從合成處理的方式上這種虛擬演播系統(tǒng)還可細分為二維半和三維兩種，所謂二維半系統(tǒng)是指虛擬場景在3D建模軟件中提前渲染為圖片，合成場景時虛擬主機根據(jù)攝像機的運動狀態(tài)對圖片進行處理，使其基本能與前景吻合，對于這種系統(tǒng)來說，由于處理的是平面的圖片，故不能實現(xiàn)攝像機機位移動或多機位的拍攝，只能是正面的角度，不然會穿幫。而三維系統(tǒng)則是指在3D軟件中創(chuàng)建場景模型，整個3D建模文件直接調(diào)入虛擬演播系統(tǒng)，由主機在場景合成時實時渲染，這種方式從技術(shù)角度上講更為先進，人物與場景的融合更為自然，能實現(xiàn)多機位多角度的拍攝，但也要求更高的硬件處理能力。值得一提的是，目前的三維虛擬演播系統(tǒng)基本都包括了二維半功能，以我臺目前使用的大洋MAGICSET為例，在系統(tǒng)控制面板中有二維半的選項，一旦啟用，系統(tǒng)將關(guān)閉所有三維實時渲染元素，只打開平面貼圖功能，這樣調(diào)用背景時打開的就是事先準備好的圖片，此時只能使用正面的主攝像機視角，對于一些流程短、效率要求高的新聞、專題類節(jié)目而言，這是比較簡便的一種制作方法。

虛擬演播系統(tǒng)的核心是攝像機跟蹤技術(shù)，這是考評虛擬演播室技術(shù)的重要指標之一。跟蹤不好會導(dǎo)致前景和背景之間的變化脫節(jié)，嚴重影響節(jié)目效果。跟蹤技術(shù)采用較多的方式主要是機械傳感和網(wǎng)格識別。機械傳感是在攝像機三腳架及機身鏡頭附近安裝相應(yīng)的傳感器來采集參數(shù)，攝像人員操作機器時，機械傳感部件能實時的將攝像機各項參數(shù)變化情況傳輸給虛擬系統(tǒng)主機進行處理。而圖形識別方式是指在背景藍箱上加入的特定大小和形狀的網(wǎng)格，虛擬系統(tǒng)對攝像機畫面進行分析，通過對網(wǎng)格各自不同的特征的識別得到攝像機運動參數(shù)。除了上述兩種主流的跟蹤技術(shù)以外，早期還有紅外線跟蹤技術(shù)和超聲波技術(shù)等跟蹤方式，但由于成本及技術(shù)方面的原因，都未能得以普及。

三維虛擬演播系統(tǒng)由于涉及到實時渲染合成等方面，對整個系統(tǒng)配置的要求是非常高的。早期我們在使用中也遇到過很多問題，場景設(shè)計很華麗，但系統(tǒng)無法運算，近年來隨著PC硬件配置的提高，這一現(xiàn)象有了極大的改觀。

4 虛擬演播技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

4.1 虛擬藍箱與演播室燈光

虛擬演播室中演播區(qū)域稱為“藍箱”，其內(nèi)要求遍布均勻的標準摳像色，一般為標準的藍或綠色，藍箱所使用的專用視頻漆(Video Paint)，飽和度高，色度純，對燈光的反射比較均勻，不易產(chǎn)生光斑，時間長也不易褪色，特別是在對破損位置補漆時不會留下明顯痕跡，有利于提高整體的色鍵效果。墻面與墻面之間、墻面與地面之間夾角應(yīng)在120度左右，而且要留有弧度，這樣設(shè)置的主要目的是讓燈光在各個面上特別是在夾角處的照射比較均勻，不會出現(xiàn)明顯的陰影，從聲學(xué)的角度看，這些夾角弧度有利于減少駐波，確保主持人聲音無峰谷變化。

虛擬演播室對燈光的要求是整體均勻、光線柔和。冷光源陰影小、發(fā)熱低、強度均勻，因此相比熱光源更利于虛擬演播室的照明。虛擬演播室為了強調(diào)真實性，往往主持人都有一定的活動自由度，因此在燈光設(shè)置上不適宜采用傳統(tǒng)的三點布光。泰州電視臺采用的是環(huán)形區(qū)域布光法：主持人的主要光源都由兩組冷光源提供，面光位置不宜過高，避免產(chǎn)生陰影。設(shè)置少量聚光燈作為主持人的側(cè)光及輪廓光，以增強空間立體感，同時有利于主持人身體邊緣的色鍵處理。虛擬演播系統(tǒng)要求背景盡量色彩亮度均勻以便于摳像，因此還要設(shè)置若干冷光源用于背景藍箱的照明[2]。

4.2 系統(tǒng)搭建及調(diào)整

我臺的MAGICSET三維虛擬演播系統(tǒng)使用的是雙固定機位，主機位是標準出像的視角，輔機位則采用45度遠景，用于主鏡頭的一些補充。采用固定機位主要是基于系統(tǒng)實時渲染能力和節(jié)約成本的考慮，此外從現(xiàn)有欄目的規(guī)模來看雙固定機位已足以滿足節(jié)目制作的需要，從測試效果來看，主、輔固定機位的交互使用已能產(chǎn)生不錯的三維透視效果。確定好機位后，必須進行校準。我們?nèi)∷{箱前左下角為三維空間坐標原點,在藍箱正對攝像機的墻面中央設(shè)一系統(tǒng)校準點。這樣相對坐標原點，我們確定了主機位、輔機位和校準點的坐標。然后進行鏡頭參數(shù)校準，該步驟是為了解決攝像機鏡頭的數(shù)據(jù)跟蹤問題。通過把變焦步驟分為若干個小段，將每段的數(shù)據(jù)偏移量與事先定好的校準點進行比較，得出鏡頭的聚焦系數(shù)和變焦曲線，這樣當鏡頭變化時，系統(tǒng)能準確的接受各項參數(shù)，從而使得三維背景能與前景很好的融合，變焦曲線的弧度應(yīng)盡量變化平緩，這樣在做鏡頭推拉時，前、背景跟蹤不易發(fā)生抖動[1]。

4.3 虛擬場景的制作

MAGICSET的場景制作是比較復(fù)雜的，由于大洋沒有購買3DMAX底層來做開發(fā)，3DMAX中完成的場景模型調(diào)入系統(tǒng)軟件后，只有建?？梢允褂茫N圖和燈光效果都不能正常顯示，需要回到3DMAX中進行修改。另外，出于系統(tǒng)實時渲染速度的考慮，場景中的物體不宜過多、過復(fù)雜。在使用3DMAX制作時，盡量把功夫花在材質(zhì)貼圖而不是建模上，材質(zhì)做的真實，場景的可信度也會提高，而且材質(zhì)不會像建模那樣消耗大量的系統(tǒng)資源。三維場景畢竟是虛假的，在設(shè)計時應(yīng)該有意識的讓其盡量逼真，利用MAGICSET系統(tǒng)強大的視頻替換功能可以在節(jié)目制作的過程中隨時將場景中電視墻切到錄像機（硬盤）中的視頻畫面上，讓節(jié)目更為生動形象。在場景制作中也可根據(jù)實際情況靈活加入一些前景掩膜物體（柱子、窗子等），MAGICSET系統(tǒng)可對其多路實時切換，給人以主持人穿行其中的感覺，增強場景的真實性。適當?shù)膶嵕按嬖冢c虛擬場景巧妙搭配，也可達到單純實景無法實現(xiàn)的效果，比如雨天臨窗而坐的訪談類節(jié)目，虛擬場景中的窗外可以是城市雨景。

4.4 制作中的一些注意事項

在節(jié)目制作中，兩個機位攝像機的推拉搖移要盡量平緩，對于這套系統(tǒng)的延時問題，大洋給出的資料中標明是2-3幀，我們實際使用中發(fā)現(xiàn)還是能比較明顯的感覺到視音頻的延時，因此又安裝了音頻延時器來解決這一問題。另外，這套系統(tǒng)選用的色鍵器是內(nèi)置的Ultimatte色鍵卡，摳像的效果還是很不錯的，但這種色鍵卡會消除前景圖像中的藍色成份，如果穿紫色或粉色服裝就會變成紅色，有時白色的衣服也會略微發(fā)黃，必須在系統(tǒng)軟件的色鍵面板中予以修正。

5 虛擬演播技術(shù)的擴展和未來

相比傳統(tǒng)的制作手段，虛擬演播技術(shù)在有些方面的優(yōu)勢是相當明顯的，比如奧運會、世界杯等大型賽事期間，央視的直播往往就采用虛擬演播技術(shù)，省卻了搭建實物背景的繁瑣過程。虛擬演播技術(shù)最初只是用于演播室節(jié)目的制作，但現(xiàn)在它的應(yīng)用范圍有了很大的擴展，特別是在體育節(jié)目的報道及廣告方面，出現(xiàn)了以虛擬演播技術(shù)為基礎(chǔ)的一些新技術(shù)，如虛擬回放系統(tǒng)、數(shù)字重放系統(tǒng)及虛擬廣告系統(tǒng)等，利用這些技術(shù)制作的節(jié)目可得到非常好的效果：（1）虛擬回放系統(tǒng)主要應(yīng)用于球類比賽的轉(zhuǎn)播及評論節(jié)目。系統(tǒng)需要預(yù)先存儲體育場的三維模型，碰到需要分析的畫面時，系統(tǒng)將其凍結(jié)并轉(zhuǎn)為一幅動畫形式的三維場景，即球場、隊員及球等都變成了相應(yīng)的三維圖形畫像，此時虛擬攝像機可以圍繞這一場景360度旋轉(zhuǎn)拍攝，觀眾可從任意角度觀看這一瞬間的比賽情況。對于比賽中出現(xiàn)的一些有爭議或是難以判斷的情況，這一轉(zhuǎn)播手段是極為有效的。（2）數(shù)字重放系統(tǒng)能迅速重放各種精彩場面，重放時通過先進的視頻跟蹤技術(shù)，可突出顯示并自動追蹤關(guān)鍵運動員或球，顯示他們的運動軌跡或路線，測量并顯示運動員和球的速度以及兩物體之間的距離。對于觀眾來說，數(shù)字重放系統(tǒng)可使他們更清楚地了解比賽中的每一個細節(jié)，從而能更好地欣賞比賽，對于體育評論員和球隊教練來說，數(shù)字重放系統(tǒng)是一個理想的分析工具。（3）虛擬廣告系統(tǒng)可在體育節(jié)目或文藝節(jié)目的直播期間，將演播室制作的虛擬廣告牌插入到賽場或表演場的空地上，也可替換掉場地上原有的廣告牌，合成后可達到以假亂真的效果。

虛擬演播技術(shù)與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機技術(shù)息息相關(guān)，隨著這些周邊技術(shù)的發(fā)展，虛擬演播技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善，很多以前難以想象的效果現(xiàn)在也一一實現(xiàn)了，相信它必將帶給我們更大的驚喜。

[1]莫士科維茨.虛擬演播室技術(shù)[M].夏力,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]徐威,李宏虹.電視演播室[M].北京:中國廣播電視出版社, 2006.

VirtualStudio Technology Application in TV Production

SHIWei-si
(TaizhouTelevisionStation,TaizhouJiangsu225300,China)

This paper introduces the emergence and developmentof Virtual Studio Technology,specially on the features of tracking technology,color key,scene,and themattersneeding attention of studio blue box,Lighting.

Virtual Studio technology;tracking technology;colorkey;studio bluebox

TN948 文獻標設(shè)碼：A

1671-0142（2011）06-0092-04

施維思（1978-）,男,江蘇揚州人,工程師.

（責任編輯 劉 紅/楊荔晴）