【摘要】為提高節(jié)目制作的靈活性與視覺效果，本文首先概述了虛擬演播室技術及系統(tǒng)；其次，對虛擬演播室系統(tǒng)進行需求分析，為系統(tǒng)設計指明方向；再次詳細介紹了虛擬演播室系統(tǒng)的設計，包括總體架構設計、主要功能設計；最后，在此基礎上探討了系統(tǒng)實現細節(jié)，涵蓋綠箱、燈光實施及設備集成，同時介紹了色鍵器、綠箱、渲染平臺、多種跟蹤模式以及模型設計等關鍵技術，以期為虛擬演播室系統(tǒng)設計與優(yōu)化提供有益指導與借鑒。

【關鍵詞】廣播電視；虛擬演播室；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TN929" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " "DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.014

近年來，廣播電視技術得到了迅猛發(fā)展，虛擬演播室系統(tǒng)被廣泛應用于國內外眾多制作機構與電視臺。其獨特的優(yōu)勢在于可以創(chuàng)設出逼真的虛擬場景，實現虛擬與現實的完美融合。一方面革新了傳統(tǒng)演播室制作方式，降低了制作成本，為廣播電視行業(yè)帶來了新的思路與發(fā)展機遇；另一方面顯著提高了節(jié)目制作的效率與質量，豐富了電視節(jié)目的表現力與視覺效果。本文以某廣播電臺為例，深入探討了虛擬演播室系統(tǒng)的設計與實現，旨在提升節(jié)目制作水平和觀眾體驗，并促進廣播電視技術的進步。

1. 虛擬演播室技術及系統(tǒng)概述

虛擬演播室技術，作為數字化時代的創(chuàng)新成果，致力于將真實人物與計算機打造的三維虛擬場景巧妙融合，營造視覺上的和諧統(tǒng)一。攝像機捕捉的真實影像，經過延時器調整時序，與跟蹤系統(tǒng)收集的數據一并傳輸至計算機圖形工作站。工作站依據跟蹤數據，實時調整虛擬背景，確保與前景人物動作、視角的完美同步。隨后，在色鍵合成器的助力下，前景信號與經過處理的背景信號融合，通過摳除前景中的綠色背景并替換為虛擬場景，最終呈現出令人震撼的合成圖像[1]。其工作原理如圖1所示。

虛擬演播室系統(tǒng)不僅實現了虛擬與真實的無縫對接，更極大拓展了電視節(jié)目制作的創(chuàng)意空間。它集虛擬場景生成、錄制、調音及切換等多功能于一身，憑借內外置色鍵技術，實現圖像合成的高效精準。系統(tǒng)發(fā)展至今，已涵蓋云虛擬、超高清及三維虛擬等多種形態(tài)，滿足不同場景需求。無論是商業(yè)廣告、體育賽事直播還是新聞報道，虛擬演播室系統(tǒng)都能顯著提升制作效率與質量，為觀眾帶來更加震撼、逼真的視覺體驗。

2. 系統(tǒng)需求分析

為確保高效、高質量的節(jié)目制作，虛擬演播室系統(tǒng)設計需要滿足多方面的需求。系統(tǒng)需求分析首先關注虛擬演播室的核心組件，攝像機作為捕捉真實影像的關鍵，其性能將直接影響后續(xù)的處理效果；跟蹤系統(tǒng)用于實現人物與虛擬場景的精準對位，是實現無縫融合的基礎；計算機圖形工作站承擔虛擬場景的生成與處理任務，其處理能力直接決定了場景的逼真度與復雜度；延時器用于同步真實與虛擬信號，使兩者在時間上保持一致；色鍵合成器的摳像精度與合成效果直接影響最終畫面的質量。

在功能方面，虛擬演播室系統(tǒng)需具備交互、音特效處理、虛擬角色操作、攝像機控制以及場景構建等功能。場景構建要求系統(tǒng)可提供直觀的場景編輯器，允許用戶自行完成虛擬場景的生成、貼圖、燈光設置及動畫制作等。攝像機控制利用系統(tǒng)操控虛擬攝像機，以此實現多角度的場景拍攝。另外，虛擬演播室系統(tǒng)也需要具備虛擬角色操作及豐富的音特效處理等功能，以滿足不同節(jié)目的交互需求。針對某廣播電臺的具體需求，本文設計的虛擬演播室系統(tǒng)主要服務于小型訪談節(jié)目與新聞，因此在設計時充分考慮了虛擬演播室的實際應用需求與空間布局，以實現空間的高效利用。同時，燈光配置也根據演播室的實際條件與具體拍攝需求進行了優(yōu)化，以實現最佳的拍攝效果。

3. 虛擬演播室系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)總體架構涵蓋虛擬環(huán)境、軟件及硬件三大部分，虛擬環(huán)境方面整合了虛擬人物、物體及場景，通過虛擬音效、燈光、攝像機及天氣等元素，來模擬真實環(huán)境；軟件層面主要涵蓋控制、建模、渲染以及交互軟件，支持虛擬場景的生成、實時渲染及用戶交互；而硬件層面則以高性能計算機集群為核心，輔以投影儀、圖像與聲音處理器及專業(yè)攝像機等設備，保障虛擬環(huán)境的實時生成、渲染與播放[2]。另外，虛擬演播室系統(tǒng)又細分成音頻、視頻、專業(yè)燈光及監(jiān)看等子系統(tǒng)。其中，音頻子系統(tǒng)負責聲音采集、效果處理及播出；視頻子系統(tǒng)用于信號采集、處理與輸出，據此實現虛擬視頻節(jié)目的制作與直播；專業(yè)燈光子系統(tǒng)則通過精準控光，優(yōu)化主持人及背景的光影效果；監(jiān)看子系統(tǒng)則確保節(jié)目制作效果的實時監(jiān)看。

3.2 系統(tǒng)主要功能設計

為滿足電視節(jié)目的多樣制作需求，系統(tǒng)需涵蓋多方面功能。首先是場景構建，系統(tǒng)應提供直觀的場景編輯器，使得用戶能輕松完成虛擬場景的建模、動畫制作、燈光設置及貼圖等；其次，攝像機控制功能應便于用戶輕松操控虛擬攝像機，來實現多角度的場景拍攝；虛擬角色操作功能可使用戶靈活控制虛擬角色的姿態(tài)、動作及表情，有效增強場景表現力；音特效功能方面，系統(tǒng)需支持震動、模糊、顏色調整等多種特效，并提供特效音效、背景音樂、環(huán)境音效等，以完善音視頻制作，豐富節(jié)目視覺與聽覺效果；最后，交互功能作為實現沉浸式體驗的關鍵，應支持用戶使用觸控、手勢或語音等方式與虛擬場景中的物體完成互動[3]。

4. 虛擬演播室系統(tǒng)實現與關鍵技術

4.1 虛擬演播室系統(tǒng)實現

4.1.1 綠箱實施

結合某廣播電臺的需求，虛擬演播室主要服務于小型訪談與新聞節(jié)目，拍攝多為正面取景，主持人與鏡頭位置相對固定。為充分利用空間并滿足拍攝需求，綠箱尺寸設計成長4.4米、寬3.2米、深2.5米。綠箱搭建選用C75輕鋼龍骨作為框架，同時結合三夾板、多層板與木工板等多層結構，以提升隔音效果與穩(wěn)固性，而背面采用石膏板錯縫拼接。墻面涂刷三遍專業(yè)影視ROSCO涂料，地面鋪設ROSCO地膠、加設保護墊，以確保綠箱表面光滑、平整，具有良好的耐磨性與反光性。

4.1.2 燈光實施

某廣播電臺虛擬演播室選用專業(yè)的燈光配置，涵蓋1臺DMX512調光臺、2臺LED螺紋聚光燈及10臺LED平板柔光燈，聚光燈與柔光燈被專門用于綠箱照明?？紤]到虛擬演播室的頂部設施與實際條件，燈光系統(tǒng)使用吊掛安裝方式進行布局。完成安裝后，結合實際應用需求，精細調整燈光角度，并在部分燈光上增設柔光紙，使得綠箱內燈光照射色彩表現更柔和、均勻，這有助于提升虛擬制作系統(tǒng)的摳像效果，從而保證拍攝質量[4]。此外，將燈光信號與調光臺進行連接，能進一步精確控制燈光光強，更好地滿足不同拍攝場景對燈光的需求。燈光實施一方面關乎拍攝效果，另一方面還影響著真實拍攝與虛擬場景的融合度。因此，在燈光實施過程中，需要充分考慮虛擬演播室的拍攝需求與實際條件，以確保達到最佳的燈光效果。

4.1.3 設備集成

設備集成主要整合了視頻子系統(tǒng)與音頻子系統(tǒng)。視頻子系統(tǒng)方面，虛擬演播室配置了3個機位的攝像機，可結合節(jié)目需求來靈活選擇使用數量。視頻矩陣作為信號調度核心，負責將工作站、攝像機等信號源調度至虛擬系統(tǒng)、高清視頻切換臺以及監(jiān)看顯示器，實現虛擬視頻制作與實時監(jiān)看。同時，推流編碼器與硬盤錄像機分別承擔網絡直播與節(jié)目錄制任務，而工作站則負責視頻節(jié)目的后期制作[5]。視頻系統(tǒng)信號連接如圖2所示。

音頻子系統(tǒng)方面，音頻系統(tǒng)由音頻播出系統(tǒng)、擴音系統(tǒng)、調音臺及音源等組成。有線話筒、無線話筒及其他多種音源均通過調音臺實現輸入與輸出調度，再經過數字音頻處理器等設備完成信號處理與擴音。模擬音分負責將音臺輸出信號分配給音頻矩陣或視頻切換臺，保證同步直播音源的一致性，且不受擴音系統(tǒng)干擾。音頻系統(tǒng)信號連接如圖3所示。

4.2 關鍵技術

4.2.1 色鍵器

色鍵器作為實現前景視頻與超高清虛擬場景高效合成的關鍵設備，特別是4K/8K分辨率級別的產品，可支持高達7680×4320、3840×2160的清晰度，并兼容P100/P120、P50/P60等多種幀率，保障了視頻處理的兼容性與靈活性。其核心在于內部的高品質色鍵摳像模塊，它可精準地分離前景與背景，完成復雜場景下的高質量摳像。同時，色鍵器還搭載廣播級外置摳像設備，輔以專業(yè)廣播級摳像卡，大幅提升了摳像的精確度與效率，較好地滿足了廣播電視工程對畫面質量的嚴苛要求。

4.2.2 綠箱

綠箱作為數字攝影棚的核心組成部分，對于保障摳像畫面的質量具有不可或缺的作用。在搭建綠箱時，可結合廣播電視單位的節(jié)目需求與實際場地條件，靈活選擇U形、L形或扇形等形式，最大限度利用空間，也可為主持人與攝影師提供充裕的活動區(qū)域[6]。搭建綠箱過程中，需特別注意地面的清潔與整潔及轉角處的平滑過渡處理，這些因素直接關系到摳像效果的精準度與整體畫面的質量。一個設計科學合理的綠箱，一方面可為廣播電視節(jié)目制作提供一個更為高效、專業(yè)、實用的拍攝環(huán)境，另一方面可顯著提升真實拍攝與虛擬場景的融合度。

4.2.3 煊染平臺

本系統(tǒng)采用實時渲染平臺，依托GPU與CPU的協(xié)同工作結構，顯著增強了圖像與視頻的處理能力，為超高清圖形的渲染提供了強大的技術支持。此渲染平臺不僅功能全面，還集成了場景構建、虛擬前景生成、修改以及圖文包裝制作等多項功能。借助真實的光跡追蹤技術與先進的光照算法，以及流暢的空間搖移效果，該平臺能夠實現虛擬場景與現實的完美融合，從而大幅提升超高清電視節(jié)目的視覺沖擊力。

4.2.4 多種跟蹤模式

虛擬演播室通常采用網格、紅外移動或機械傳感等跟蹤模式，且每種模式均具備其獨特的優(yōu)勢與局限性。為充分發(fā)揮各種跟蹤模式的優(yōu)點，并更好地適應廣播電視節(jié)目制作的多樣化需求，本設計綜合運用多種跟蹤模式相結合的策略。有效整合無軌、光學及電動等跟蹤技術，輔以小型至中型的紅外線追蹤器、智能3D追蹤搖臂與攝像機搖臂，實現了有軌機械傳感與無軌跟蹤的有機融合[7]。

4.2.5 模型設計

模型設計是指借助C4D、3DMAX等專業(yè)三維建模軟件，來打造逼真的三維場景模型，用以精準模擬真實世界的視覺效果。借助三維模型設計技術，一方面能夠輕松實現動態(tài)、靜態(tài)及動靜結合的圖形與視頻設計制作，另一方面還可創(chuàng)設出植物、動物及風景等多種虛擬特效，極大豐富了電視節(jié)目的視覺呈現。模型設計為相關從業(yè)人員提供了一款便捷且高效的制作工具，使得廣告、電視或電影等節(jié)目的制作過程更具創(chuàng)意，實現獨特、新穎的視覺效果，進而提升整個節(jié)目的視覺吸引力。

5. 結束語

伴隨技術的持續(xù)進步與市場的日益成熟，本文設計的虛擬演播室系統(tǒng)有望在廣播電視行業(yè)乃至更多領域得到更廣泛的應用，并發(fā)揮更重要的作用。未來，將持續(xù)研究與探索更多新興技術，如虛擬現實、大數據、人工智能等，進一步優(yōu)化與完善虛擬演播室系統(tǒng)，以實現更個性化、智能化的節(jié)目制作，進而為觀眾帶來更精彩、豐富的視聽體驗。

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