虛擬演播室的技術特點及布光要求

韓振雷

（山東理工大學 計算機學院傳媒技術系，山東 淄博 255049）

虛擬演播室（Virtual Studio）技術是鍵控摳像（Keying）技術、電腦三維圖形技術、攝像機跟蹤技術和燈光藝術相結合的產物，可以將攝像機拍攝的現場視頻與電腦生成的三維場景或事先拍好的視頻素材基于一定的透視關系實時疊加，使人物與虛擬環境同步變化，從而實現兩者天衣無縫的融合，獲得完美的合成畫面。虛擬演播室突破了傳統演播室的空間限制，用“電子布景”（Electro Studio Setting）代替了耗材又費時的人工背景和實物道具。電子布景即虛擬場景，不受物理時空的制約，可無限次重復使用，既縮短了節目制作周期，提高了演播室的利用效率，又使畫面的表現形式更為豐富，節目內容更為精彩。

1 虛擬演播室的技術特點

1.1 色鍵摳像技術

色鍵摳像是一種鍵控摳像（Keying）技術，可以實時地使背景透明化，然后用計算機生成的三維場景代替原虛擬演播室的場景。最有代表性的三種鍵控摳像類型是色度鍵摳像（Chroma Key）、亮度鍵摳像（Luma Key）和阿爾法通道摳像（Alpha Key），藍屏摳像（Blue Screen Key）和綠屏摳像（Green Screen Key）是色鍵摳像的兩種子類型。虛擬演播室最常采用的色鍵摳像是藍屏摳像，理論上也可以采用綠屏摳像。摳像的下一步，或者說摳像的目的，就是為了視頻后期合成。實時渲染軟件通過攝像機跟蹤數據對摳像后的實拍視頻和虛擬場景進行實時合成，形成最終的畫面輸出。

1.2 同步跟蹤技術

在傳統的鍵控摳像技術中，當攝像機鏡頭運動時，雖然實拍的畫面屬于運動鏡頭，但與之合成的背景素材并不發生跟隨變化，實拍視頻和背景之間缺乏同步動作關系，運動鏡頭的運動特征虛假、失真。而虛擬演播室技術采用傳感器跟蹤攝像機的運動，將攝像機的推、拉、搖、移、升降甚至聚焦、變焦等運動參數送入電腦進行運算處理，然后控制電腦生成的三維場景中的虛擬攝像機，使其與演播室中的真實攝像機形成聯動關系，從而實現虛擬場景與實拍視頻的同步動作。虛擬演播室技術是對傳統演播室技術的一次重大變革，廣泛地用于天氣預報、影視廣告和電影、電視劇制作中，其關鍵技術是攝像機同步跟蹤、色鍵摳像和實時渲染合成。

所謂同步跟蹤技術，就是虛擬演播室中的所有攝像機都配有運動檢測和識別系統，通過光學或機械定位方式生成描述攝像機運動和鏡頭透視狀態的數據，控制三維場景中的虛擬攝像機在鏡頭視點和透視關系等方面作同步運動。虛擬攝像機與真實攝像機的初始位置并無直接關系，它可以放在虛擬空間的任意位置，當虛擬演播室中有多臺攝像機且進行機位切換時，還必須處理好真實攝像機和虛擬攝像機的數量及空間關系，也就是要對虛擬攝像機進行精確的初始位置鎖定。如果一開始不能使虛擬攝像機與真實攝像機在數量及空間位置上形成嚴格的對等關系，或不能使兩種攝像機鏡頭運動參數的初始量保持一致，那么在機位切換時，觀眾將會看到人或景物從虛擬背景中的某處突然“跳”到另一位置，這種類似跳切的現象會給人以虛擬、別扭的不真實感。

1.3 空間結構

虛擬演播室中，節目主持人或演員走動或表演的場景空間有“一墻一底”式、“兩墻一底”式和“三墻一底”式3種。其中“三墻一底”式俗稱藍箱（Blue Box）或藍屋（Blue Room），其優點是空間大，攝像機機位受限小，鏡頭運動范圍廣。所謂藍箱就是涂有一層藍色油漆的由三個墻面和一個地面構成的U型空間，如圖1所示。這個藍色“小屋”連同相關軟、硬件系統共同構成了基于U型藍箱的虛擬演播室。在制作藍箱時，墻面與墻面及墻面與地面的交匯處要做成半徑為30 cm左右的圓弧，使其平滑銜接，看不到邊緣交匯痕跡，以保證受光均勻，不出現線狀陰影。

U型藍箱的三個立面和一個水平面都必須染成標準的藍色，通過摳像處理，攝像機實拍的影像中，所有藍色的區域將變為透明狀態，非藍色的實景可以保留下來，和計算機生成的三維場景實時合成后，即為我們在電視上所看到的畫面。藍箱的頂面用來設置照明燈具，不用作顏色處理。和正面的背景相對的另一個立面是開放式的，是攝像和視頻技術人員的工作區域，如圖2所示。

在虛擬演播室的軟件系統中，需要一個專門制作三維場景的三維動畫軟件（如3DS MAX、MAYA等）。在制作虛擬場景時，首先要在軟件中建立一個虛擬藍箱并將真實藍箱的長、寬、高尺寸及真實攝像機的鏡頭焦距、視點等參數賦予虛擬藍箱，然后將每一臺真實攝像機的鏡頭及云臺運動參數用傳感器轉換為電信號送入虛擬演播室主機，以實時控制虛擬攝像機和真實攝像在鏡頭視點和透視參數上形成聯動關系的三維場景。攝像機實拍的視頻最初是藍色非透明的，摳像后背景呈透明狀態，和電腦生成的三維場景合成后，最終形成具有真實透視效果及空間關系的電視畫面。

另外，虛擬演播室技術要注意處理好虛擬場景的景深問題。當演播室內的真實攝像機推出人或道具的特寫時，由于此時鏡頭處于長焦狀態，景深很淺，所以，要求虛擬攝像機的相應鏡頭參數也要同步變化，使虛擬背景處于恰當的虛焦狀態。

2 虛擬演播室的布光特點與要求

虛擬演播室在技術上的獨特性，決定了其布光方法與用光方式和普通演播室環境有很多不同之處。

2.1 虛擬演播室的基礎光

虛擬演播室的基礎光可保證虛擬演區內有一個均勻的基礎照度，除滿足視頻摳像的基本要求外，還可防止人物形象扁平化。人物在演區內運動時，背后都有一定的輪廓光效果，從而使實拍人物和虛擬背景間呈現出一定的層次距離，保證合成畫面的真實感。布置虛擬演區的基礎光時，要求三個藍色墻面及地面的照度必須非常柔和、均勻，不得出現光線暗區和死區。一般來說，三個立面的照度宜控制在500 lx ～ 600 lx，太暗摳像效果不佳，太亮會產生藍光反射，人物接近藍色墻面時，反射到人臉上或衣服上的藍光，會導致摳像時產生“摳穿”現象，藍箱尺寸越小，這種現象就會越明顯。由于人物光開啟后，藍色地面的照度會明顯提高，所以，由基礎光照明所產生的地面照度不用太高，一般能到200 lx ～ 300 lx即可。

除亮度均勻、適中，光質柔和外，基礎光是否合乎要求的一個重要標志是人物在虛擬演區內行走時，不得出現可覺察的人物影子，否則，摳像效果會顯得不干凈，影響合成后的畫面質量。基礎光燈具一般選用雙反射柔光燈、三基色柔光燈或雙聯天幕燈。使用雙聯天幕燈時，最好在燈口處加一層柔光紙，否則，很可能會出現明顯的光線輪廓，影響摳像效果。

2.2 虛擬演播室的人物光

2.2.1 主要布光原則

虛擬演播室中的人物布光一般采用典型的三點布光方式，即主光、輔光和逆光三種光型的布光。但通常人物的面光明暗對比較弱，布光效果接近平光，以盡量避免人物身上形成燈光投影。為了增強節目的真實感和活潑感，主持人經常在一定范圍內處于走動狀態，因此，需要在三點布光的基礎上進行連續布光，大型的虛擬演播室通常還需要進行分區布光。人物布光中的主光和逆光一般采用螺紋聚光燈，輔光用三基色柔光燈。用螺紋聚光燈作主光時，可能會產生較為明顯的人物陰影。人物及道具的陰影是不能通過摳像去除的，如不希望出現陰影，可在螺紋聚光燈前附加柔光紙或全部采用三基色柔光燈。如希望合成的畫面中出現陰影，主光可采用光質較硬的燈具，但需要注意實拍畫面中的陰影應與電腦生成的場景中主光源的光位相統一，不得出現投影方向的常識性錯誤。如果虛擬場景中的立面與演播室背景的輪廓形狀相差較大，最好通過控制燈具的光位使陰影落在虛擬演播室的地面而不是立面上。如果虛擬場景中無明顯的主光方向，實拍畫面中最好也不要出現人或道具的陰影。

2.2.2 需要注意的問題

（1）腳下陰影

如燈光布置不當，人物運動時腳下可能會出現陰影，不但影響摳像效果，而且還會使圖像產生雜波及閃動現象。解決的辦法是在藍箱體外沿處加裝若干個地排燈，以提高人物鞋底和邊沿的亮度，削弱人物運動時腳部的陰影，使人物處于運動狀態時和虛擬地面的接觸更自然、真實。同時，由于地排燈的作用，可使人物的面光變得更均衡、細膩，通過削弱人物身上的初級投影并柔化頸部陰影，增強摳像與合成效果。

（2）逆光

傳統的布光原則是逆光強于主光，從而凸顯人物鮮明的輪廓光效并增強空間立體感。在虛擬演播室中，如逆光太強，會使藍箱地面顯得亮白而破壞藍箱色調的一致性，影響電腦摳像效果。如逆光太弱或不用逆光，雖然有基礎光的存在，但實拍畫面中的人或景物可能和電腦生成的虛擬背景不能充分分離，從而在一定程度上影響到場景的縱深感，不能更為生動地體現人與場景的空間關系。

（3）耳光

虛擬演演播室中通常還需要設置耳光。由于藍箱的虛擬演播室最終是要把所有的藍色透明化的，因此，從藍箱的三個立面反射到人物服飾邊緣上的藍色部分將被摳除掉，使人物邊緣出現“黑邊”現象。耳光可消除人物邊緣上的藍色成分，從而保證摳像質量。主持人在藍箱內活動時盡量不要太靠近藍箱的三個立面，以減輕藍色反射光的“著色”現象。當然適度降低藍箱墻面和地面的照度，也是防止摳像時人物邊緣出現“黑邊”現象的有效措施。

（4）道具

除一般的串聯性質的語言類節目外，虛擬演播室也廣泛地用于制作文藝類、科幻類、情景類及天氣預報、影視廣告、電影、電視劇等節目。不管是哪一類節目類型，除主持人及演員外，為了提高場景的真實感，根據節目的內容和形式，往往都會在藍箱演區內添加一些實景的道具，如桌椅板凳、花卉、裝飾品等。摳像處理后，人和道具都完整地保留下來，作為前景元素和電子場景（其他實拍視頻或電腦生成的三維場景）合成為最后的播出畫面，如圖3所示。

在運用虛擬演播室的道具時要注意，道具及人物穿的服裝均不得含有藍色的成分，否則極易出現“摳穿”現象。道具的顏色宜深不宜淺，否則，摳像不干凈。道具的照度要與藍箱背景的照度及虛擬場景的亮度保持在相近的水平上，以保證光照的一致性和真實感。還有一點也很重要，那就是人物的服裝和道具的材質不能太光亮，否則，會將藍色立面甚至藍色地面上的藍光反射進攝像機鏡頭，這同樣會導致出現“摳穿”現象。

3 虛擬演播室和普通藍背景演播室的區別

在電視節目制作中，會經常用到用于普通摳像技術制作的藍背景演播室，其構造與一般的演播室相同，只是加設一面藍色的背景墻。制作節目時，不采用攝像機跟蹤及實時渲染等技術，拍攝后再進行人工摳像，然后與作為背景的其他素材進行后期合成。藍背景演播室和真正的虛擬演播室在技術和功能方面有著很大的不同。

（1）技術特點不同

藍背景演播室由于沒有攝像機跟蹤及實時渲染技術，不能做到邊摳像邊實時播出，只能實現“錄播”（除非有意保留純藍背景），而虛擬演播室的拍攝、摳像、實時渲染與合成是“一氣呵成”的，無需后期制作，因而，完全可以實現“現場直播”。

（2）功能不同

藍背景演播室由于只有一個平面背景，不管是攝像機的推拉搖移動作，還是人物的表演范圍都十分有限，范圍稍大就會超出藍背景區域，使色鍵摳像無法實現，因而，只適合靜態人物或活動范圍很小的動態情節的拍攝。而虛擬演播室的藍箱是一個較大的三維空間，允許攝像機和人物有較大的動作范圍，可以滿足包括情景劇、動作片等多種影視節目的制作需要。

當然，如果先在虛擬演播室的藍箱環境里進行拍攝，然后在后期進行摳像與合成，也是完全可以的，事實上很多基于摳像、合成的節目也是這樣生產出來的。但是，由于放棄了攝像機跟蹤、實時渲染等虛擬演播室的關鍵技術，因此，從技術層面上講，此時的演播室已經不是虛擬演播室，而是普通的藍背景演播室了。相較而言，建設虛擬演播室需要的資金投入和技術投入都比較大，制作節目的技術要求非常嚴格，無疑要加大制作節目的成本，如果只是錄制常規的電視節目，普通的摳像技術相對來說更方便適用。

[1]李宏虹. 現代電視照明. 北京：中國廣播電視出版社，2005