虛擬演播室的構建及應用

談 鈞

（武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080）

虛擬演播室的構建及應用

談 鈞

（武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080）

介紹了虛擬演播室的工作原理，根據工作原理構建了一套獨特的多功能虛擬演播室，探索了“單通道三機位”虛擬演播室系統在實際中的運用與發展。

虛擬演播室；系統構建；虛擬場景

虛擬演播室（Virtual Studio）技術是在色鍵系統的基礎上發展起來的，就是用計算機圖形技術搭建的虛擬場景替代真實布景，工作中將實景信號和虛擬三維場景通過色鍵處理，進行完美融合的一種新型電視節目制作技術。隨著網絡的推廣普及，網絡視頻教學，在線學習等新的學習手段開始豐富人們的業余學習生活。通過虛擬技術可以創建具有真實感三維空間，提高演播室的使用頻率，縮短課件制作期周期，豐富教學資源，完善學習環境，達到提高教學效果的目的。本文根據其工作原理構建了獨特的多功能虛擬演播室。

1 虛擬演播室的工作原理

虛擬演播室的工作原理如圖1所示：攝像機采集藍室里面的前景信號，包括前景的人物，景物，送入色鍵控制器，進行摳像；摳像后的信號傳輸到虛擬服務器，與虛擬三維場景進行合成；虛擬服務器通過RS－232進行虛擬控制，將合成信號傳輸到色鍵控制器，傳輸到切換臺進行虛擬或者實景的選擇，最終輸出的信號進入到非編和視頻會議以及回監顯示器。

圖1 演播室工作原理

2 虛擬演播室的構建設計

虛擬演播室技術是由色鍵摳像技術、電腦三維技術、攝像機跟蹤技術和燈光藝術相集合的產物［1］。虛擬演播室的系統可以根據不同的需求而采用不同的設計方案來構建。

2.1 整體架構的設計思路

虛擬演播室技術分為傳統虛擬演播室和真三維高清演播室，兩者的主要區別在于是否配置同步跟蹤技術。同步跟蹤技術是在每臺攝像機上面裝一個跟蹤器，將采集的信號以及實時的坐標（空間X、Y、Z參數）傳送到虛擬服務器，與虛擬的三維背景參數進行對應，當前景在變化時，虛擬背景的參數同時在變化，符合人的正常視覺效果。由于同步跟蹤設備價格高昂，而傳統虛擬演播室通過相應的設置也能達到相應的三維效果，本文就采用了后一種方法。通過對設備的合理利用和開發，構建了獨特的多功能虛擬演播室。演播室主要由以下幾個系統構成：前景信號采集系統、虛擬場景生成系統、視音頻合成系統、視頻會議在線學習系統。

2.2 系統信號流程

為了更大化利用原有的設備，擴充演播室的功能，在前景信號采集的設計中，利用原有的索尼HVR－Z1C進行實景信號采集，也就是一路標清的SDI信號，同時新引進兩臺索尼公司最新推出的HVR－Z7C高清攝像機，可以拾取兩路高清攝像機的HDMI信號（或SDI信號），通過視頻服務器還可以拾取一路電腦的外視頻HDMI信號，也就是實現了單通道三機位四路信號同時輸入，即一主兩副三個機位，分別對應主講席正面，側面，觀眾席，加上外視頻對課件的實時錄制，在錄制過程中間可以根據需求對不同的鏡頭進行切換。

前景信號流程如圖2所示：兩路攝像機的高清HDMI信號進入直接進入色鍵系統，與虛擬服務器輸出的圖形背景信號合成為虛擬演播室的最終信號。而外視HDMI信號直接進入虛擬服務器，在虛擬背景上直接進行切換，根據需求直接在虛擬服務器上直接輸出。另外一路攝像機SDI信號則直接進入Data video SE－900特技臺，SE－900根據需求利用不同的切換特技進行實景和虛擬的切換，加強現場的真實感。

圖2 前景信號流程圖

2.3 色鍵器的選擇

色鍵技術是虛擬演播室系統中最為關鍵的一環，色鍵技術的優劣直接影響到最終的合成效果。美國高創公司推出的SMARTMATTE系列色鍵是專用于虛擬演播室系統摳像的專業設備，是業內獨有的采用內置DSP芯片進行色鍵算法處理的全數字摳像合成設備，采用線性鍵的方式對紅、綠、藍三種顏色進行摳像合成，因此可以合成煙霧、透明物體，可以保留前景物體的更多細節而不出現邊緣的鋸齒。本虛擬演播室選用了SMARTMATTE HDMI色鍵器，保證了虛擬演播室的摳像質量。

2.4 虛擬場景的開發

高清三維虛擬服務器可以實時讀取3Dmax、Maya等國際通用的建模軟件構建好的場景模型，此外，在虛擬的場景中還可以自己的添加多個虛擬物體，并進行特效處理。虛擬物體可以是動態的，如運動的視頻，飛行旋轉的地球和LOGO以及運動的樹葉、雨雪、禮花、云霧、游動的雨、飛舞的蝴蝶等虛擬特效；也可以是靜態的，如各類圖形圖片以及模型材料等。在我院精品課程錄制的過程中，就通過將我院風光作為背景，學院名稱和課題直接設計到虛擬背景中，可以實現虛擬視頻窗（如課件）與全屏幕視頻畫面的自由切換、視頻窗的飛入、飛出等特技。在虛擬服務器中，可以根據需要制作各種形式的背景，制作不同類型的視頻素材可以選用不同的背景，這樣，加大了虛擬演播室的利用率，降低了制作成本。

2.5 視音頻延時處理

在采集信號過程中，視頻和音頻是不同的通道進行采集，由于色鍵摳像和虛擬合成等工作都需要一定的處理時間，從而形成了聲音信號與視頻動作信號的不一致。為了解決視音頻的不同步，通常增加延時設備，音頻信號從YAMAHA MG124C調音臺出來后通過DL60進行音頻延時從而實現視音頻信號的同步。由于本虛擬演播室沒有采用同步跟蹤技術，計算機不需要很長時間的計算，此系統設定160ms的延時就可以確保聲畫同步。

2.6 視頻會議在線學習系統

該系統最終將合成信號設置了四路輸出，其中，兩路給回監，一路回監信號到演播室，方便攝影師查看實景人物在三維空間的位置，一路回監信號傳回給特技控制臺，方便三維場景的設定和監看，一路給非線性編輯系統進行采集和編輯，一路給視頻會議系統，可以進行現場的網絡發布。只要有互聯網的地方，就可以通過互聯網進行實時的學習和交流，實現網絡課堂。視頻會議系統的加入，將虛擬演播室的功能更加的具體化，可以用于大型的、正式的發布會。

3 虛擬演播室的應用

3.1 高職精品課程制作

目前各高校都在開發各類學科的視頻教學節目，我院也專門打造精品課程建設專欄，讓優秀的教師走入虛擬演播室，將授課主講教師的授課內容與多媒體課件與根據教學需求進行合成，實現最佳的教學效果。同時，虛擬演播室進行精品課程的錄制對教師的教學也有很大的促進，對教師多元化教學提出了更高的要求。通過精品課程的錄制，教師能發現自身教學中存在的不足，加以改進。

3.2 在線大工種培訓課程制作

武鋼內網的e－Learning平臺里面的資源主要以管理課程為主，而生產在第一線的技術工種沒有充足的學習資源，不能滿足絕大部分員工學習的需求。而利用虛擬演播室可以開發完全符合現場生產要求的高質量、高水平的在線學習課程，能夠完善數字化學習資源，滿足同步或異步學習的需要。

3.3 遠程教育

針對合作辦學，包括電大、成教、自考、研究生學習，開發更多合理的學習資源，開展更多途徑的教學方式，都是勢在必行的趨勢。虛擬演播室技術可以很好的運用在遠程教學中，通過視頻會議系統，可以將處于不同空間的人組織起來一起交談和演示，也可以制作各種類型的專家訪談活動，對某一問題進行實時的溝通與交流。授課教師可以通過虛擬演播室，把很多空間的概念加以實體化，以動態或者靜態的方式展示在學生面前，并支持學生的在線答疑，能夠彌補時間和空間的缺陷。在網絡遠程授課和教學的同時還可以進行全程的課程錄制，作為教學資料和后期教學研究手段。

3.4 校園文化建設

虛擬演播室可以制作各種類型的校園文化節目，如新聞發布，節目訪談，文娛節目，求職視頻，個人展示等，豐富校園文化生活，更大的促進校園文化建設，也是對學院的一種宣傳手段。

3.5 教學實訓基地

虛擬演播室可以作為動漫專業學習的實踐基地，可以讓學生構建不同的虛擬背景和虛擬事物，并與現實場景一起進行加工合成，實現虛實結合，更大的促進學生的專業技術水平的發展。

虛擬演播技術作為一種新興的高質量、高效率的技術，有很大的開發和利用的空間。總之，沒有做不到的，只有想不到的，好的創意可以立即實現到場景中。但是很重要的一點，從設計到開發，需要一支高素質的隊伍才能將虛擬演播室的優勢充分挖掘出來，發揮其最大的功能。

［1］ 陳健森.淺談虛擬演播室技術及構建實例［J］.廣播與電視技術，2011，（7）：106－109.

Construction and Application of Virtual Studio

TAN Jun

The working principle and basic construction of the Virtual Studio are introduced，and the"single channel of three seats"virtual studio system in practical application and development are explored.

Virtual studio；System construction

TP391.9

A

1671－3524（2012）02－0033－03

（責任編輯：李文英）

2012－05－09

2012－05－20

談 鈞（1983～），女，助教.E－mail：tj＠wgxy.net