虛擬演播室系統設計與技術分析

高乙超 重慶廣播電視集團（總臺）

隨著時代進步和科技發展，虛擬演播室、虛擬技術等現代科技不斷被應用在電視節目當中，通過各種虛擬技術研發和利用，不僅可以降低演播室內景觀搭建的造價和人力物力的投入，還可以豐富觀看者的視覺感受，將一些不可能在現實生活中呈現出來的場景虛擬出來，同時不斷地促進相關行業的進步和發展。

一、虛擬演播室系統設計原理技術分析

（一）運動跟蹤技術

常見的運動跟蹤技術分為機械傳感跟蹤，紅外跟蹤和網格定位跟蹤方式。

將跟蹤器設置在攝像機內，然后通過運動跟蹤技術準確的定位拍攝畫面和各項信息數據，這種跟蹤方式屬于機械傳感跟蹤系統。對于一個節目的錄制，相關制作人員需要將錄制要求和數據信息提前設定好，之后再由攝影師按照要求調節攝像機的變焦環、聚焦環、機頭的高度和角度等，同時安裝運動數據編碼器，這樣相關制作人員便可以及時準確的了解到各種信息數據，并做出合理的判斷和制作，從而實現前景、背景、人物等相互協調配合的要求。機械傳感跟蹤系統的技術較為成熟，在節目錄制過程中應用較為廣泛，尤其是對一些不轉換攝像機位置的演播室，如新聞聯播、節目解說、訪談節目等。但是隨著目前電視節目錄制的內容越來越豐富，這種固定攝像機的拍攝方式存在著較大的局限性，已經不能滿足部分節目錄制的需求，所以這種拍攝需要制作人員根據節目類型來進行合理的選擇。

圖像識別跟蹤技術同樣也是目前應用范圍較為廣泛的一種運動跟蹤技術，其作用原理是由控制端控制攝像軌道，對其輸入相應的傳輸信號和拍攝要求，再經過相應的數據信息和跟蹤技術進行拍攝，然后實時向視頻切換臺或制作系統傳送拍攝畫面。這種跟蹤系統與機械傳感跟蹤系統相比，需要更高的控制技術、傳輸技術，同時對于藍箱的要求也非常的高，需要將各種信息數據直接作用在藍箱的背景上，為了保證呈現的效果，必須嚴格控制數據信息的及時性和準確性。同時利用龐大的計算機技術，計算出每個畫面在運動過程中所產生的參數，將其傳送到控制臺或者制作系統上，就可以準確地確定攝像機應該拍攝的具體位置和角度，使攝影師對攝像軌道、角度、方位做出正確的判斷，從而獲取到準確的拍攝畫面[1]。

本臺根據實際使用情況，對比幾種定位方式的優缺點。最終采用了兩臺固定機位加一臺通過機械傳感定位的機器人搖臂的方案。這樣避免了主持人在節目錄制中運動范圍受限的缺點。

（二）色鍵技術

虛擬演播室中的場景不僅有虛擬的背景、前景、各種擺放物品，還需要將人完美的融合在其中，并且還需要保證畫面的真實性和利用各種技術完善虛擬物體之間的復雜關系，從而使虛擬演播室中各種虛擬物體之間可以形成自然的重合，這就需要色鍵技術對其進行專業的處理。從虛擬演播室系統剛剛投入使用時色鍵技術就已經得到了廣泛的應用，可以使觀看者自主掌握視頻畫面明暗度和清晰度，目前虛擬演播室系統中所應用的色鍵技術是一種被稱之為Z軸深度鍵的技術。作用原理主要是利用層次級深度鍵技術和像素級深度鍵技術，將虛擬畫面中的物體歸類到有限的深度層中和將虛擬影像中每一個畫面像素都給予相應的Z軸深度值。這項技術必須保證畫面中人物位置不能一直變換，才能使畫面中虛擬物體、真實物體和人物在相互影響和遮擋的情況下，呈現出形象具體的畫面。

在色鍵器的選擇上，我臺使用了Ulitmatte500色鍵器。

①摳像調整：選擇Menu->Matte功能摳像功能下最關鍵的是“MatteDensity”（調整摳像的黑白鍵的密度）、“BlackGloss”（調整摳像黑白鍵的對比度，讓鍵信號的黑白對比強烈）、“CleanUpLevel”（可以用來清除摳像中網格線、和調整摳像細節，如：發絲、煙霧、半透明物體）、“CleanUpthreshold”（進一步調節摳像細節，效果不如CleanUpLevel明顯），“glare”（調節人物陰影在地面的摳像細節）。摳像過程建議：選擇“fileclear”清除摳像參數，恢復參數默認值。調整“cleanuplevel”，清除網格線在“VIEW功能區”選擇“matte”讓電視墻色鍵監看輸出顯示黑白摳像狀態調整“mattedensity”設置基本摳像狀態，使得不透明的物體顯示黑色，被摳掉的區域顯示白色，也就是讓黑白顯示基本分明。對于摳像后由于物體反射演播室藍光等原因導致本不該被摳透的物體稍微有些半透的時候，通過調節“blackgloss”，可以使黑白鍵信號對比更強烈，使得不該被摳透的物體不被摳透。②對于摳像后，物體顏色變色的處理當虛擬演播室中如果主持人穿有粉色、紫色等色系的衣物，那么通常在經過摳像處理后，服裝顏色有很大變化，粉紅、紫色會偏紅色，遇到這樣的情況需要還原圖像中被摳掉的藍色成分。如何處理：“Menu功能區”中選擇“FG”—“flare”—“gate2”，調節“gate2”的值到100%即可解決。③對于來自攝像機的前景圖像信號中人物、物體右側的黑邊處理如何處理：“Menu”菜單中選擇“matte”—“mattesize”—“positionhorizontal”，調整“positionhorizontal”的值，并在監視器上監看調整的效果。④如何自動摳像“Menu功能區”中選擇“matte”—“screencolor”—“autoscreenselect”來完成自動摳像。自動摳像后應該做細微調整。⑤如何手動對某個點進行采樣摳像：“Menu功能區”中選擇“matte”—“screencolor”—點選“cursorenable”（使cursorenable狀態為綠色，觸發光標許可），調節“cursorposition”和“cursorposition”選擇監視器中摳像采樣區域，并選擇“usescrncolor”。

（三）計算機圖像技術

計算機圖像技術是虛擬演播室系統中極其關鍵的環節，演播室中所有虛擬場景都是由計算機圖像技術制成的。這項技術可以將人們現實生活中不可能見到的場景呈現出來，并且對于一些很難實現的場景或道具可以通過計算機圖像技術呈現在虛擬演播室中，不僅減輕了節目錄制的難度，從一定程度上還節省了節目錄制的成本投入。另外，通過計算機圖像技術的應用，使虛擬演播室呈現的畫面提升了節目錄制的效果，極大程度上推動了電視行業的發展，同時電視行業的發展也使計算機圖像技術的應用越來越廣泛[4]。

我臺在虛擬場景制作和渲染上選擇了北京艾迪普公司的iArtist軟件。艾迪普iArtist是新一代實時三維圖形圖像引擎技術，由實時三維圖形圖像渲染、跟蹤、識別、處理引擎共同構成。其高效的算法保證了更大的處理能力和運算效率，可實時渲染高質量及大量的圖形圖像，使創作者在使用基于該引擎技術所開發的軟件工具時，能夠實時進行渲染，這種細膩而帶高質感的渲染能力，使畫面內每個場景及物件細節都如在現場真實顯現，效果更加自然。其操作界面如圖所示。

IStudio基于IDPRE圖形圖像渲染引擎技術平臺，為演播室節目提供了一個簡單且功能強大的播出控制系統。IStudio與現有新聞網聯動，快速生成播出串聯單，并實現外部數據圖形圖像可視化功能。它不僅講模板、文件、數據和文本所有網絡化的圖文要素完美結合，而且將眾多種類的設備有機結合起來，大大節省了演播室人員的勞動強度。同時IStudio可完成其他設備的聯動功能，與艾迪普其他產品相結合，可實現實時三維在線包裝，點評觸控，大屏播控等多種播出方式。

二、燈光系統的設計

燈光的設計上，充分考慮了虛擬演播室的特點。避免陰影和高亮區域對摳像效果的影響，采用了三基色柔光平面燈。面光高度盡量低平，均勻柔和，消除亮邊綠邊對摳像效果帶來的影響。照度上不宜太高，一般可控制在 500～6001x。主持人在這種基本光照明下運動，不會產生太大的陰影。虛擬演播室燈光測光一定要消除主持人衣服輪廓上的綠色邊沿光，避免對摳像產生影響。同時，逆光不宜太強，太強的逆光會在地面產生亮斑，進而對摳像產生影響。

三、結語

綜上所述，虛擬演播室系統利用了很多現代化技術呈現出多種多樣的電視節目，并且隨著時代進步、科技發展，虛擬演播室系統設計與技術也在不斷進行改變，使虛擬畫質水平得到顯著提高，并且具有強烈的真實感和科技感。虛擬演播室的運用還降低了電視節目的制作成本，同時也是電視行業重要的發展方向。