虛拟演播室:電視節目制作技術-中文百科頻道

概念

虛拟演播室系統（The Virtual Studio System，簡稱VSS）

虛拟演播室系統應用攝像機跟蹤技術，獲得真實攝像機數據，并與計算機生成的背景結合在一起，背景成像依據的是真實的攝像機拍攝所得到的鏡頭參數，因而和演員的三維透視關系完全一緻，避免了不真實、不自然的感覺。由于背景大多是由計算機生成的，可以迅速變化，這使得豐富多彩的演播室場景設計可以用非常經濟的手段來實現，由于它本身所具有的無窮魅力以及其不可低估的發展前景，迄今已被越來越多的節目制作及有關人員所關注。采用虛拟演播室技術，可以制作出任何想象中的布景和道具。無論是靜态的，還是動态的，無論是現實存在的，還是虛拟的。這隻依賴于設計者的想象力和三維軟件設計者的水平

。許多真實演播室無法實現的效果，對于虛拟演播室來說，确是“小菜一碟”。例如，在演播室内搭建摩天大廈，演員在月球進行“實況”轉播，演播室裡刮起了龍卷風等等。現在有的電視台已經起用了虛拟主持人，并且成為了明星，他們不僅可以配合真人的主持人主持節目，而且還可以單獨主持節目。這些都是虛拟演播室創造性的體現。

虛拟演播室的産生，給視頻節目制作、電視廣播帶來了一場革命。

三維虛拟演播室的跟蹤技術有4種方式可以實現，網格跟蹤技術、傳感器跟蹤技術、紅外跟蹤技術、超聲波跟蹤技術，其基本原理都是采用圖形或者機械的方法，獲得攝像機的參數，包括攝像機的X、Y、Z、（位置參數）Pan、Till、（雲台參數）Zoom、Focus（鏡頭參數）由于每一幀虛拟背景隻有20ms的繪制時間，所以要求圖形工作站實時渲染能力非常強大，對攝像機的運動沒有更多的限制，一般适合專業電視台，對節目制作要求較高的用戶使用。

另一種方法是預生成三維背景，即要首先制作好背景的三維模型，然後預先定義好攝像機的運動和參數設置，根據這些數據生成每台虛拟攝像機的視圖畫面，最後運用色健将前景和相應的虛拟背景結合起來。這種方式可以生成比較真實的虛拟背景，對圖形工作站實時渲染能力要求不高，攝像機隻可以切換機位（攝像機機位必須事先與背景調整好比例和透視關系），不可以做其他的運動，這樣的虛拟演播室适合學校以及電教中心，投資較小，要求不高的用戶使用。

曆史

1978年， Eugene L.提出了“電子布景”（Electro Studio Setting）的概念，指出未來的節目制作，可以在隻有演員和攝像機的空演播室内完成，其餘布景和道具都由電子系統産生。随着計算機技術與虛拟現實（Virtual Reality）技術的發展，在1992年以後虛拟演播室技術真正走向了實用。1993年，以色列ORAD推出了世界上第一套真三維虛拟演播室，此後另外一家以色列廠商RTSet也推出了基于傳感器跟蹤技術的真三維虛拟演播室，此後的10年中，虛拟演播室廠商陸續推出自己的産品，西班牙的BrainStorm，BBC英國廣播電視公司的虛拟演播室，法國PSY等等，以及2000年之後中國大洋、奧維迅、新奧特也相繼推出自己的虛拟演播室産品，虛拟演播室要求實時圖形圖像渲染技術很高，并要求配合方便，使用便捷的虛拟演播室跟蹤技術，經過市場的淘汰、演變，所剩餘繼續發展虛拟技術的廠商逐漸減少，2008年之後，一些無跟蹤的虛拟演播室技術開始推向專業市場，被稱為無軌跟蹤虛拟演播室，此類虛拟演播室沒有攝像機跟蹤技術，無法獲得真實攝像機的運動參數，圖形工作站也無需按照攝像機的運動實時渲染25幀/秒的畫面，因此此種方式的虛拟演播室适合學校、電教室等等非專業用戶的使用。作為數字演播室發展新技術，虛拟演播室技術已成為了當今數字電視演播室新技術的熱點。在1993年IBC展覽會上虛拟演播室技術首次亮像，并在各種電視轉播中得以實現。迄今，中央電視台、各省級電視台、教育行業、企業等大量采用了此技術，該技術的發展促進未來電視行業低碳、減排發展。

特點

虛拟演播室系統是近年來随着計算機技術飛速發展和色鍵技術不斷改進而出現的一種新的電視節目制作系統。在虛拟演播室系統中，攝像機的工作狀态信息傳送給圖形工作站，計算機依此得到前景物體與攝像機之間的距離和相對位置，從而計算出虛拟場景最适宜的大小、位置，并按要求計算生成虛拟場景的三維模型。現場視頻采用色鍵原理，将主持人或演員置身于藍色背景幕布前表演，然後利用切換台上的色鍵功能将主持人從藍色背景中分離出來，實時地與計算機産生的三維模型完美無缺地集成在一起，構成一個現實中不存在的，但是在電視畫面上卻又起到演播室作用的那種假想的新的環境和氣氛，最終得到把将實拍的人物與虛拟景物無縫地融合起來的畫面。

優點

虛拟演播室的優勢是顯而易見的，從畫面可以明顯看出，電腦生成的背景與演員之間的融合簡直是天衣無縫。虛拟演播室系統用軟件來生成背景和道具，它可制作出實際不存在的或難以制作的場景，并可以在瞬間改變場景，可以制作出真實演播室無法實現的效果，其空間不受物理空間限制，攝像機可以以360゜旋轉；還可以引人大量虛拟特殊環境與道具，因此可創作出更豐富、更吸引人的節目,使導演在很大程度上擺脫了時間、空間和道具制作方面的限制，獲得了更大的創作的想象空間，能夠以低廉的成本産生新奇的視覺效果。另外，由于場景的制作、修改、保存等都在計算機上進行，制作和更換電子布景快捷簡便，節省了大量的人力、物力、财力，而且縮短了節目制作周期，提高演播室的利用率等等。虛拟演播室雖然具有諸多的優越性，但它由于價格昂貴，普及和推廣有一定的難度。

關鍵技術

攝像機的跟蹤與定位

在虛拟演播室節目制作過程中，确定攝像機的狀态信息非常關鍵。虛拟演播室專用數字攝像機通常為二到三個，攝像機配有運動檢測和識别系統，即攝像機跟蹤器。其跟蹤方式有光學識别系統和機械傳感式系統兩種。其原理是将檢測到的攝像機的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運動數據，通過一個“傳感器”裝置傳輸到“校準器”，這樣，理想情況下，現場攝像機與虛拟演播室中“虛拟”的攝像機被相對地鎖定在一個位置上。當現場演播室攝像機運動時，虛拟攝像機受跟蹤器的控制可以實時地與現場攝像機保持同步。

攝像機的鎖定

虛拟演播室的另一重要而獨有的問題是攝像機之間的位置關系。虛拟攝像機與真實攝像機的初始位置并無直接關系，它可以放在虛拟空間的任意位置，當演播室有兩台以上攝像機進行切換時，必須保持實際演員和景物在虛拟演播室中的位置不變，也就是與虛拟景物的關系不變。否則在切換時，觀衆會看到演員從背景中某個地方跳到另一個地方，在視覺上會造成不真實的效果。由于真實物體與演員是由真實攝像機給出，背景由虛拟攝像機給出，所以必須對虛拟攝像機進行位置鎖定，即虛拟攝像機之間的距離必須與真實攝像機之間的距離相等，且推拉、搖移的初始量（原位矢量）與真實攝像機的位置方向關系保持一緻，才能進行切換。

變焦聚焦與景深

實際拍攝時，攝像機的聚焦點一般都跟蹤主持人，如果此時前景和背景都聚焦得十分清楚，會産生景深的不自然感。尤其在特寫鏡頭時，背景應該是虛焦的，使前景、背景如同出自同一攝像機，否則，這種虛拟演播室是不成功的。

色鍵與藍箱

摳像，藍箱主要有一牆一底式、兩牆一底（一角）式和三牆一底式3種。其中三牆一底式能給出更大空間，攝像機機位限制小，搖攝範圍大。藍箱必須保證均勻的藍色背景，特别是在牆牆、牆地交接處不能有接縫的痕迹。同時，由于節目制作過程中采用了色鍵技術，演員及真實道具在藍室中投下的影子也要随演員及道具一起進入虛拟空間，人物和環境景物在演播室燈光下的影子會被摳掉，造成一種不真實感。由于色鍵技術的使用，因此會産生延時，不僅要求系統增加前景視頻延時單元，而且必須考慮其它問題。一個是聲音，由于前景視頻被延時，為了保證聲畫同步，需要增加視頻幀同步器。另外，由于延時，給演員觀看反饋監視器上的合成圖像以确定動作增加了難度。

VJDirector 的摳像功能，可以摳除藍色，紅色和黃色背景，實現虛拟演播廳的效果。啟動軟件後，打開“系統”->“摳像和顔色調整”。根據實際情況，選擇需要進行摳像的通道，并且勾上啟動摳像的複選項，然後選擇作為背景的通道或者圖片。最後，根據實際情況，稍微調節摳像的顔色範圍，達到最佳摳像效果。

計算機技術

虛拟演播室系統配備的計算機是一個小型計算機網絡，主機為網絡中心，它是虛拟演播室的控制中心，是虛拟演播室節目制作的“導演台”。它除了調用和調整事先做好的三維虛拟場景外，還負責向圖形發生器傳輸圖像數據及處理由攝像機跟蹤器傳來的攝像機運動數據。根據主機傳來的攝像機運動數據實時地計算出虛拟的三維電腦場景的運動，以保證其輸出的虛拟背景與真實的前景同步。

在虛拟節目準備中的一個重要任務就是建立三維模型。虛拟演播室的背景圖像可以是來自錄像機或攝像機的活動視頻，也可以是靜止圖像等，但使用最多的是由計算機創作的二維或三維模型CG（Computer Graphics），即虛拟場景。雖然虛拟演播室的背景原則上說可以無窮地轉換變化，但是背景的創意、三維建模等工作相當複雜，不再是一兩個人就能充分使用好的系統，它需要導演、創意者、美術設計、二維建模者、三維建模者、演員及虛拟系統的操作者等人員的通力配合。因此，對于一次性節目背景的制作而言，虛拟演播室并沒有效率上的優勢，而除了可以制造出不同凡響的特技效果外，能否真正發揮虛拟演播室的功能，創造出高質量的特技效果，還在于制作者的想像力和它們之間的配合。

工作原理

1、虛拟背景渲染主機：

完成虛拟背景的渲染輸出工作，同時采集傳感跟蹤系統攝像機的運動參數，最終的渲染輸出相應的包括背景信号和作為前景遮擋的鍵信号。

控制攝像機切換模塊，當虛拟背景進行不同視角背景切換的時候，同時發出控制信号給攝像機切換模塊，切換至相應視角的前景攝像機。

控制色鍵，通過計算機軟件調整和保存色鍵的狀态各項參數。

2、攝像機傳感跟蹤系統：采用機械光電傳感跟蹤方式，采集攝像機平搖、俯仰、鏡頭推拉六個方位的動作信息。

3、色鍵：完成攝像機前景和虛拟背景的實時合成輸出。

4、切換器：完成攝像機前景信号的切換工作，受控于渲染主機串口信号。

5、同步信号分配器：完成外來同步信号的分配，分别将同步信号分配給背景渲染引擎、色鍵、切換模塊以及預留給用戶攝像機的三個同步信号輸出口。

6、延時器：對前景信号進行延時一幀的處理，使得前景信号和渲染主機生成的背景信号同步。

用途

隻有對虛拟演播室系統有深刻的了解才能充分發揮其在節目制作中的優勢。首先，我們應當了解它能做什麼，做出來的效果怎麼樣。英語有這樣一句話可以很好地概括虛拟演播室的作用：“The only limit is imagination.”這句話的意思是，唯一的局限是能否想得到，沒有虛拟演播室做不到的。當然這似乎有點誇張，但虛拟演播室在開拓電視節目的制作領域，充分發揮人的想象力這一點上确實為我們的導演及美術師提供了充分的創作空間。它是将原有的電視節目制作設備與三維動畫節目制作設備結合在一起的節目制作系統，也是視頻制作方式的一次變革。虛拟演播室的問世，為當今電視節目制作提供了一種全新的制作觀念與方法。其具體的運作流程大緻如下：

*創意人員拟出節目制作方案；

*導演及創意人員為虛拟演播室電腦虛拟三維場景的操作者“說戲”；

*動畫師或模型師在電腦中創建模型及貼圖；

*導演與虛拟演播室操作者合作直播或錄像；

*視頻輸出、錄制及後期制作。

制作方案

由美術設計師将導演思路制作成詳細的“劇本”（story book）。所謂詳細，是指具體到每個畫面要素怎麼動，主持人的位置怎麼變化，是否有虛拟場景中的特寫鏡頭等。因為鏡頭推進，意味着電腦生成的圖像放大。這就必須要求事先生成的圖像尺寸大到足夠鏡頭推進也不至于産生像素變大的現象。虛拟演播室運作的這種特殊性，要求導演必須就每個鏡頭細節與電腦動畫場景的制作者事先溝通，使負責實施劇本方案的制作人員能充分理解導演的意圖，将三維場景提前做好。

創建虛拟演播室

動畫制作是随着計算機圖形圖像學的發展應運而生的一門專業學科，随着影視及廣告業的發展，它的作用日益重要。動畫制作直接影響着節目制作的質量。事實上，虛拟演播室已為傳統的電視節目制作人提出了一個新的課題：如何利用電腦這種現代科技豐富傳統的制作手段。說白了，虛拟演播室就是一個計算機圖像産生與合成系統，是用計算機将演播室的觀念物化，在制作手段上突破了傳統制作手段的一些束縛，使演播室不再受時間和空間的局限。具體的虛拟演播室軟件操作者稱為“動畫師”(animator)或“模型師”(modeler)。他們在整個虛拟演播室節目制作中對演播室的最終效果起着舉足輕重的作用，他可以是導演或美工本人，也可以是專業的動畫制作者。

相互配合

動畫師或模型師的職責是預先完成節目中所需的電腦三維場景，包括場景中用到的所有貼圖。目前，幾乎所有的虛拟演播室軟件本身并不帶有建模及繪畫的軟件包，多數是利用已有的三維或二維動畫、圖形圖像制作軟件來創建模型及模型中需要的貼圖，如3D Studio MAX、 Softimage 3D、Lightscape和Photoshop等。這些軟件中做好的模型和貼圖有的需經過圖像格式的轉換，再存入虛拟演播室系統的專用目錄下，然後才能從虛拟演播室軟件環境中讀出。大量的矢量數據經過生成後産生的标準倍數位圖(power of 2，如256x512、512x1024等)，作為虛拟環境要麼直接存入圖形發生器中使用，要麼貼在簡單的幾何矢量模型上。正是由于複雜的場景已預先在其他軟件中制作完成，節省了大量運算時間，所以虛拟演播室才能實現實時演播效果。

現階段幾乎所有的虛拟演播室應用軟件還處在發展初期。有些軟件還存在着一定的局限，尚不能完全滿足節目制作與創新的需要。盡管這一技術發展很快，相信不久即将有相應的更新的軟件版本問世，但至少在現階段，需要制作人員在技術細節上與導演配合。制作人員從傳統的單一的執行導演意圖的技術員轉變成為參與節目前期總體方案設計的創作者之一。這種變化是現代科技發展的必然結果，無疑提高了現代電視節目制作人的業務要求，同時也擴大了導演的工作職能和範圍。對這種要求的變化，我們每個電視工作者特别是制片人與導演必須有充分的認識。否則可能适得其反，即：由于前期制作的局限，而影響現場導演的即興發揮。例如，如果導演希望虛拟場景中的某個部分動起來，如标志從牆上飛起來，主持人前的主持台自己移走，地面某個部分騰空而起等，就必須将這些帶有“動作”的物體提前與電腦模型師講明，由模型師将這些有動作的物體用電腦創建時就将它們分别作為單個文件單獨儲存。這與導演看着監視器指揮調整現場鏡頭中的畫面的傳統方法是不同的，這也正是虛拟演播室制作電視節目的主要特點。

控制員

與傳統演播室相比，主持人或演員所處的現場已不再是五顔六色的舞台，取而代之的是一個全部塗成藍色的房間。攝像師的拍攝對象主體隻剩下了主持人或演員。機位的運動取決于電腦中建立的虛拟場景。攝像師通過監視器看到畫面的效果，導演則坐在電腦終端前與虛拟演播室軟件的具體操作者來共同控制整個節目。如果畫面“穿幫”，即現場攝像機搖到藍色背景以外，虛拟演播室軟件能根據需要自制出虛拟藍色背景。至于控制虛拟演播室軟件的操作者的稱謂，目前學術界尚無統一的準确說法，國外習慣稱之為“Operator”,這也是傳統說法的借用。虛拟演播室電腦機位上的操作者（暫且稱之為“虛拟控制”）已不再是一般意義上的電腦操作人員。虛拟演播室系統是一個計算機圖像合成系統，其控制中心是虛拟演播室的系統軟件，它也是虛拟演播室節目制作的“導演台”。具體實施操作的系統控制員無疑成了實施導演意圖的最直接執行者，他需要既能熟練運用虛拟演播室軟件及其相關的三維動畫制作軟件，同時又要具有一定的鏡頭意識和感覺。這樣才能更好地與導演配合，做出理想的節目。