【摘要】 本文論述了虛擬演播室的原理、組成和燈光的關系，提出了演播室雙景區的應用。
【關鍵詞】 虛擬  色鍵   燈光

　　在傳統演播室的工作流程中，場景需要實際搭建，在實景制作、不同欄目之間的實景更換、實景修改等方面，傳統演播室的工作方式都存就存在著一定的局限性。一方面很難制作出非常具有奇思妙想的場景，另一方面是工作量增加、材料浪費嚴重、工作效率降低等。與此同時，隨著非線性技術的日益發展，制作電視節目時對視頻工作站的應用也越來越多。但是，使用工作站時遇到的一個比較普遍的問題就是，操作人員習慣于傳統編輯制作機房中編輯機和切換臺的操作，而不習慣于計算機的鼠標鍵盤操作。如何能將這兩種操作方式結合起來，能夠讓電視臺制作人員以最快的
速度熟悉和掌握系統的使用手段，也是設計方案時應該考慮的問題。因此現在很多電視臺在設計演播室方案時，都會考慮到虛擬演播室。

　　虛擬演播室技術是在色鍵系統的基礎上發展起來的。傳統的色鍵(Chroma-Key)合成系統是電視節目制作中常用的合成手段，它的原理就是將主持人或演員置身于藍色背景幕布前表演，然后利用色鍵合成器的色鍵功能將前景圖像中的色度與其作背景的彩色幕布的色調差別作為形成鍵控電壓的依據，并利用此電壓去“摳”插入畫面，然后再將前景圖像填入畫面，這樣就將主持人從藍色背景中分離出來，用其他的畫面作為背景填充藍色部分，形成一幅天衣無縫的合成畫面。這種系統現在在電視制作中應用得非常普遍，但是它有一個主要的不足之處在于：前景在運動，但背景卻不能作出與前景運動相應的動作。也就是說，傳統的色鍵摳像不能保持住在背景和前景之間存在的空間位置關系，使得前景沒有"溶入"到背景中，從而限制了傳統的色鍵扣像的應用范圍。

　　而虛擬演播室系統，卻突破了傳統色鍵摳像系統的限制，消除了攝像機拍攝的前景畫面不能與場景畫面同步運動的致命弱點，做到真實的演員能深入到虛擬的場景中，并能與其中的虛擬對象實時交互。

　　我臺在制定方案前，通過大量的實地調研工作以及與廠家和擁有虛擬演播室的單位的談論，綜合考慮后，選擇了目前國內比較流行的傳感器方式虛擬制作系統。

　　一套典型的虛擬演播室系統，一般由三個子系統組成：攝像機跟蹤系統、虛擬場景生成系統及視頻色鍵合成系統。

　　一.攝像機跟蹤系統

　　攝像機在拍攝過程中有水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS、平移X、縱移Y等變化，這些參數的改變會引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環境，高性能的圖形工作站必須根據這些參數不斷調整三維視圖。而攝像機跟蹤系統的作用正是獲取攝像機的位置信息和運動數據，實時的跟蹤真實攝像機，以保證攝像機前景畫面與高性能的圖形工作站場景畫面“聯動”。

　　二.虛擬場景生成系統

　　虛擬演播室的場景是由專業軟件創作的二維或三維圖形CG（Computer Graphics），即虛擬場景。 

　　虛擬演播室的場景是高性能的圖形工作站繪制的圖形，高性能的圖形工作站繪圖有二維和三維之分，因而虛擬場景也有二維和三維之分，二維場景沒有厚度，只是一個平面圖形，所以二維虛擬場景只能作為背景平面，出現在真實人物的后面，而三維虛擬場景中的景物具有Z方向的厚度，是立體的。因此在高性能的圖形工作站中，其正面、側面和頂面的圖像都被分解為像素的形式，保存在存儲器中，當攝像機處于任意的角度位置時，高性能的圖形工作站即進行計算，獲得相應的畫面。這樣，無論主持人處于靜止或運動狀態，在視覺效果上，都會更具縱深感，更加真實。當然，在實現以上三維畫面的基礎上，還必須進一步考慮許多細節問題，比如燈光和陰影。當攝像機改變其取向位置時，根據照明條件，陰影部分將發生相應的變化，背景畫面應該能夠反映出這種變化。在實際應用中，仍有許多類似的問題以及應用有待我們去探索與解決。

　　三.視頻合成系統

　　虛擬演播室系統視頻合成的基本技術是色鍵摳像，攝像機拍攝的藍箱前的真實景物：通過色鍵器進行摳像處理，與高性能的圖形工作站生成的虛擬場景合成一個畫面。

　　以上為構成一個虛擬演播系統基本的三個部分。同時，在實現傳統演播室應有的功能之外，還應該考慮到其他方面，比如利用這一套系統能制作出多個不同風格的欄目，或在一個欄目中針對多個子欄目制作多個不同的場景，達到提高演播室使用效率的目的；場景的設計應盡可能地消除局限性，使欄目編導和設計人員能夠充分地展示自己的創造性。并且整個系統具有較好的兼容性以及可升級性。

　　在綜合考慮了我臺節目制作的需求以及對虛擬系統架構進行深入分析后，我臺采用了以下真三維虛擬演播室方案。流程如圖1：

　　攝像機的視頻信號通過一個視頻延遲器進入色鍵器進行色鍵處理，經過與系統調用的三維虛擬場景疊加后生成主輸出信號。

　　主輸出信號的生成是在色鍵器上完成的。該色鍵器生成的鍵信號將場景與由色鍵器處理過的視頻信號進行融合。生成的畫面可經過字幕疊加或直通到主輸出上，主輸出畫面即可以由非線性系統采集到本機高速硬盤或到光纖網的高速硬盤陣列，也可直接錄制到外接錄機上。

　　系統攝像機的視頻信號采用SDI數字信號輸入，充分保證了視頻信號的質量，同時能夠滿足色鍵器對信號性能指標的要求。系統中還包括錄、放像機的上下載，可以選擇使用模擬復合、分量或SDI數字等多種信號。

　　以上圖示為一個雙通道雙機位的系統，在具體使用時可根據需要配置成雙機位單通道，或者單機位單通道，這也是我臺在初期選型時所考慮到的因素之一。

　　而在整個虛擬系統中，鍵信號處理以及圖像合成是決定節目質量最為重要的環節。色鍵器在虛擬演播室中的色鍵處理流程中主要工作是從攝像機所提供前景信號中提取出鍵信號使主體人物同色鍵背景分離。處理流程如圖2。

　　同時，我臺在進行虛擬演播室構建時也考慮了其工作特點以及空間的利用，演播室架構以及布局如圖3、圖4所示：

　　整個系統結構上與一般的數字演播室類似，整個演播設計成兩個景區，即摳像區與實景區。分別用兩臺攝像機取信號，一臺攝像機專門拍攝主持人畫面，另一臺攝像機可以拍攝一個全景畫面用做背景信號，提供一組模型參數給工作站，由工作站建立一個標準的三維虛擬場景文件，在虛擬演播室的現場拍攝時，系統對攝像機變焦、俯仰、平搖等變化進行跟蹤處理，虛擬演播室主機的渲染系統根據機位傳感器傳回的信息對所在機位的場景圖實時處理，產生出主持人前景與虛擬背景真實對應的位置關系，實時對三維建模場景進行三維渲染。主持人只需要在節目中轉換一個角度，就會實現兩個不同的效果；或者不同檔節目提供不同的背景信號用于摳像，進行節目的制作。同時，虛擬演播室與其余演播室的信號做到互聯互通，這樣給予節目制作提供了更多的可能。并且極大的縮短了節目與節目之間的制作間隔，有效地提高了工作效率。 [Page]

　　在虛擬演播室系統中，與我們以前在一般數字演播室中的觀點有所不同的是燈光以及同步等環節占了很重要的地位。虛擬演播室節目制作中燈光所起的作用是十分關鍵的。為了消除多余的陰影，保證色鍵的效果，燈光的布置相當重要。藍色舞臺需要被燈光照得非常均勻，因而要合理調配燈光，使前景與虛擬背景的照明亮度及方向匹配。主持人及真實道具在藍箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進入虛擬空間。如果主持人在演播室中不能投下相同的陰影長度，虛擬場景的設計就應有長的陰影。為了更好地提取陰影，燈光的設置應使陰影處的藍色電平與背景藍幕布的藍色電平有較大的區別。影子的方向也要和虛擬空間中的光源方向一致。在虛擬演播室中，實際光源和虛擬合成光源之間的同步變化很重要。在虛擬演播室中通常用三基色柔光燈，這種燈發光均勻、陰影小、發熱少、色溫相對恒定而均勻，因而光布在主持人臉上會顯得自然而逼真；同時，傳統的新聞類演播室一般都運用點布光原理來滿足節目對燈光的要求，而虛擬演播室技術采用的是色鍵器消藍技術進行摳藍處理，因此，要消除藍色對前景(主持人)的影響就必須要有整體布光的理念。先前景布光，后藍箱布光。三基色柔光燈發光面積大，對前景布好光后，會在藍箱上產生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再對藍箱進行適當補光就能滿足色鍵摳像的要求。前景與電子背景完美融合的關鍵在于前景與藍箱科學而合理的布光。而要使攝像機的前景畫面和虛擬場景天衣無縫的合成，則需要讓虛擬演播室系統中所有的設備接受外同步鎖定，這樣才能保證在進行實時合成時，高性能的圖形工作站根據傳感系統的參數變化實時提供相應的虛擬場景，并與攝像機前景信號精確同步合成，形成一個精確的合成畫面。

　　隨著視頻數字化技術的日益發展和成熟，基于圖形工作站的虛擬演播室系統正日益受到廣大電視工作者的認可，并得到了廣泛了應用。同時，也帶來了新的節目制作流程以及方式，令人耳目一新。其中，尚有許多技術以及制作方式仍需要我們進一步地學習與探索。B&P