【摘要】 本文論述了虛擬演播室的原理、組成和燈光的關(guān)系，提出了演播室雙景區(qū)的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 虛擬 色鍵 燈光
在傳統(tǒng)演播室的工作流程中，場景需要實(shí)際搭建，在實(shí)景制作、不同欄目之間的實(shí)景更換、實(shí)景修改等方面，傳統(tǒng)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(fèi)嚴(yán)重、工作效率降低等。與此同時(shí)，隨著非線性技術(shù)的日益發(fā)展，制作電視節(jié)目時(shí)對視頻工作站的應(yīng)用也越來越多。但是，使用工作站時(shí)遇到的一個(gè)比較普遍的問題就是，操作人員習(xí)慣于傳統(tǒng)編輯制作機(jī)房中編輯機(jī)和切換臺(tái)的操作，而不習(xí)慣于計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)鍵盤操作。如何能將這兩種操作方式結(jié)合起來，能夠讓電視臺(tái)制作人員以最快的
速度熟悉和掌握系統(tǒng)的使用手段，也是設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)該考慮的問題。因此現(xiàn)在很多電視臺(tái)在設(shè)計(jì)演播室方案時(shí)，都會(huì)考慮到虛擬演播室。
虛擬演播室技術(shù)是在色鍵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的色鍵(Chroma-Key)合成系統(tǒng)是電視節(jié)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(lán)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(diào)差別作為形成鍵控電壓的依據(jù)，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(lán)色背景中分離出來，用其他的畫面作為背景填充藍(lán)色部分，形成一幅天衣無縫的合成畫面。這種系統(tǒng)現(xiàn)在在電視制作中應(yīng)用得非常普遍，但是它有一個(gè)主要的不足之處在于：前景在運(yùn)動(dòng)，但背景卻不能作出與前景運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作。也就是說，傳統(tǒng)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(guān)系，使得前景沒有"溶入"到背景中，從而限制了傳統(tǒng)的色鍵扣像的應(yīng)用范圍。
而虛擬演播室系統(tǒng)，卻突破了傳統(tǒng)色鍵摳像系統(tǒng)的限制，消除了攝像機(jī)拍攝的前景畫面不能與場景畫面同步運(yùn)動(dòng)的致命弱點(diǎn)，做到真實(shí)的演員能深入到虛擬的場景中，并能與其中的虛擬對象實(shí)時(shí)交互。
我臺(tái)在制定方案前，通過大量的實(shí)地調(diào)研工作以及與廠家和擁有虛擬演播室的單位的談?wù)摚C合考慮后，選擇了目前國內(nèi)比較流行的傳感器方式虛擬制作系統(tǒng)。
一套典型的虛擬演播室系統(tǒng)，一般由三個(gè)子系統(tǒng)組成：攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、虛擬場景生成系統(tǒng)及視頻色鍵合成系統(tǒng)。
一.攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)
攝像機(jī)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(shù)的改變會(huì)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(huán)境，高性能的圖形工作站必須根據(jù)這些參數(shù)不斷調(diào)整三維視圖。而攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)的作用正是獲取攝像機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的跟蹤真實(shí)攝像機(jī)，以保證攝像機(jī)前景畫面與高性能的圖形工作站場景畫面“聯(lián)動(dòng)”。
二.虛擬場景生成系統(tǒng)
虛擬演播室的場景是由專業(yè)軟件創(chuàng)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(gè)平面圖形，所以二維虛擬場景只能作為背景平面，出現(xiàn)在真實(shí)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(cè)面和頂面的圖像都被分解為像素的形式，保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)攝像機(jī)處于任意的角度位置時(shí)，高性能的圖形工作站即進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)的畫面。這樣，無論主持人處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在視覺效果上，都會(huì)更具縱深感，更加真實(shí)。當(dāng)然，在實(shí)現(xiàn)以上三維畫面的基礎(chǔ)上，還必須進(jìn)一步考慮許多細(xì)節(jié)問題，比如燈光和陰影。當(dāng)攝像機(jī)改變其取向位置時(shí)，根據(jù)照明條件，陰影部分將發(fā)生相應(yīng)的變化，背景畫面應(yīng)該能夠反映出這種變化。在實(shí)際應(yīng)用中，仍有許多類似的問題以及應(yīng)用有待我們?nèi)ヌ剿髋c解決。
三.視頻合成系統(tǒng)
虛擬演播室系統(tǒng)視頻合成的基本技術(shù)是色鍵摳像，攝像機(jī)拍攝的藍(lán)箱前的真實(shí)景物：通過色鍵器進(jìn)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(gè)畫面。
以上為構(gòu)成一個(gè)虛擬演播系統(tǒng)基本的三個(gè)部分。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)演播室應(yīng)有的功能之外，還應(yīng)該考慮到其他方面，比如利用這一套系統(tǒng)能制作出多個(gè)不同風(fēng)格的欄目，或在一個(gè)欄目中針對多個(gè)子欄目制作多個(gè)不同的場景，達(dá)到提高演播室使用效率的目的；場景的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地消除局限性，使欄目編導(dǎo)和設(shè)計(jì)人員能夠充分地展示自己的創(chuàng)造性。并且整個(gè)系統(tǒng)具有較好的兼容性以及可升級(jí)性。
在綜合考慮了我臺(tái)節(jié)目制作的需求以及對虛擬系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行深入分析后，我臺(tái)采用了以下真三維虛擬演播室方案。流程如圖1：
攝像機(jī)的視頻信號(hào)通過一個(gè)視頻延遲器進(jìn)入色鍵器進(jìn)行色鍵處理，經(jīng)過與系統(tǒng)調(diào)用的三維虛擬場景疊加后生成主輸出信號(hào)。
主輸出信號(hào)的生成是在色鍵器上完成的。該色鍵器生成的鍵信號(hào)將場景與由色鍵器處理過的視頻信號(hào)進(jìn)行融合。生成的畫面可經(jīng)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(tǒng)采集到本機(jī)高速硬盤或到光纖網(wǎng)的高速硬盤陣列，也可直接錄制到外接錄機(jī)上。
系統(tǒng)攝像機(jī)的視頻信號(hào)采用SDI數(shù)字信號(hào)輸入，充分保證了視頻信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)能夠滿足色鍵器對信號(hào)性能指標(biāo)的要求。系統(tǒng)中還包括錄、放像機(jī)的上下載，可以選擇使用模擬復(fù)合、分量或SDI數(shù)字等多種信號(hào)。
以上圖示為一個(gè)雙通道雙機(jī)位的系統(tǒng)，在具體使用時(shí)可根據(jù)需要配置成雙機(jī)位單通道，或者單機(jī)位單通道，這也是我臺(tái)在初期選型時(shí)所考慮到的因素之一。
而在整個(gè)虛擬系統(tǒng)中，鍵信號(hào)處理以及圖像合成是決定節(jié)目質(zhì)量最為重要的環(huán)節(jié)。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(jī)所提供前景信號(hào)中提取出鍵信號(hào)使主體人物同色鍵背景分離。處理流程如圖2。
同時(shí)，我臺(tái)在進(jìn)行虛擬演播室構(gòu)建時(shí)也考慮了其工作特點(diǎn)以及空間的利用，演播室架構(gòu)以及布局如圖3、圖4所示：
整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與一般的數(shù)字演播室類似，整個(gè)演播設(shè)計(jì)成兩個(gè)景區(qū)，即摳像區(qū)與實(shí)景區(qū)。分別用兩臺(tái)攝像機(jī)取信號(hào)，一臺(tái)攝像機(jī)專門拍攝主持人畫面，另一臺(tái)攝像機(jī)可以拍攝一個(gè)全景畫面用做背景信號(hào)，提供一組模型參數(shù)給工作站，由工作站建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維虛擬場景文件，在虛擬演播室的現(xiàn)場拍攝時(shí)，系統(tǒng)對攝像機(jī)變焦、俯仰、平搖等變化進(jìn)行跟蹤處理，虛擬演播室主機(jī)的渲染系統(tǒng)根據(jù)機(jī)位傳感器傳回的信息對所在機(jī)位的場景圖實(shí)時(shí)處理，產(chǎn)生出主持人前景與虛擬背景真實(shí)對應(yīng)的位置關(guān)系，實(shí)時(shí)對三維建模場景進(jìn)行三維渲染。主持人只需要在節(jié)目中轉(zhuǎn)換一個(gè)角度，就會(huì)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的效果；或者不同檔節(jié)目提供不同的背景信號(hào)用于摳像，進(jìn)行節(jié)目的制作。同時(shí)，虛擬演播室與其余演播室的信號(hào)做到互聯(lián)互通，這樣給予節(jié)目制作提供了更多的可能。并且極大的縮短了節(jié)目與節(jié)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(tǒng)中，與我們以前在一般數(shù)字演播室中的觀點(diǎn)有所不同的是燈光以及同步等環(huán)節(jié)占了很重要的地位。虛擬演播室節(jié)目制作中燈光所起的作用是十分關(guān)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(dāng)重要。藍(lán)色舞臺(tái)需要被燈光照得非常均勻，因而要合理調(diào)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(shí)道具在藍(lán)箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進(jìn)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(shè)計(jì)就應(yīng)有長的陰影。為了更好地提取陰影，燈光的設(shè)置應(yīng)使陰影處的藍(lán)色電平與背景藍(lán)幕布的藍(lán)色電平有較大的區(qū)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(shí)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(fā)光均勻、陰影小、發(fā)熱少、色溫相對恒定而均勻，因而光布在主持人臉上會(huì)顯得自然而逼真；同時(shí)，傳統(tǒng)的新聞?lì)愌莶ナ乙话愣歼\(yùn)用點(diǎn)布光原理來滿足節(jié)目對燈光的要求，而虛擬演播室技術(shù)采用的是色鍵器消藍(lán)技術(shù)進(jìn)行摳藍(lán)處理，因此，要消除藍(lán)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(lán)箱布光。三基色柔光燈發(fā)光面積大，對前景布好光后，會(huì)在藍(lán)箱上產(chǎn)生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再對藍(lán)箱進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)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(guān)鍵在于前景與藍(lán)箱科學(xué)而合理的布光。而要使攝像機(jī)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(tǒng)中所有的設(shè)備接受外同步鎖定，這樣才能保證在進(jìn)行實(shí)時(shí)合成時(shí)，高性能的圖形工作站根據(jù)傳感系統(tǒng)的參數(shù)變化實(shí)時(shí)提供相應(yīng)的虛擬場景，并與攝像機(jī)前景信號(hào)精確同步合成，形成一個(gè)精確的合成畫面。
隨著視頻數(shù)字化技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，基于圖形工作站的虛擬演播室系統(tǒng)正日益受到廣大電視工作者的認(rèn)可，并得到了廣泛了應(yīng)用。同時(shí)，也帶來了新的節(jié)目制作流程以及方式，令人耳目一新。其中，尚有許多技術(shù)以及制作方式仍需要我們進(jìn)一步地學(xué)習(xí)與探索。B&P