浅谈高清虚拟演播室技术

浅谈高清虚拟演播室技术

金鑫

武汉传媒学院湖北省武汉市430000

摘要：高清虚拟演播室技术现在越来越多地应用到了电视制作领域中，这除了是技术水平的发展的结果，也是观众日益增长的观看体验要求决定的。本文主要讨论高清虚拟演播室系统的组成及功能，还介绍了虚拟演播室的各核心技术。

关键词：高清演播室虚拟技术

虚拟演播室(VirtualStudio)是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的产物。这一技术的成功应用,使电视工作者摆脱了时间、空间及道具制作的限制,极大地提高了电视制作单位的节目创作及制作能力。

1高清演播室系统组成及功能

高清演播室由视频系统、音频系统、灯光系统、同步系统、通话系统、TALLY系统组成。

1.1视频系统

高清演播室视频系统由高清切换台、高清摄像机、高清录像机、高清视频矩阵、高清图文设备、监看设备、信号分配转换等周边设备组成。其中高清切换台为视频系统的核心设备，用来对摄像机、录像机、图文设备等视频信号源进行处理，高清视频矩阵用于信号调度及应急处理。

1.2音频系统

高清演播室音频系统由调音台、话筒、各种音源、扩声设备、监听设备组成。其中，调音台是演播室音频系统的核心。它对输入信号在音色和幅度上进行调整加工处理并分配。调音台有四大基本功能：1、对输入信号进行放大；2、对输入信号进行均衡、压缩、混响等效果调整；3、信号混合及分配；4、提供监听、对讲等功能。

1.3灯光系统

高清演播室灯光系统由调光台、灯具吊挂装置、灯具、组成，用于演播区的照明。调光台用来调节灯具的开关、照度的调节、编组设置等工作。吊挂装置完成灯具的安装、位置的调整。灯具的配备要根据摄像机的灵敏度及节目对灯光艺术效果的要求来考虑。一般包括聚光灯、天幕灯、地排灯、柔光灯、电脑灯和追光灯。

1.4同步系统

同步系统是高清演播室系统中的重要组成部分。高清系统使用的同步基准信号有两种，一种是高清专用的三电平同步信号，另一种是与现有标清系统完全相同的BB（BlackBurst，即黑同步）信号。早期的高清产品大多只能接受三电平同步信号，但近几年生产的大部分高清设备都配置了BB同步输入接口。

1.5通话系统

演播室节目的制作是由节目导演、技术导播、摄像、灯光、技术、主持人等多工种联合完成，其中导演、导播、灯光、技术工作在导播间，摄像、主持人工作在演播区，在节目制作过程中，演职员的沟通需要通过通话系统来完成。演播室通话系统由通话基站、通话面板、便携式腰包耳机组成。

1.6TALLY系统

TALLY系统以切换台为中心，由切换台TALLY接口输出控制信号驱动信号灯点亮，用来提示节目制作人员信号的切换状态。

2.高清虚拟演播室技术

高清虚拟演播室的实质就是在高清演播室中搭载虚拟系统，因此，高清虚拟演播室不仅具有所有高清演播室的技术特点，还因为虚拟技术的应用给节目制作带来翻天覆地的变化。

2.1虚拟演播室原理

虚拟演播室技术是计算机技术在电视节目制作领域的应用，其基本工作原理是：把摄像机拍摄到的以绿（蓝）幕为背景的画面作为前景，通过跟踪器把前景画面与摄像机之间的位置及透视信息传送给图形计算机，图形计算机利用跟踪数据生成的图形作为虚拟背景。

一套典型的虚拟演播室系统主要应用摄像机跟踪定位技术、计算机虚拟背景制作生成技术及色键合成技术。

2.2摄像机跟踪定位技术

在虚拟演播室中，如何正确判断摄像机、前景画面及虚拟背景之间的相对位置关系，是实现前、背景图像完全同步联动、再现透视关系的关键所在。因此就需要有一个能够随时检测和提供摄像机运动参数的系统，这就是摄像机跟踪定位系统。

摄像机的运动参数包括镜头运动参数（变焦、聚焦）、机头运动参数（摇移、俯仰、翻滚）以及摄像机光学系统的物理空间位置参数（地面位置X、Y和高度Z）等。在节目制作前，首先要在演播室空间建立坐标系，确定某个位置作为坐标原点，然后计算摄像机在演播室的空间位置参数，这个过程叫做定位。在节目制作过程中，摄像机运动导致各项参数的变化会引起画面视野和视角的变化，为了保证虚拟场景能够与镜头同步变化，我们需要掌握摄像机参数的变化，这个过程叫做跟踪。目前常用的跟踪定位系统主要基于网格识别技术、传感技术、红外技术。

网格识别技术是通过对摄像机拍摄的网格图像的形态来完成摄像机的定位和跟踪。将与色键颜色相同、明暗存在差异的线条分隔出大小不同的网格贴在墙上，设置网格中的某个点为坐标原点，我们就可以得知网格中其他点的位置参数。摄像机从初始位置保持一定焦距并且完成聚焦拍摄网格画面，将产生一定的透视关系，依据摄像机镜头特性参数，测算出摄像机位置参数，完成定位操作。在节目制作过程中，摄像机的推拉摇移将使网格产生不同的透视关系，系统通过连续计算可以获得连续的运动参数，完成跟踪操作。

传感技术是通过在特定型号的云台和镜头上安装传感器，获取摄像机的各项参数。镜头传感器是通过托架与镜头上的变焦环、聚焦环齿轮紧密咬合，当变焦环和聚焦环位置发生变化时，传感器就能检测出其变化，并将数据编码输出，获取镜头运动参数。摄像机的机头运动参数可通过安装在基座上的机头运动参数传感器来测量。它能测出摄像机上下左右摆动的细微角度变化，并将其编码输出。摄像机的空间位置参数也可以通过安装在基座或摇臂的传感器测量。

传感技术的定位过程相对复杂，由于没有网格作为参照，需要在演播室墙面和地面设置5个参考点，其中一个作为坐标原点。将摄像机分别对准每个参考点，摄像机焦距调到最大，参考点在画面居中，此时系统通过传感器记录下摄像机镜头参数、机头参数，并根据参考点相对位置关系计算出摄像机位置。

红外技术是在摄像机上安装红外发射器，通过安装在演播室顶部的红外摄像机接收红外发射器的信号，来计算摄像机的位置参数。但是，红外技术不能解决摄像机镜头参数的测量，因此，红外技术无法单独应用，通常配合网格或传感技术使用。

2.3计算机虚拟背景生成技术

计算机虚拟背景生成系统主要应用虚拟场景制作技术及虚拟背景生成技术。虚拟场景可分为二维虚拟场景和三维虚拟场景，二维虚拟场景是指景物没有深度，只提供一个平面背景，而在三维虚拟场景中景物是立体的,具有Z方向的深度。人物可在前景与后景之间穿插、运动，从而增强了视觉效果的纵深感和真实感。

虚拟背景生成是指在摄像机运动参数控制下,背景生成系统对预先制作好的虚拟场景信号进行处理,实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。如果生成三维虚拟场景,其计算量是非常大的。在不降低图形照明度、阴影、纹理和建模结构的前提下,提高图形工作站图形刷新速率成为实时生成虚拟背景的关键。目前一般采用的是美国SGI公司推出的工作站以及E&S公司推出的运用在WindowsNT平台上具有动态Z提示功能的图形工作站。

2.4色键合成技术

虚拟演播室色键合成技术包括键控技术、绿（蓝）箱制作技术、布光技术。

在虚拟演播室中，摄像机拍摄的前景画面与计算机虚拟背景生成系统渲染的背景画面合成是通过传统的键控技术来完成的。绿箱作为虚拟演播室前景画面中的一部分，在色键合成中需要被抠掉，以虚拟背景替代。布光方面，虚拟演播室的照度要保证均匀，并且真实的光源方向要保证与计算机生成的虚拟场景中的光源方向一致。

参考文献

[1]李宏虹，赵贵华，王谦等.《电视演播室节目制作》.中国广播电视出版社，2006年8月.

[2]姜秀华，张永辉，章文辉，朱伟.《数字电视原理与应用》.人民邮电出版社，2003年9月.

[3]刘朝.《高/标清演播室系统构建》.现代电视技术，2009年增刊.28-29.

[4]张琦，林正豹，杨盈昀.《数字电视制播技术》.中国广播电视出版社，2002年10月.