【摘要】 本文论述了虚拟演播室的原理、组成和灯光的关系，提出了演播室双景区的应用。
【关键词】 虚拟 色键 灯光
在传统演播室的工作流程中，场景需要实际搭建，在实景制作、不同栏目之间的实景更换、实景修改等方面，传统演播室的工作方式都存就存在着一定的局限性。一方面很难制作出非常具有奇思妙想的场景，另一方面是工作量增加、材料浪费严重、工作效率降低等。与此同时，随着非线性技术的日益发展，制作电视节目时对视频工作站的应用也越来越多。但是，使用工作站时遇到的一个比较普遍的问题就是，操作人员习惯于传统编辑制作机房中编辑机和切换台的操作，而不习惯于计算机的鼠标键盘操作。如何能将这两种操作方式结合起来，能够让电视台制作人员以最快的
速度熟悉和掌握系统的使用手段，也是设计方案时应该考虑的问题。因此现在很多电视台在设计演播室方案时，都会考虑到虚拟演播室。
虚拟演播室技术是在色键系统的基础上发展起来的。传统的色键(Chroma-Key)合成系统是电视节目制作中常用的合成手段，它的原理就是将主持人或演员置身于蓝色背景幕布前表演，然后利用色键合成器的色键功能将前景图像中的色度与其作背景的彩色幕布的色调差别作为形成键控电压的依据，并利用此电压去“抠”插入画面，然后再将前景图像填入画面，这样就将主持人从蓝色背景中分离出来，用其他的画面作为背景填充蓝色部分，形成一幅天衣无缝的合成画面。这种系统现在在电视制作中应用得非常普遍，但是它有一个主要的不足之处在于：前景在运动，但背景却不能作出与前景运动相应的动作。也就是说，传统的色键抠像不能保持住在背景和前景之间存在的空间位置关系，使得前景没有"溶入"到背景中，从而限制了传统的色键扣像的应用范围。
而虚拟演播室系统，却突破了传统色键抠像系统的限制，消除了摄像机拍摄的前景画面不能与场景画面同步运动的致命弱点，做到真实的演员能深入到虚拟的场景中，并能与其中的虚拟对象实时交互。
我台在制定方案前，通过大量的实地调研工作以及与厂家和拥有虚拟演播室的单位的谈论，综合考虑后，选择了目前国内比较流行的传感器方式虚拟制作系统。
一套典型的虚拟演播室系统，一般由三个子系统组成：摄像机跟踪系统、虚拟场景生成系统及视频色键合成系统。
一.摄像机跟踪系统
摄像机在拍摄过程中有水平角、俯仰角、镜头变焦Z00M，聚焦FOCUS、平移X、纵移Y等变化，这些参数的改变会引起所摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，高性能的图形工作站必须根据这些参数不断调整三维视图。而摄像机跟踪系统的作用正是获取摄像机的位置信息和运动数据，实时的跟踪真实摄像机，以保证摄像机前景画面与高性能的图形工作站场景画面“联动”。
二.虚拟场景生成系统
虚拟演播室的场景是由专业软件创作的二维或三维图形CG（Computer Graphics），即虚拟场景。
虚拟演播室的场景是高性能的图形工作站绘制的图形，高性能的图形工作站绘图有二维和三维之分，因而虚拟场景也有二维和三维之分，二维场景没有厚度，只是一个平面图形，所以二维虚拟场景只能作为背景平面，出现在真实人物的后面，而三维虚拟场景中的景物具有Z方向的厚度，是立体的。因此在高性能的图形工作站中，其正面、侧面和顶面的图像都被分解为像素的形式，保存在存储器中，当摄像机处于任意的角度位置时，高性能的图形工作站即进行计算，获得相应的画面。这样，无论主持人处于静止或运动状态，在视觉效果上，都会更具纵深感，更加真实。当然，在实现以上三维画面的基础上，还必须进一步考虑许多细节问题，比如灯光和阴影。当摄像机改变其取向位置时，根据照明条件，阴影部分将发生相应的变化，背景画面应该能够反映出这种变化。在实际应用中，仍有许多类似的问题以及应用有待我们去探索与解决。
三.视频合成系统
虚拟演播室系统视频合成的基本技术是色键抠像，摄像机拍摄的蓝箱前的真实景物：通过色键器进行抠像处理，与高性能的图形工作站生成的虚拟场景合成一个画面。
以上为构成一个虚拟演播系统基本的三个部分。同时，在实现传统演播室应有的功能之外，还应该考虑到其他方面，比如利用这一套系统能制作出多个不同风格的栏目，或在一个栏目中针对多个子栏目制作多个不同的场景，达到提高演播室使用效率的目的；场景的设计应尽可能地消除局限性，使栏目编导和设计人员能够充分地展示自己的创造性。并且整个系统具有较好的兼容性以及可升级性。
在综合考虑了我台节目制作的需求以及对虚拟系统架构进行深入分析后，我台采用了以下真三维虚拟演播室方案。流程如图1：
摄像机的视频信号通过一个视频延迟器进入色键器进行色键处理，经过与系统调用的三维虚拟场景叠加后生成主输出信号。
主输出信号的生成是在色键器上完成的。该色键器生成的键信号将场景与由色键器处理过的视频信号进行融合。生成的画面可经过字幕叠加或直通到主输出上，主输出画面即可以由非线性系统采集到本机高速硬盘或到光纤网的高速硬盘阵列，也可直接录制到外接录机上。
系统摄像机的视频信号采用SDI数字信号输入，充分保证了视频信号的质量，同时能够满足色键器对信号性能指标的要求。系统中还包括录、放像机的上下载，可以选择使用模拟复合、分量或SDI数字等多种信号。
以上图示为一个双通道双机位的系统，在具体使用时可根据需要配置成双机位单通道，或者单机位单通道，这也是我台在初期选型时所考虑到的因素之一。
而在整个虚拟系统中，键信号处理以及图像合成是决定节目质量最为重要的环节。色键器在虚拟演播室中的色键处理流程中主要工作是从摄像机所提供前景信号中提取出键信号使主体人物同色键背景分离。处理流程如图2。
同时，我台在进行虚拟演播室构建时也考虑了其工作特点以及空间的利用，演播室架构以及布局如图3、图4所示：
整个系统结构上与一般的数字演播室类似，整个演播设计成两个景区，即抠像区与实景区。分别用两台摄像机取信号，一台摄像机专门拍摄主持人画面，另一台摄像机可以拍摄一个全景画面用做背景信号，提供一组模型参数给工作站，由工作站建立一个标准的三维虚拟场景文件，在虚拟演播室的现场拍摄时，系统对摄像机变焦、俯仰、平摇等变化进行跟踪处理，虚拟演播室主机的渲染系统根据机位传感器传回的信息对所在机位的场景图实时处理，产生出主持人前景与虚拟背景真实对应的位置关系，实时对三维建模场景进行三维渲染。主持人只需要在节目中转换一个角度，就会实现两个不同的效果；或者不同档节目提供不同的背景信号用于抠像，进行节目的制作。同时，虚拟演播室与其余演播室的信号做到互联互通，这样给予节目制作提供了更多的可能。并且极大的缩短了节目与节目之间的制作间隔，有效地提高了工作效率。 [Page]
在虚拟演播室系统中，与我们以前在一般数字演播室中的观点有所不同的是灯光以及同步等环节占了很重要的地位。虚拟演播室节目制作中灯光所起的作用是十分关键的。为了消除多余的阴影，保证色键的效果，灯光的布置相当重要。蓝色舞台需要被灯光照得非常均匀，因而要合理调配灯光，使前景与虚拟背景的照明亮度及方向匹配。主持人及真实道具在蓝箱中投下影子也要随主持人及道具一起进入虚拟空间。如果主持人在演播室中不能投下相同的阴影长度，虚拟场景的设计就应有长的阴影。为了更好地提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大的区别。影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。在虚拟演播室中，实际光源和虚拟合成光源之间的同步变化很重要。在虚拟演播室中通常用三基色柔光灯，这种灯发光均匀、阴影小、发热少、色温相对恒定而均匀，因而光布在主持人脸上会显得自然而逼真；同时，传统的新闻类演播室一般都运用点布光原理来满足节目对灯光的要求，而虚拟演播室技术采用的是色键器消蓝技术进行抠蓝处理，因此，要消除蓝色对前景(主持人)的影响就必须要有整体布光的理念。先前景布光，后蓝箱布光。三基色柔光灯发光面积大，对前景布好光后，会在蓝箱上产生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再对蓝箱进行适当补光就能满足色键抠像的要求。前景与电子背景完美融合的关键在于前景与蓝箱科学而合理的布光。而要使摄像机的前景画面和虚拟场景天衣无缝的合成，则需要让虚拟演播室系统中所有的设备接受外同步锁定，这样才能保证在进行实时合成时，高性能的图形工作站根据传感系统的参数变化实时提供相应的虚拟场景，并与摄像机前景信号精确同步合成，形成一个精确的合成画面。
随着视频数字化技术的日益发展和成熟，基于图形工作站的虚拟演播室系统正日益受到广大电视工作者的认可，并得到了广泛了应用。同时，也带来了新的节目制作流程以及方式，令人耳目一新。其中，尚有许多技术以及制作方式仍需要我们进一步地学习与探索。B&P