鄭州電視臺高清虛擬演播室的設計與實現

鄭州電視臺 孫 眾 汪 貝

鄭州電視臺高清虛擬演播室的設計與實現

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一、高清虛擬演播室系統設計簡介

鄭州電視臺新大樓高清虛擬演播室使用的是新奧特高清虛擬系統，該系統利用先進的機械傳感技術，采用“制作”、“播出”、“控制”分離的工作方式。新奧特高清虛擬系統具有開放式、插件式、網絡化的整體架構，采用主控工作站和圖形工作站分離的網絡連接方式，利用虛擬場景設計器、虛擬演播室控制播出器和圖形渲染器3種不同的工作環境，制作、播出和控制采用不同的界面操作，實現了制作和播出分離控制的效果。新奧特高清虛擬系統還具備強大的三維場景實時編輯功能，能及時修改場景中三維物體的位置、紋理、材質和空間，且無須返回3DMAX等三維建模軟件。

二、傳統色鍵技術的不足

高清虛擬演播室是在傳統色鍵技術的基礎上發展起來的。傳統色鍵（Chroma-Key）技術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作為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“摳”去插入畫面，然后再將前景圖像填入畫面，這樣就可以將主持人從藍色背景中分離出來，用其他的畫面作為背景來填充藍色部分，形成一幅天衣無縫的合成畫面。這種系統現在在電視節目制作中應用得非常普遍，但是它有1個不足之處在于：前景在運動時，背景卻不能作出與前景運動相應的動作。也就是說，傳統的色鍵扣像不能保持背景和前景之間的空間位置關系，使得前景沒有“溶入”到背景中，從而限制了傳統色鍵扣像的應用范圍。

三、高清虛擬演播室系統的優點及核心技術

1.高清虛擬演播室系統的優點。高清虛擬演播室基于傳統的色鍵摳像合成系統，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，使演員能夠真實地嵌入到虛擬三維場景中，并能與其中的虛擬對象實時交互。

2.高清虛擬演播室系統的核心技術。高清虛擬場景生成系統。高清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）來完成，即虛擬場景。高清虛擬演播室的場景是由高性能的圖形工作站繪制的圖形，其繪制的圖形有二維和三維之分，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1個平面圖形，而三維虛擬場景中的景物具有“Z”方向的厚度，是立體的。在三維的場景中，虛擬景物既能作為真實的人物前景出現，也能作為背景出現，這樣在視覺效果上更加具有縱深感和真實性。

3.攝像機跟蹤系統。攝像機在拍攝過程中有水平角（PAN）、俯仰角（TITLE）、鏡頭變焦（Z00M）和聚焦（FOCUS）等參數。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來不斷調整三維視圖。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，實時地跟蹤真實攝像機，保證攝像機前景畫面與高性能的圖形工作站場景畫面的“聯動”。機械跟蹤方式克服了圖形識別方式的缺點，測量攝像機的參數更精確，旋轉角度可以精確到0.001°，移動距離可以達到1 mm的精確度，數據處理時間短且無延時。

4.高清視頻合成技術。高清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為為1個畫面。高清視頻合成主要有以下2種技術：

（1）深度合成技術。深度合成技術是指虛擬物體與實際演員的前后遮擋關系，這種技術需要考慮2路鍵信號的深度信息，就可以讓背景內容在演員前面顯示。高清虛擬演播室的基礎就是在前景和背景合成的時候，前景的演員可以被背景的內容覆蓋。為了豐富畫面的拍攝效果，還需要考慮虛擬物體的遮擋效果，一般都采用深度合成技術來完成。

（2）同步技術。同步技術是指高性能的圖形工作站根據傳感系統的參數變化實時地提供相應的虛擬場景，并與攝像機前景信號完成精確地同步合成。要使攝像機的前景畫面和虛擬場景天衣無縫的合成，需要讓虛擬演播室系統中所有的設備接受外同步鎖定，這樣才能保證順利地實時合成。

四、鄭州電視臺高清虛擬演播室的應用實例

鄭州電視臺高清虛擬演播室可以錄制標清和高清節目。而且可以做出現實中無法搭建的背景效果。不同的欄目可以共用1個演播室，因此大大提高了演播室的利用率。

例如，鄭州臺《笑啥咧笑》、《戲曲擂臺》等節目的背景就是三維動畫。Mariana.VS系統采用成熟的傳感跟蹤系統，準確地跟蹤攝像機各個姿態的變化，使在實景演播室畫面中任意區域植入的三維虛擬模型、三維圖元、三維視頻都可以準確的跟隨攝像機進行平搖、俯仰、變焦搖臂運動，高光反射等細膩真實地效果和渲染，使主持人和背景更加清晰。

隨著計算機技術和高清視頻技術的不斷發展和日趨成熟，高清虛擬演播室技術將越來越多地被視頻制作機構所使用。工作人員可以根據自己不同的實際情況和欄目需求，合理地使用高清虛擬演播室系統，制作出既經濟又能滿足觀眾觀賞性的節目。