数字化三维虚拟演播室系统

[摘要]目前，为电视制作提供无限想象和表现空间的虚拟演播室技术在各地电视台已经非常普及，但在各地气象影视中心还没有得到普遍应用。本文就在气象节目创作中使用虚拟演播室的意义、虚拟演播室的系统构成、选购虚拟演播室系统应注意的关键技术以及在实际工作中应用虚拟演播室制作气象节目的一些体会作以简单介绍。

[关键词]虚拟；演播室；色键；蓝箱；定位；跟踪；渲染

计算机和视频技术的迅猛发展使电视节目制作技术日趋成熟。另外，由于上星频道增多，观众通过有线电视网都能接收到数十套电视节目，而作为收视率最高的电视《天气预报》节目也是几乎覆盖了每一个频道。电视节目资源的过剩带给观众选择的空间也就越来越大。因此，提高电视节目质量、降低电视节目制作成本、提高电视节目的制作效率已成为各气象影视中心竞争的最大筹码。

一、使用虚拟演播室的意义

1．节约电视节目制作成本。

（1）虚拟演播室系统在几十平方米的演播室就可拍摄出几百乃至几千平方米演播室的拍摄效果。按建筑面积每平方米4000元计，少建一个1000平方米的演播室，就可节约资金400万元人民币。

（2）对一个1000平方米的演播室来说，至少节省400盏灯具，按每盏灯具2000元计，400盏灯具将节省费用80万元人民币。每盏灯按500瓦功率计，400盏灯一天工作6小时，每天节电1200度。

（3）不需实际搭建场景和摆设道具，因此栏目的面目可随时随心所欲地进行更新，节省下来的场景和道具布置费用也是相当可观的。

（4）使用虚拟演播室系统，只需鼠标一点，就可完成场景的更换，实现多个栏目共用同一演播室系统的流水线作业，提高了演播室的使用效率和节目拍摄的工作效率。

（5）有了虚拟演播室，电视台就不必为每个栏目单独配备演播室，既节省了重复的基建投资，又节省了灯光、摄像机、录像机、切换台、监视器、调音台、字幕机等一系列设备的重复配置。

（6）若6个栏目共用一套演播室系统，按120平方米建筑面积计算，使用一套虚拟演播室系统，至少节约基建和设备投资1000万元。

2．实现传统演播室不能实现的拍摄效果，提高节目制作质量。

（1）使用虚拟演播室系统不仅节约了巨额的硬件投资，减少人员配备、提高了节目制作效率，而且可实现飞机穿越地球、人与卡通握手、火山在脚下爆发、随时下雨下雪等在传统演播室无法实现的拍摄效果，使电视节目的拍摄真正做到了不受时空和创意限制。

（2）虚拟演播室系统可轻而易举地使专家和嘉宾足不出户置身于原子结构的微观世界或浩瀚的宇宙太空，置身于各种新闻发生的现场，置身于现场的观众当中，进行讲解和采访。同时可实时将重要的文本、图片、动画、视频资料实时显示在虚拟大屏幕电视墙或任意的场景道具上，使栏目更加生动。

（3）使用虚拟演播室系统制作节目，不仅可实时完成节目主持人与三维场景道具的立体合成，而且在任意形状的多个窗口或任意物体表面上播放的视频内容、动画、实时字幕、台词等能够完全与节目主持人解说内容的时间长度和节奏自动适配，使节目拍摄、编辑和后期包装在拍摄时一次性实时完成。

（4）虚拟演播室系统的实时虚拟特效、实时虚拟灯光、实时环境影射、实时地面镜像、实时雾化、内外场景的实时合成等视觉感受使节目创作效果更加诱人。

二、虚拟演播室的系统构成

典型的虚拟演播室系统是由摄像机、摄像机位置参数分析和控制系统、图形工作站、背景材料库和图像合成等软硬件组成。

三、选购虚拟演播室应把握的几个关键点

1．初始化定位。

（1）定位的意义。

初始化定位就是让三维场景渲染器中虚拟摄像机的初始机位参数和镜头参数与物理摄像机的初始机位参数和镜头参数完全一致。以便物理摄像机作变焦、平摇、俯仰、升降和移动变化时虚拟摄像机的动作与物理摄像机的动作完全同步。

（2）定位方式。

定位方式应该是物理摄像机对虚拟摄像机作直接的自动初始化定位。而不应该在摄像机前面设置任何形式的标志、不应限定物理摄像机在演播室的架设位置、不应限定节目主持人的位置、不应做任何的手工测量和计算。

（3）定位必须迅速快捷、随架随用。

摄像人员在演播室蓝箱前面任何理想的取景位置架设好摄像机后，应在瞬间由计算机自动完成多个机位的初始化定位并开始工作。不应有任何复杂的调整和限制。随架设随使用。

2．跟踪。

（1）跟踪灵敏度：只要物理摄像机镜头下的前景画面有任何视觉上的微小变化，虚拟摄像机镜头下的场景画面就应实时同步发生与其相同的变化，而不应有任何的迟钝或不同步现象。

（2）跟踪频响：物理摄像机做快速的小幅度来回反复平摇、俯仰、变焦等取景变化时，虚拟摄像机镜头下的场景画面就应实时同步的发生与其相同的变化，而不应有任何的迟钝、错位、打滑或飘移现象。

（3）跟踪速度：物理摄像机做快速的大幅度平摇、俯仰、变焦等取景变化时，虚拟摄像机镜头下的场景画面应实时同步发生与其相同的变化，而不应有任何的错位或打滑现象。

（4）跟踪稳定性：物理摄像机由任意运动镜头变为静止镜头时，虚拟摄像机镜头下的场景画面就应实时同步地变为静止镜头，其场景画面不应有任何的抖动、闪烁或其它非静止现象出现。

3．实时渲染。

（1）应使用通用软件建模： 接受3d max、maya、softimage等通用软件建模。所建的模型无需任何修改，就可直接导出在虚拟演播室中使用。

（2）网格物体面数：应允许所建三维场景物体有足够多的三角面。否则就很难使场景大气、局部精细，使场景创作受约束而无法实现创意。

（3） 贴图纹理量： 贴图纹理量的大小直接影响到场景的视觉效果。如果贴图纹理量的大小受限制就很难制作出效果满意的场景。

（4） 贴图分辨率：贴图分辨率直接影响到场景特写镜头的清晰度。

（5） 应允许在任意物体表面播放外视频和动画，丰富场景的信息量，使观赏性更强。

（6） 应支持多机位同时实时渲染，同帧场逆程实时切换，前景与背景同步。

（7）应提供内部和外部一致的YUV或SDI信号格式,保证广播级的图像质量。

4．色键。

（1） 应对灯光无苛刻要求，对蓝箱无苛刻要求。即使在只有一盏灯光、蓝箱不干净的情况下，也能获得满意的色键效果。

（2） 应在同一参数下能同时色键出头发丝、阴影、半透明体、亮蓝色、烟雾、柔和自然的轮廓边缘和正确的肤色还原。

（3） 应具有自动蓝背景识别功能：对任意一个节目主持人、任意场景，在不用刻意布置的灯光环境下，开机后只需一两秒钟的时间就可自动调整好色键参数开始拍摄。

（4）应具有存储和记忆功能：对不同的节目主持人和不同的使用环境下的色键参数可单独存储，随调随用。

5．操作方便、性能可靠稳定。

（1） 界面应集中控制，一套鼠标键盘，不需识别物理设备。以方便使用，应在一天内熟练操作使用。

（2） 场景物体、贴图、动画、特效等素材导入方便，分类清晰，可随时调用和更换。

（3）场景编辑、特效运用、灯光设置、视频及动画播放、图文显示、实时台词字幕添加、运动、旋转、缩放等所有操作，应能够在线拾取和可视化编辑，使调整直观方便、效果一目了然。

（4） 动作和事件统一的时轨逻辑排序，既可按预先设计好的流程和时序自动播出，也可手动干预，自动与手动结合播出，也可以边编辑边播出。

（5） 多个场景可同屏实时渲染，场景任意组合，方便实现不同场景组合与分别动作设置的二次再创作。

（6） 四视图界面设计与3D MAX风格一致，三维场景透视关系清楚，编辑调整精确方便。

（7）应有自动无限蓝箱功能：允许摄像机作360度的平摇，当取景超出蓝箱时，蓝箱以外的垃圾色块不应被色键进入合成画面；任意灯光布置情况下有限蓝箱和无限蓝箱间不应有任何的过渡痕迹存在。

（8）应有多机位预监功能，即一个机位被输出时，另一机位的合成效果在操作界面上应能实时地被显示，并且当机位切换时预监机位既可以是节目输出机位，也可以是非节目输出机位。

（9）应支持视频实时采集与编辑存储功能，使系统不仅能导入三维模型文件和AVI视频文件，而且能够采集外部输入的视频（如录像机、非编系统、DVD 、TGA序列等），并可进行简单的编辑，以便外视频在任意物体表面的实时播放和在时间轨上精确的排序播放，方便使用，提高工作效率。

（10）对节目制作可提前设计、编辑和调试，以文件形式存储，拍摄时随时调用。

（11）应至少在一天内长期连续运行，作各种编辑、设置、添加字幕和存储调用等操作，系统输出应无丢帧、无黑场、不死机。

（12）电视天气预报节目专业性强、实时性高，多套节目必须在规定的时间内制作完成，这就需要依托高效、实用的专业制作工具。而目前国内外的虚拟演播室产品，主要面向大众型电视节目制作，缺乏针对气象领域的专业开发。因此，气象影视系统在选择虚拟演播室产品时，要结合自身的需求，关注系统是否具有一套功能齐全、独具风格的气象专业视频插件。

四、虚拟演播室的分类

1．按渲染分类：二维半、优化三维、真三维。

2．按跟踪分类：虚拟背景、虚拟演播室。

3．按机位分类：单机位、多机位。

4．按通道分类：单通道、双通道。

5．按信号格式分类：模拟、数字。

五、电视表现手法的创新

1．异地采访。就是把从外景地传来的信号，直接实时接入虚拟演播室系统，与演播室中的主持人实时结合在一个虚拟场景中，二者可以面对面地交谈，对观众来讲就好像真的把被采访者请到了演播室或者是节目主持人真的深入到了外景地主持节目。

2.主持人和卡通人物的结合。在真人表演者的重要关节处安装传感器，他（她）的动作参数通过传感器输入到动画工作站，用来控制已制成的卡通人物的动作，主持人与卡通人物同时出现在同一个虚拟场景中，并相互配合，互换位置和交谈，从而实现完全用真人无法实现的创意效果。

3． 适当运用镜头的运动。例如在制作春季风和日丽的天气时，我们先是在立体的河北省图上表现了晴好的天气，主持人可以表现出很陶醉的样子，并仰面深呼吸，镜头随着摇起，画面中可以看到蓝天白云以及轻舞的柳条。突然，柳条由轻舞变为快速摆动，从而引出了“风会比较大”这样的信息，再从天空的一个风筝摇回到地面，再回到主持人。这样既打破了常规的预报形式，同时也给观众新奇的感觉，当然最重要的是观众加深了对天气的直观感受。

4.三维动态图表的运用。通过对气象系统多轨道产品数据的调用、分析、处理，在三维虚拟场景中任意指定的位置显示三维动态图表，可以是柱状图、曲线图、饼形图等等，这些三维图表能够和三维虚拟场景具有相同的透视关系，可以出现在主持人的前后左右，主持人可以在图表间任意穿梭。图表的入、出时间和入、出特技可以随意调整。

六、结束语

虚拟演播室技术历经数年的发展，已从初创阶段走向实用阶段，虽然还有其自身一些有待解决的问题，但随着计算机图形处理技术，传感技术和计算机软硬件技术的发展，影视行业专业人员深层次的介入开发，虚拟演播室技术会日趋完善，在气象影视领域的应用前景也将非常广阔。

[参考文献]

[1] 夏力著.莫士科维茨（Moshkovitz M.）,《虚拟演播室技术》.清华大学出版社, 2005年5月.

[2] 张茂军著.《虚拟现实系统》.科学出版社，2001年9月.

[3] 汪成为等著.《灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用》.清华大学出版社.

[4] 李锦涛,刘国香著.《虚拟环境技术》.中国铁道出版社，2001年第1版.

[5] (美)伯迪魏,迎梅等著.《虚拟现实技术（第二版）：国外计算机科学教材系列》，电子工业出版社,2005.7.

[作者简介]成海民（1966- ）男，汉族，河北省石家庄市人，河北省气象局气象影视中心工程师，大学本科，从事气象影视节目的开发研究工作。