虚拟演播室技术的实践应用

傅乐俭，廖欣叶

（湖南广播电视台，湖南 长沙 410005）

0 引言

早在10多年前，湖南广播电视台就购买了当时世界上领先的ORAD虚拟演播室系统，使用至今，积累了丰富的经验。之后又选购了新奥特等国有品牌。根据此次高清改造方案，本台在去年选购了Vizrt高清虚拟演播室系统，通过系统搭建和改造，浅析虚拟演播室的实践技术。

1 虚拟演播室跟踪方式介绍

基于抠像技术发展而来的虚拟演播室技术，其核心技术就是摄像机的跟踪定位，目前已有的跟踪定位方式有红外、网格、传感器、超声波、辅助摄像机等。由于超声波和辅助摄像机的应用成本较高，使用条件相对复杂，目前国内少有使用，使用较多的是机械传感器定位方式和图像识别的红外、网格定位方式。几种方法对比如下：

1）网格跟踪作为典型的图像识别跟踪技术，是最便宜、最简单的跟踪方式。网格跟踪优点是容易使用，硬件成本低廉，缺点是受灯光的影响比较大，必须把网格全部打亮，受限制比较多。比如，网格必须是平面，不能贴到拐角和弧形位置；镜头不能大角度脱离网格；不能推特写，如果镜头内网格数量少于4个，则会造成定位错误等。

2）红外摄像头+网格的跟踪，此种跟踪的优势是相对廉价但又可以实现摄像机的有限移动。红外摄像头通过识别摄像机上发射器的信号，经过两点相交确定摄像机在平面内的位置，再结合网格确定摄像机在演播室的空间位置。其限制在于演播室的灯光必需为冷光源，避免光热度对红外接收的干扰，同时也要合理安排演播室灯光位置，避免在摄像机移动中挡住摄像头的接收，造成定位错误。此种方式对于摄像机的运动造成相对拘谨的约束，使用中有一定的局限性。

3）全红外跟踪是最有技术含量的跟踪方式，实现最复杂，算法的技术含量最高。此种跟踪的优势是可以让摄像机在场景中自由移动，缺点是硬件成本高。

4）传感器是使用最多、最稳定的跟踪方式，以前机械传感的缺点在于精度不够，机械磨损由于各厂商的产品质量不一而有较大差别。另外，由于跟踪数据的问题，用机械跟踪方式时不能移动摄像机云台或者脚架，对拍摄造成一定限制。现在云顿公司和Shotoku公司生产的机械摇臂已经可以实现摄像机的有限移动。

在虚拟场景中使用摇臂，可以充分发挥出真三维虚拟演播室的空间感，并让摄像和节目人员得到更多的镜头表现方式。全红外跟踪方式也可以满足需求，但成本比较高。根据目前虚拟使用的经验，固定机械云台是使用频率最高也是最稳定的跟踪方式，所以本台选用2个固定云台配合1个机械摇臂，既可以很好地解决摄像机的移动问题，成本又相对较低。

由于Vizrt的主推机械传感跟踪方式，本台一并购买了Viten250IT升级套件和Shotoku TK-53 LVR机械跟踪摇臂，使虚拟跟踪更加灵活与稳定。

2 虚拟演播室系统介绍

2.1 虚拟演播室系统的搭建

Vizrt虚拟演播室系统可以根据需求自由搭配，组建从单机位单通道的迷你虚拟演播室到多机位多通道的大型虚拟演播室。此次采取三机位二通道的方式，系统连结图如图1所示。

1）通过在摄像机镜头上安装齿轮，读取摄像机镜头的focus和zoom的参数，通过云台升级套件的数据输出，读取摄像机的俯仰、摇移动作参数，由数据盒通过RS-422数据线传送至虚拟渲染引擎Viz Engine。

2）摄像机给出同步信号接入传感盒，保证传感器跟踪正常。

3）摄像机拍摄的前景信号通过光纤传回，接入色键器的前景端口。

4）渲染引擎通过数据盒信息，摄像机的各种动作映射到虚拟场景中，形成相应的变化，使之前景和背景的运动状态保持一致。

5）色键器将摄像机前景经过扣除绿色背景，设置前景2～3帧的视频延时，与虚拟渲染引擎输出的虚拟背景叠加，以使虚拟背景和实际前景达到无缝合成。

6）最终色键器针对每个机位，分别合成1路信号送给切换台，供切换台直接选择切换。

7）切换台在提供各机位预览画面同时，还需要提供外接视频信号分别送给各个渲染引擎，以提供场景制作中的视频开窗信号。

8）局域网连接虚拟控制机，由控制机操作虚拟视频窗的动作，实现主持人的现场连线、访谈讲解等互动效果，同时还可以对虚拟场景中各元素的动画进行实时控制。

2.2 虚拟演播室的操作流程

系统搭建完成后，对于操作人员有一定的要求，曾经很多电视台表示过关于虚拟演播室的操作制作复杂而造成虚拟演播室应用的阻力。其实从设计制作到设备调试，通过规范流程，一方面达到事半功倍的效果，另一方面也能更轻松地发挥虚拟演播室技术。根据实际需求，设定流程如下：

1）首先节目组根据节目需求，提出方案，由设计师参与讨论，形成设计思路，共同完成设计草案。

2）针对需求，分析场景实现效果的可行性，选择需要的机位和镜头，比如摇臂还是固定机位，广角还是普通变焦等；安排实际摄像机安放位置，以期达到最好效果。

3）根据方案开始设计制作虚拟场景，定期与节目组沟通，协调修改，达到满意效果，即可进入彩排阶段。

4）通过实际带机效果测试，进一步修改场景细节，与节目导演共同分析讨论，将出现的问题一一解决，最后得出最终的设计方案。

5）最后在虚拟控制机上做好各操作动作的开关，最大程度简化节目实施过程中的实时控制，使虚拟使用环节更加清楚灵活。

2.3 虚拟演播室的实际效果

此外，Vizrt虚拟渲染可以和Vizrt其他软件产品进行无缝整合。支持在一个虚拟的场景中，利用内建的数字可视化工具，制作非常美观的三维实时虚拟图形，作为主持人的前景或后景，这些三维实时虚拟图形也完全可以由主持人控制（如GPI触发）来进行互动讲解，所有实时虚拟图形的属性（长度、颜色、大小、旋转、角度）都是可以在直播中被控制，进行实时渲染在直播中播出。这一特点在系统使用中立刻得到了发挥。本次为了庆祝建党90周年而作的特别节目《那年七月》，在虚拟场景中加入了柱状图、饼状图、字幕诗词等元素，根据节目要求，实时触发播出，结合2个虚拟场景切换的效果，使主持人在大约10 m2的绿箱中，演绎了在黄昏般大平原上，评析历史人物长廊画卷的故事。一套虚拟演播室系统，完成了虚拟、在线包装、字幕等多设备的功能，不但节约成本，而且使节目效果更加灵活丰富。效果图如图2所示。

3 小结

虚拟演播室性能的发展还在不断更新，本台对虚拟的使用也越来越大，需求的花样也是推陈出新。随着计算机技术的不断提高，虚拟现实技术的媒体应用将会更加丰富多样，效果将会不断出奇，这在虚拟技术的使用发挥上不断提出新的要求，节目的创意需要突破现有思维，无限开展想象。技术人员需要更加了解熟悉设备，紧跟科技步伐，探索开发新的功能，共同铸造新媒体高科技艺术与技术的完美结合。