什么是虛擬演播室系統

一、概述

虛擬演播室系統（The Virtual Studio System，簡稱VSS)是近年來隨著計算機技術飛速發展和色鍵技術不斷改進而出現的一種新的電視節目制作系統。傳統的色鍵，俗稱"摳像"，是將前景簡單地鍵入背景中，前景變化時（如做鏡頭推拉）背景不能隨之變化，兩者互不關聯，效果是使前景人物好象是在背景上飄浮，合成畫面很生硬。而色鍵技術的發展，要求背景畫面的變化與前景的變化同步，甚至前景人物能穿插于背景物體之中，兩者緊密聯系形成有機的融合，這就是虛擬演播室技術。這一技術的應用使真實演播室可以變得非常簡單，演播室面積無需太大，只要鋪滿蘭幕就行，不僅不用復雜的搭景和燈光照明，而且換景便利、快捷，可大大縮短節目制作周期。背景畫面可以是真實拍攝的場景，也可以是用計算機創作出的圖像。節目人員可以充分發揮藝術想象力來構思場景而不受外景或搭景條件的限制。如兩年前英國EPO公司制作的二戰中被毀的一座大型教堂的建筑結構錄像帶，教堂尚未重建，但用超級計算機制作出的圖像，仿佛是用一臺虛擬的攝像機從各個角度做推拉、旋轉等動作拍攝下來的。30分鐘圖像用了6～8周時間，一座宏偉的教堂便"出現"了。VSS的特技也是其他技術難以完成的，例如物體可以不顧重力原理而懸浮在空間、一個物體可以從另一物體中往上升、視頻圖像可以在任一平面上顯示出來、場景可由動態物質構成、分子大小的物體能立即變成巨大的物體、以數據為基礎的所有信息可作為一層視頻信號實時地進入演播室等。

二、 三維虛擬演播室系統實現虛擬演播室系統的關鍵之一是對攝像機運動參數的測量，并通過傳感器來移動。

1994年，第一個為虛擬演播室專門設計的攝像機基座問世。借助于精確的旋轉編碼器，基座上下左右運動的角度位置可以被測出，精度達1/1000度。同時，一種適合ENG/EFP鏡頭的特殊編碼器也被設計出來。它能精確地測量鏡頭的推拉和聚焦的設置參數，使用這組參數，就有可能把攝像機和鏡頭與一臺高性能的計算機連接，該計算機可以生成背景的每一場，從此虛擬演播室的制作成為可能。

1995年，出現了機器人底座（目前已應用于新聞和現場事件演播室)，這種機器人底座能提供攝像機在演播室中的物理位置和攝像機的水平高度信息，至此，全三維虛擬演播室產品成為可能。在美國SK電視臺安裝的機器人系統，底部有一個掃描方式的CCD，可以計算攝像機在演播室場地的行走情況。美國紐約WYW演播室也安裝了同樣的機器人底座，將其與SGI計算機連接，可以知道演播室創作所需的參數。

另一種方式是測量攝像機位置和視角的圖像識別系統。這種系統可以對攝像機拍攝的兩個圖形道具進行數學運算。這兩個道具的顏色相同，均為藍色底，但有稍淺的橫豎線，通過處理攝像機來的視頻信號，可以從圖形的陰影來確定攝像機的位置。這種通過攝像信號陰影來確定攝像機指向的處理是由功能很強的計算機來完成的，具有很高的智能。這種系統的優點是當背景在聚焦范圍之內時，即使使用便攜式攝像機也可以得到攝像機的全部運動參數。其次，也不需要配備特殊傳感器裝置的底座，但其缺點也很明顯：第一是攝像機必須能照到背景上；第二是攝像機必須在聚焦范圍之內；第三是系統很難區別攝像機在做鏡頭推拉動作還是整機位置移動。此外，這種系統價格高，使用時產生較大的視頻延時。

典型的三維虛擬演播室系統方框圖如圖1所示，虛線框內的是VSS設備，主機采用SGI的Onyx計算機，攝像機為通用的EFP機，由傳感器來測量，特殊編碼器將攝像機的水平、垂直聚焦、推拉等動作參數測出后經一般PC機進行高速信息處理，再輸出到Onyx計算機上。該機作為圖形工作站，可使用當今通用的包括Alias、Softimage、Wavefront、Multigen等軟件包建立數據庫用以產生虛擬場景、特技和動畫。與該機相連的有一低檔SGI工作站用做用戶接口（UI）控制平臺，一個操作員通過該用戶平臺可將虛擬場景和現實演播室同時操作，獨立管理和控制整個系統。攝像機輸出的視頻信號經A/D轉換后輸出，前景和背景在色鍵部分合成后，再由數字開關送給演播室主輸出。美國Etrox曾用這種系統制作了實驗性節目，由Onyx計算機設計的三維場地與用于新聞現場報道的演播室信號合成，開始了非常有意義的嘗試。該系統在很多雜志、電視片已有大量介紹，但實際應用還不太多，主要原因是造價高，三個訊道的虛擬演播室要300萬美元，光Onyx計算機就要75萬美元；還有就是場地較簡單，計算機不能產生復雜的與實際環境接近的場地；最后是可靠性問題，需要有備份。最近有家歐洲大電視臺決定搞這套系統，因為要直播，所以除三臺攝像機和三臺Onyx計算機外，又準備了三臺Onyx計算機作備份，防止計算機出意外。

三、 二維虛擬演播室系統

隨著虛擬演播室系統向實用化方向的進展，英國EPO公司與BBC合作開發了一種造價低、性能更加實用的二維虛擬演播室。BBC的研究發展部開發了一種特殊的數字視頻特技（DVE），任何一種實拍背景、圖片及虛擬的圖像均可進入，移動這些圖像可產生虛擬演播室的效果，且允許放大畫面中的部分圖像而不產生馬賽克效果。這種系統的優點是不需要超級計算機，輸入到系統中的背景可以是很復雜的真實背景，完全基于硬件，所以很可靠。第一臺這種DVE于1995年6月出現，它被裝在BBC的電視中心，并通過做一些短節目作了對系統的一系列測試，測試時盡量做一些復雜畫面，以便讓編導、節目人員有一個感性認識。節目中不同顏色的陰影普通色鍵很難做到，虛擬燈光的變化根據演播室燈光來做，前景光線影響背景光的變化。這里一個問題就是讓演員怎樣在比真實演播室大得多的虛擬演播室某一"建筑物"的一部分中行走，因為真實演播室中并沒有什么道路、走廊或阻擋物，這給表演帶來難度。另外，讓"陽光"照射后人走到的不同位置有不同的影子也很難做。解決的辦法是做一個罩子似的東西讓演員根據劇情在有軌可循的情況下走路。該系統中對于細節太多的背景用SGI做不出來，只有來自實景。如做一個體育節目,將倫敦中部網球場搬入虛擬演播室中，無論攝像機怎樣移動、推拉，圖像均不劣化，使觀眾感覺與現場拍攝無異。又如用某一房間做虛擬場地時，先用照相機將房間一角拍下來，在計算機中生成一種背景，再將演員"放進去"。這里要注意的是真實演播室的燈光與所拍外景的光線要相配，就能使觀眾無法區分畫面用的是實景還是虛景。還需要考慮的一個問題就是圖像因有處理過程而產生延時，所以演播室設備如聲音、燈光等也要適當延時。

該系統包括特殊的光學編碼器、靜幀存儲器和一般的切換臺，用戶工作站只要一臺，就可控制4臺攝像機。用戶工作站用來計算攝像機位置信息，控制單元移動背景，以接近真實感覺。

四、應用前景

二維的虛擬演播室可大量制作節目，大大改善節目包裝。很小的演播室可以做規模很大的節目，不可能實現的畫面可以做出來，只要是你能想到的。至于造價方面，據估算，三維虛擬演播室約需300萬美元，而二維三訊道的虛擬演播室大約50萬美元，只有三維的六分之一。據開發者稱，使用這種二維虛擬演播室不會影響以后的發展，如以后要做更好效果需使用ONYX計算機時，已有設備可保留下來，如傳感器、接口等。目前需解決的問題是散焦問題，背景有時清楚，有時模糊，等待解決，據說97′NAB上會有這方面的進展。另外要做的工作是開發軟件包，使用軟件包進行虛擬演播室的設計，做動畫合成。有的已投入使用的系統也正在不斷進行開發，如新加坡有一個臺已建了一個二訊道的虛擬演播室，計劃97年開發出可活動的動畫背景。

在三維演播室系統方面，已拿出產品的有RT－SET公司，其產品是將高尖端飛行模擬訓練系統用于廣播電視領域的一種嘗試，在96年9月韓國總統選舉和11月美國總統選舉的電視轉播中，電視觀眾已領略了這種新型節目制作方式的效果。

我國的電視事業隨著改革開放的深入和國民經濟的發展以及人們文化生活日益高漲的需求而面臨突飛猛進的發展,人們的欣賞品位越來越高,電視節目的制作難度也越來越大。為了滿足國際交流和廣大電視觀眾的需要,采用最新技術制作出令人耳目一新的電視節目已勢在必然。虛擬演播室系統雖然造價較高,但比起興建大型演播室或搭建一個又一個實景來,花費可能還要小些，運行費用可能更小,且換景便利,制作周期短,"擴建"更容易，所以具有誘人的發展前景。目前應盡快開展對VSS系統的跟蹤研究,培養相關人才,在技術上進一步成熟、造價趨于降低時,果斷地開始VSS系統的實用化運行,以打開我國電視節目制作的新局面。

Orad和云頓IBC聯合展示集成虛擬演播室解決方案

全球領先的實時三維運動圖形解決方案供應商Orad近日宣傳和云頓Radamec，維泰克集團的品牌和全球自動化攝像機領先者，聯手提供一個集成傲威的Proset高清/標清虛擬演播室解決方案和云頓Radamec的新的融合FP188V RRobotic Pedestal，以及融合FHR120VR Robotic頭的解決方案。

Fusion FP188VR robotic pedestal饋送精確跟蹤 ， 實時數據 ， 到Orad的Proset虛擬演播室的應用，該應用方案可以渲染虛擬演播室的圖形。 跟蹤數據包括X/Y軸定位和高度的數據 ， 以及平移，傾斜，變焦和聚焦參數，可以使攝像機在工作室的空間內完全自由運動 ， 并提供最大的輸出靈活性。

該集成解決方案為一個經營者必須經營的所有攝像機提供了一個無與倫比的投資回報率和可以利用多種制作的物理空間 。

ProSet新版本增強了帶有無與倫比的一系列廣泛的超寫實的水平的實時著色渲染的能力。 ProSet還提供了粒子庫，并允許主持人進行互動 ， 并觸發虛擬環境中圖形元素。

云頓Radamec虛擬現實接口設計精度高 ， 易于集成。頭部FHR120VR提供極其精確的數據。在不久的將來絕對渲染選項將被提供到目前的高精度定位系統，進一步加強了在虛擬現實應用的性能。