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虚拟演播室的“前世今生”
虚拟演播室(Virtual Studio)不是一个新鲜的名词，早在1993年，美国西海岸的Ultimatte公司就向人们展示了他们的虚拟演播室系统，在那之后1994年的荷兰IBC国际广播展览会上，许多公司也都向人们展示了干他们千篇一律的虚拟演播室系统，虽然当时的技术有限，但这并没有减弱业内人士对虚拟演播室系统的热情关注。在后续的几年当中，新的虚拟系统不断地完善早期产品的技术问题，尽可能的用“新技术”去满足业内人士的制作需求，虚拟演播室技术就这么不疾不徐地一路走到今天。
我国引入虚拟演播室系统大约是在1996年，当时由于技术不成熟、系统成本高昂、售后服务短缺、相关应用人才匮乏，在很长一段时间内，虚拟演播室系统令人望而止步，普及率很低，甚至有些成了高科技设备的“摆设”。
记得几年前去上海的一家电视台参观，看到台里的虚拟演播室基本上是被荒废了，在询问了负责人员后，被告知“不好用，有做3D背景的钱，还不如置实景，便宜，还快，师傅们也爱用……”。不得不遗憾地说，这代表了当时一批人对虚拟演播室的态度。
但是十几年之后的今天，由于我国对于计算机应用技术、电子信息技术、数字艺术、视音频技术等复合型数字化人才的大量培养与储备；虚拟演播室技术飞速发展、不断趋于成熟，操作系统由高端的SGI、UNIX平台向PC平台的平滑过渡；我国自主知识产权的虚拟演播室系统不断推陈出新……使得虚拟演播室系统真正的被全国各级电视台与制作机构重新重视起来。
人才危机的解决是虚拟演播室应用的基础
还记得上世纪90年代中期，学习Photoshop需要几千元的学费，使用三维软件渲染一张室内建筑效果图一般没有低于5000元一张的价格。现在可能听起来会觉得有些传奇，但是这在当年是普遍的现实。
为什么，现在Photoshop只要买本书，或是上网看看教程就能基本掌握，而一般室内效果图报价基本停留在几百元的价位，更有甚者，随着工程附送。
我想这和数字艺术(技术)知识体系逐步在我国成熟，拥有大批的相应艺术(技术)人才是很有关系的。当年建造虚拟演播室，是追赶时髦“高科技”的代表，而现在使用虚拟演播室，则是真正需要这种技术为我们服务。
必须承认，虚拟演播室系统的应用确实是比制作实景要复杂一点，需要遵循一整套生产流程和规范，需要各工种技术人员互相配合，是脑力为主的新兴影视产业。传统的置景工作，一直采取“传、帮、带”的师徒模式，是一种“美工”的工作，这个词在上世纪曾经被很多艺术院校毕业生所“不齿”。而且这个词，现在基本上被社会所遗忘了。时代遗忘掉一个词，必然和他的发展是相关的。
我国这十余年来大力发展数字艺术(技术)，全国高校涌现出大批艺术类专业，具有正规大学招生资质的就有400多家，还不算其他社会类办学机构。因此数字艺术(技术)人才有了相当雄厚的储备。人，是决定一切的根本。以往的“高科技”产品已经成为现代人们手中的平常玩物，这就是数字信息时代的一个重要特征。
随着人才危机的缓解，虚拟演播室技术必将成为新时期影视制作技术的主流。
一直不断发展的虚拟演播室技术
十几年来，数字艺术(技术)人才在逐渐积累，虚拟演播室技术也在逐步成熟。虚拟演播室技术，是基于计算机图形技术、传统色键抠像技术与计算机虚拟现实技术等相结合的产物。他将摄像机所拍摄的连续图像实时的与计算机所产生的图像进行合成，从而创造出一种新的电视节目制作效果。在这些年的发展历程中，大致可以分为三代产品，即二维虚拟演播室系统、二维半虚拟演播室系统、三维虚拟演播室系统。
1 二维虚拟演播室系统
二维系统是虚拟演播室早期的一种比较简单、经济的表现技术。通常是以一张或是一组图片作为背景，根据摄像机推、拉的参数变化对整幅背景图片事先进行缩、放处理，以便在机位切换中使用。
2 二维半虚拟演播室系统
二维半系统是介于虚拟背景和三维系统之间的过渡产品，具有一定的存在意义，因为许多地方电视台在制作一些时效性高、节奏性快的新闻、访谈类栏目中不需要造价高昂的真三维系统。二维半系统能够实时地处理事先在三维动画软件里渲染得到的高质量图像。前后景物可随着摄像机的推、拉，摇的变化而同步变化，满足实时生成虚拟场景的需要。但是二维半系统中摄像机的位置是预先设置好的，因此摄像机在拍摄过程中无法实时移动。
3 三维虚拟演播室系统
三维系统是当前的主流虚拟演播室系统模式，具有如下几个特性：场景具有三维属性，是立体的，是有景深关系的；随着摄像机的推、拉、摇、移，物体间的空间关系也要相应变化；系统不再对平面图像进行处理，而是调用虚拟场景文件，如*.3DS，*.WRL等。我们可以把三维系统通俗的理解成一个“实时渲染”的场景系统。就像我们玩的次世代游戏，三维场景随镜头变化而实时演算变化。三维虚拟演播室系统比较适用于画面精细、场景复杂和灵活性高的节目制作。
综上所述，在当前虚拟演播室系统使用中，二维系统已经基本被淘汰，而经济、高效的二维半系统与精细、灵动的三维系统是当前国内节目制作的主力。在地级电视台、校园电视台的栏目制作中，二维半虚拟演播室系统被广泛应用，因为背景制作简单，并且可以随时契合主题进行变化，大大降低了置景成本，缩短了制作周期，提高了演播室使用效率。
校园电视台需要虚拟演播室吗
我们这里先不谈国家“十二五规划”中关于“绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会，持续发展低碳、节能减排之路”的宏观思想究竟会对中国影视制作产业带来什么样的影响，会对教育机构带来什么样的变革，而是仅仅把目光停留在校园电视台是否需要建设虚拟演播室这一微观话题上。
首先，学校是继承、创造、传播知识的教育机构。校园电视台，这一特殊媒体，所使用的媒体技术手段应该是代表现今社会生产力的，所倡导的传播理念也应该是符合国际、国内现时潮流的。因为这里被教育的人，终将是这个国家的未来与希望。其次，大部分学校在我国属于全额拨款性事业单位(暂不考虑民办学校等)，每年用于校园电视台建设的财政预算是有限的，不可能像电视台那样有盈利性收入。因此，校园电视台的工作结构不像电视机构那样完备，节目制作预算也会有所不足，导致节目制作过程必然要进行简化处理。最后一点，校园电视台所制作的节目内容，多以新闻资讯、授课、讲座等教育类内容为主，而教育节目有其特殊的视听语言属性，与一般的影视视听语言略有不同。所以，找到一种适合现代校园电视台节目制作的有效途径至关重要。
传统的校园电视台，是以实景演播室为制作基地。从1958年5月1日，中国第一家电视台——北京电视台(即后来的中 央电视台)首播开始至今，实景演播室一直被行业人士所使用。仅这一两年北京地区就新建、改建了上百家实景演播室。
随着技术的更新变化和使用习惯的逐步改变，目前实景演播室比较多的应用于中大型综艺节目。而小型访谈类、新闻类、资讯类栏目，基本上都会采用虚拟演播室。以往，一个小型新闻类栏目置景需要等待3—10天的制作周期。而现在只要使用电脑制作几张背景图便解决了问题，既环保又高效，还极大的缩减了制作成本。让你不会再为撤景、布景而烦恼，也间接地响应了国家“十二五规划”。
虚拟演播室带给学校的不仅是一个咨询播报、教师授课、专家讲座的媒体制作环境，在教育领域，虚拟演播室技术还能丰富教育节目的表现形式，开拓教育教学实践的新思路。在这一刻，校园电视台与虚拟演播室紧密的结合到了一起。
校园电视台虚拟演播室的设计与实现
1 标准版
本文以北京广播电视大学(下文简称北京电大)2011年正式启动使用的虚拟演播室为例，具体介绍一下校园虚拟演播室的系统结构。北京电大在选购虚拟演播室系统时，采用了中科大洋公司的MagicSet II系统。
该系统属于三维虚拟演播室范畴。如图所示，左侧虚线框内是系统的采集和传输系统，中间灰色底色的部分为系统的主要结构，包括三维场景生成、色键抠像、前后景叠加生成主场景等核心结构，右侧虚线框内为系统的输出系统。
(1)摄像机信号和机位参数信号采集与传输系统
摄像机的位置参数(X，Y，Z)以及水平摇动和垂直俯仰加上镜头的变焦和聚焦参数构成了场景生成时的视点参数，这些参数的精度和采集速度直接影响生成的场景是否能和真实人物在空间位置，透视关系和镜头调度上相匹配。北京电大虚拟演播室系统采用了机械传感器方式进行摄像机的变焦、聚焦、水平摇动和垂直俯仰等参数信号的采集和传输。系统采集摄像机参数的同时，还为各摄像机机位实时地提供TALLY信号，使摄像师和主持人可以及时主动地配合导演的现场切换工作，该系统拥有三个摄像机机位。
(2)色键控制器抠像与键信号生成系统
色键效果的性能指标直接影响到整个虚拟演播室系统的最终效果。虚拟演播室系统可根据用户已有的设备情况对色键器进行选择。本系统选用的是奥视数码出品的CK-300D型色键控制器，该色键控制器采用色度空间中的色度矢量处理方法，能够将要键去的颜色矢量与视频信号中的每个点的颜色矢量进行精确运算，在生成线性键的同时还能进行消色和补色处理，使前景中的人物和物体的边缘能够与场景良好地结合，保证了最佳的色键效果。值得一提的是，这种色度矢量处理方法生成的线性键能够实现半透明物体如玻璃和烟雾的色键处理，同时其消色功能还可以纠正由于蓝(绿)幕造成的人物皮肤上的淡蓝(绿)色反光。
(3)三维场景造型生成系统
三维场景造型生成系统是虚拟系统中较为复杂的一个环节，该系统具有开放式的数据接口，可以直接调用3D MAX、MAYA、SOFTIMAGE等国际流行的三维建模软件制作的场景源文件，在系统中进行动画编辑、虚拟物件编辑，并进行特殊效果处理。如雾效等。系统采用三维场景造型实时渲染的方式生成虚拟场景，每秒可以渲染多达100万个带纹理贴图的三角面。并可以根据摄像机的当前机位参数实时生成与之相配的主彩色场景。
(4)主输出信号生成系统
该系统中，摄像机的视频信号通过一个两帧的视频延迟器进入色键控制器进行色键处理，经与主彩色场景和主掩膜场景的叠加后生成主输出信号。虚拟演播室的视频延迟是目前国内外设备生产商所共同关注的焦点问题之一，而如何使延迟量达到最小也成为虚拟演播室的重要技术环节。本系统的视频延迟量为2帧。是同类产品中较好的，能够保证系统在不加入音频延迟器的情况下做到声画对位基本正确，不影响系统的正常使用。主输出信号的生成是在混合器上完成的。该混合器根据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，并根据掩膜信号确定场景与视频之间的前后层次关系，主输出画面可直接录制到外接录像机上。
(5)输入输出通道系统
本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，在保证信号指标的同时还充分考虑到目前国内电视台的实际情况，可以选择使用模拟复合、分量等多种信号源。该系统可以进行录播和直播。外接苹果工作站，可以直接采集、压缩。
(6)视频信号的回放
本系统支持非线性的回放，可以在拍摄节目之前将准备在虚拟大屏幕中播出的节目片段事先拷贝到系统的素材硬盘中，在拍摄节目的过程中直接在系统中控制播出素材片段，提高拍摄效率。
综上所述，该虚拟演播室系统最大的特点是高度的系统集成。由于虚拟演播室系统必备的所有功能模块都集成在一台高性能图形工作站内，系统所需要的外部信号仅为必须的同步基准信号和摄像机视频信号，这在组建系统时可以使信号通路连接变得简单化，最大限度地减小信号损失。由于所有功能模块采用内部数据总线联结，在系统内部的视频信号都是以4：2：2的数据流的方式传递，在保证信号质量的同时也提高了系统的可靠性，使整个系统始终保持最佳的播出级指标。
2 经济版
如果在经费预算有限的前提下。对三维场景实时渲染没有要求，对播出的信息也不太追求实时性的话，可以采用前期蓝、绿背景拍摄，后期合成的办法。现在可以进行合成的软件与平台越来越大众化了，普通电脑，配置稍微好点，完全可以胜任这个工作。蓝、绿布背景，可以自行制作，有移动和外出需要的，还可以把背景做成可折叠、拆装、移动型的，自己动手，造价很低。灯具选择上，如果你在固定的室内拍摄，可以选择三基色柔光灯，不仅省电、寿命长，还比较容易把光“打匀”，减少阴影。当然，如果你是有一定经验的工作者，可以选择廉价聚光灯，通过其他方式达到照明效果。但是聚光灯已经不太符合当前的绿色照明理念了。因为，大部分虚拟场景的合成工作，推给了后期制作，对于合成的技术要求相对高了很多，不过也相应的让制作过程更加的灵活了。
当然，你可能还是有实时播出的需求，那么没关系，可以利用色键器(或具有色键功能的切换台)来实现。他们可以帮你完成实时替换背景的工作。如果只是单人主持节目，你只需制作一个背景而已，如果是多人同台。则需要根据透视原理、景深规律，制作符合成像规律的多个背景。有的色键器只能支持两路前景输入，一路背景输入，那么根据需要，你要再增添若干色键器来达到多人同台，背景按照视觉规律变化的效果。让色键器在切换后，背景变化显得比较真实。
造价成本较高是虚拟系统的另外一个致命问题，也是造成它至今不能广泛应用的原因之一。但是，笔者认为这仅仅是在某一时间段下的一个相对的问题。90年代中期，非线性编辑系 统进入我国，当时随便一套也要门十万人民币，笔者有幸成为第一批吃螃蟹的人。当时，很多“老编辑”都对笔者说“这玩意用起来太慢，没有我二带一、三带一编起来快”……时光流转，这些还在岗的同仁们，现在都成为非线性编辑的坚决拥护者了，很多刚入行的朋友，可能再也没听过什么“二带一、三带一”，对编机估计都不用了。孰优孰劣，不用笔者去评点。
而非线性系统的成本也由当年动辄门，十万，上百万元，下降到几万元，随便一个爱好者就能攒个苹果编高清了。因此，虚拟系统普及化只是一个时间的问题，我们相信，这个时间不会太长。
当然，虚拟技术也确实还存在很多问题需要完善，如各类传感系统的弊端时至今日也没有一个很好的解决方案，如机械传感方式只要挪动机位就要重新设定参数，在使用中会造成不便；图形识别方式延迟时间长，拍摄特写受限制……而三维场景的实时表现、渲染也受到虚拟系统性能指标与数据接口设定限制，不能实时调用三维软件中的高级模型、灯光与材质设定，而需要使用其他中间手段才能达成，这样既影响效果又增加了工作成本。
虽然尚存不足，但是前途光明，相信在不远的将来，随着电子技术、计算机技术的不断发展，这些问题终将得以解决，更多的校园电视台、影视机构和有绿色低碳意愿的影视工作者们会选择使用虚拟演播室制作节目，让我们拭目以待。
键功能的切换台，前景与背景输入是可以随需求进行调整的，这样就方便了多路切换。当然。色键器价格还是比较经济的，如果要求不太高，几千元就能解决一台。有兴趣的朋友，可以尝试一下。
传统演播室到虚拟演播室的更替之路
新事物替代旧事物看似一个一成不变的规律，但是中间的过程可能会很漫长和复杂。像我们熟悉的电视就没能替代广播。因此，对新事物的熟悉、掌握、接受是一个长期培养的过程。
目前挡在虚拟演播室取代传统演播室道路上的第一块大石头——影视制作人员对于新事物的掌握与接受。虽说虚拟演播室出道很多年，但是从工作习惯上、从情感心理上真正接收它，还是需要一个过程的。制作人员要抛开传统的思维模式，不要怕麻烦，怕学习，要尝试接受新技术带给我们新的创意和快感。
虚拟演播室几个重要相关概念
虚拟演播室包含很多技术元素，其中主要包括摄像机跟踪技术、蓝(绿)背景处理技术和三维场景造型生成、色键技术、灯光技术等。
1 摄像机跟踪技术
摄像机跟踪技术是指在节目拍摄过程中实时获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。其中包括摄像机镜头放缩参数、聚焦参数、云台摇动参数等。获取的这组参数将摄像机、镜头与高性能工作站(该工作站可以生成背景的每一场)接驳起来，产生背景的应用软件根据这些参数来调整虚拟摄像机的位置、方向和镜头参数，使虚拟场墨产生对应的变化，使虚拟演播室的制作成为可能。
目前成熟的跟踪技术主要有图形识别和机械传感这两种模式。图形识别方式需要一个画有特殊网格的蓝色背景幕布它将摄像机所拍摄的画面送到数字视频处理器中进行处理，通过对该画面中网格固有的不同特性和透视关系进行计算，得出有关摄像机的运动参数。机械传感器则是通过安装在摄像机云台及镜头上的传感器获得有关摄像机的动作参数。
这两种方式各有特点，图形识别方式的优点是对摄像机的数量和操作不加限制，可以配置多台摄像机并给予摄像师最大的操作自由度，缺点是要对所拍画面进行大量的数据计算，会造成较大的延时；由于需要保持识别背景的网格始终清晰，无法拍摄特写镜头。机械传感方式可以弥补图形识别方式的不足之处，但其最大缺点是摄像机拍摄时不能移动，位置必须固定，每换一个位置都要重新进行定位调整。
2 蓝(绿)背景技术
依据预算的多少，虚拟演播室背景搭建可分为三类：标准抠像色键布，木质结构色键板和ABS专业塑料背景拼装板，制作虚拟演播室的蓝(绿)背景要求界砰滑，还要有空间感，一般是两面或三面蓝(绿)色背板再自口上地面。为保证全景镜头的使用，照射在蓝(绿)背景上面的光线要均匀。为了保证色键效果最好，要使用比较纯正的色键蓝(绿)色。蓝(绿)背景的空间大小，应该能保证容纳全部道具并且可以使角色有足够的活动区域。目前关于蓝、绿背景两种颜色的选择有说法是：西方人眼睛颜色有蓝色，因此一般不用蓝色背景，而用绿色。但是为什么中国一直沿用蓝色而不用绿色，没有权威的考证结果。现在，已有很多工作室和影视机构用的都是绿色，“国际化”程度显著。
3 三维场景造型生成技术
虚拟演播室中的背景图像可以是动态的，也可以是静止的。三维虚拟演播室最常用的就是虚拟场景，也就是由计算机创作的三维图形。在虚拟演播室中，首先要对场景中的所有物体进行建横，该模型由多边形组成(一般是三角形)，然后定义一个轮廓，在每个多边形上施加材质，再把图像或照片施加在多边形上，以产生更逼真的效果。衡量一个场景的复杂程度与模型细分程度其中主要一点是看这个场景中所包含多边形的数目，而场景制作的越复杂，对系统的三维渲染能力要求也会相应提高。
4 键信号处理与图像合成
色键控制器在虚拟演播室中的主要任务是从摄像机所提供前景信号中提取出键信号使主体图像同色键背景分离。然后通过色键合成器使得分离后的主体图像与实时生成的具有正确透视关系的背景图像进行混合，当背景图像与前景主体图像混合后，才最终完成了虚拟演播室的节目制作。工作原理如图所示。
5 灯光技术
评价虚拟演播室的色键效果主要是看人物与背景是否能真实地融合，而整个虚拟演播室的布光质量对色键效果起到至关重要的作用。目前，在面积50平米－150平米，灯下高度小于3.5米的虚拟演播室中主要是采用三基色柔光灯进行照明，三基色灯具照明光线柔和，没有明显的灯具边沿阴影，照射效果好，因为属于“冷光源”，所以灯具运行时演播室内环境温度较低，耗电量较小，灯具寿命长，符合当前“绿色、低碳”的环保主题。
虚拟演播室布光操作是一个复杂的实践过程，无论是先进行背景带光还是先考虑人物布光，都应该遵循基本的布光原理与栏目的设计主题。人物的布光方法基本上要依据经典的三点布光原则，即主光、逆光、辅助光。需要注意的是人物的脚下，人物在运动时，如果地排灯处理不好，会造成底部阴影，影响色键合成效果。背景布光的均匀和颜色色度的均匀是保证背景色键效果的关键。背景照度不均匀会导致在较暗的区域出现蒙上黑色纱布的感觉，或是在较亮的区域出现蒙上白色或彩色纱布的感觉。测试照度的方法是将一块标准灰度测试板分别放在背景和前景上，然后读取测光表数据，也可以参照各个摄像机位拍摄下来的画面是否具有相同的亮度等级。当前景和背景保持1：1的照度比例关系时，色键器更容易实现人物阴影效果，达到较好的细节表现力。当然，这也会产生人物主体立体感不强的感觉。
所以说，虚拟演播室布光操作是一个复杂而长期的实践课题。
虚拟演播室(Virtual Studio)不是一个新鲜的名词，早在1993年，美国西海岸的Ultimatte公司就向人们展示了他们的虚拟演播室系统，在那之后1994年的荷兰IBC国际广播展览会上，许多公司也都向人们展示了干他们千篇一律的虚拟演播室系统，虽然当时的技术有限，但这并没有减弱业内人士对虚拟演播室系统的热情关注。在后续的几年当中，新的虚拟系统不断地完善早期产品的技术问题，尽可能的用“新技术”去满足业内人士的制作需求，虚拟演播室技术就这么不疾不徐地一路走到今天。
我国引入虚拟演播室系统大约是在1996年，当时由于技术不成熟、系统成本高昂、售后服务短缺、相关应用人才匮乏，在很长一段时间内，虚拟演播室系统令人望而止步，普及率很低，甚至有些成了高科技设备的“摆设”。
记得几年前去上海的一家电视台参观，看到台里的虚拟演播室基本上是被荒废了，在询问了负责人员后，被告知“不好用，有做3D背景的钱，还不如置实景，便宜，还快，师傅们也爱用……”。不得不遗憾地说，这代表了当时一批人对虚拟演播室的态度。
但是十几年之后的今天，由于我国对于计算机应用技术、电子信息技术、数字艺术、视音频技术等复合型数字化人才的大量培养与储备；虚拟演播室技术飞速发展、不断趋于成熟，操作系统由高端的SGI、UNIX平台向PC平台的平滑过渡；我国自主知识产权的虚拟演播室系统不断推陈出新……使得虚拟演播室系统真正的被全国各级电视台与制作机构重新重视起来。
人才危机的解决是虚拟演播室应用的基础
还记得上世纪90年代中期，学习Photoshop需要几千元的学费，使用三维软件渲染一张室内建筑效果图一般没有低于5000元一张的价格。现在可能听起来会觉得有些传奇，但是这在当年是普遍的现实。
为什么，现在Photoshop只要买本书，或是上网看看教程就能基本掌握，而一般室内效果图报价基本停留在几百元的价位，更有甚者，随着工程附送。
我想这和数字艺术(技术)知识体系逐步在我国成熟，拥有大批的相应艺术(技术)人才是很有关系的。当年建造虚拟演播室，是追赶时髦“高科技”的代表，而现在使用虚拟演播室，则是真正需要这种技术为我们服务。
必须承认，虚拟演播室系统的应用确实是比制作实景要复杂一点，需要遵循一整套生产流程和规范，需要各工种技术人员互相配合，是脑力为主的新兴影视产业。传统的置景工作，一直采取“传、帮、带”的师徒模式，是一种“美工”的工作，这个词在上世纪曾经被很多艺术院校毕业生所“不齿”。而且这个词，现在基本上被社会所遗忘了。时代遗忘掉一个词，必然和他的发展是相关的。
我国这十余年来大力发展数字艺术(技术)，全国高校涌现出大批艺术类专业，具有正规大学招生资质的就有400多家，还不算其他社会类办学机构。因此数字艺术(技术)人才有了相当雄厚的储备。人，是决定一切的根本。以往的“高科技”产品已经成为现代人们手中的平常玩物，这就是数字信息时代的一个重要特征。
随着人才危机的缓解，虚拟演播室技术必将成为新时期影视制作技术的主流。
一直不断发展的虚拟演播室技术
十几年来，数字艺术(技术)人才在逐渐积累，虚拟演播室技术也在逐步成熟。虚拟演播室技术，是基于计算机图形技术、传统色键抠像技术与计算机虚拟现实技术等相结合的产物。他将摄像机所拍摄的连续图像实时的与计算机所产生的图像进行合成，从而创造出一种新的电视节目制作效果。在这些年的发展历程中，大致可以分为三代产品，即二维虚拟演播室系统、二维半虚拟演播室系统、三维虚拟演播室系统。
1 二维虚拟演播室系统
二维系统是虚拟演播室早期的一种比较简单、经济的表现技术。通常是以一张或是一组图片作为背景，根据摄像机推、拉的参数变化对整幅背景图片事先进行缩、放处理，以便在机位切换中使用。
2 二维半虚拟演播室系统
二维半系统是介于虚拟背景和三维系统之间的过渡产品，具有一定的存在意义，因为许多地方电视台在制作一些时效性高、节奏性快的新闻、访谈类栏目中不需要造价高昂的真三维系统。二维半系统能够实时地处理事先在三维动画软件里渲染得到的高质量图像。前后景物可随着摄像机的推、拉，摇的变化而同步变化，满足实时生成虚拟场景的需要。但是二维半系统中摄像机的位置是预先设置好的，因此摄像机在拍摄过程中无法实时移动。
3 三维虚拟演播室系统
三维系统是当前的主流虚拟演播室系统模式，具有如下几个特性：场景具有三维属性，是立体的，是有景深关系的；随着摄像机的推、拉、摇、移，物体间的空间关系也要相应变化；系统不再对平面图像进行处理，而是调用虚拟场景文件，如*.3DS，*.WRL等。我们可以把三维系统通俗的理解成一个“实时渲染”的场景系统。就像我们玩的次世代游戏，三维场景随镜头变化而实时演算变化。三维虚拟演播室系统比较适用于画面精细、场景复杂和灵活性高的节目制作。
综上所述，在当前虚拟演播室系统使用中，二维系统已经基本被淘汰，而经济、高效的二维半系统与精细、灵动的三维系统是当前国内节目制作的主力。在地级电视台、校园电视台的栏目制作中，二维半虚拟演播室系统被广泛应用，因为背景制作简单，并且可以随时契合主题进行变化，大大降低了置景成本，缩短了制作周期，提高了演播室使用效率。
校园电视台需要虚拟演播室吗
我们这里先不谈国家“十二五规划”中关于“绿色发展，建设资源节约型、环境友好型社会，持续发展低碳、节能减排之路”的宏观思想究竟会对中国影视制作产业带来什么样的影响，会对教育机构带来什么样的变革，而是仅仅把目光停留在校园电视台是否需要建设虚拟演播室这一微观话题上。
首先，学校是继承、创造、传播知识的教育机构。校园电视台，这一特殊媒体，所使用的媒体技术手段应该是代表现今社会生产力的，所倡导的传播理念也应该是符合国际、国内现时潮流的。因为这里被教育的人，终将是这个国家的未来与希望。其次，大部分学校在我国属于全额拨款性事业单位(暂不考虑民办学校等)，每年用于校园电视台建设的财政预算是有限的，不可能像电视台那样有盈利性收入。因此，校园电视台的工作结构不像电视机构那样完备，节目制作预算也会有所不足，导致节目制作过程必然要进行简化处理。最后一点，校园电视台所制作的节目内容，多以新闻资讯、授课、讲座等教育类内容为主，而教育节目有其特殊的视听语言属性，与一般的影视视听语言略有不同。所以，找到一种适合现代校园电视台节目制作的有效途径至关重要。
传统的校园电视台，是以实景演播室为制作基地。从1958年5月1日，中国第一家电视台——北京电视台(即后来的中 央电视台)首播开始至今，实景演播室一直被行业人士所使用。仅这一两年北京地区就新建、改建了上百家实景演播室。
随着技术的更新变化和使用习惯的逐步改变，目前实景演播室比较多的应用于中大型综艺节目。而小型访谈类、新闻类、资讯类栏目，基本上都会采用虚拟演播室。以往，一个小型新闻类栏目置景需要等待3—10天的制作周期。而现在只要使用电脑制作几张背景图便解决了问题，既环保又高效，还极大的缩减了制作成本。让你不会再为撤景、布景而烦恼，也间接地响应了国家“十二五规划”。
虚拟演播室带给学校的不仅是一个咨询播报、教师授课、专家讲座的媒体制作环境，在教育领域，虚拟演播室技术还能丰富教育节目的表现形式，开拓教育教学实践的新思路。在这一刻，校园电视台与虚拟演播室紧密的结合到了一起。
校园电视台虚拟演播室的设计与实现
1 标准版
本文以北京广播电视大学(下文简称北京电大)2011年正式启动使用的虚拟演播室为例，具体介绍一下校园虚拟演播室的系统结构。北京电大在选购虚拟演播室系统时，采用了中科大洋公司的MagicSet II系统。
该系统属于三维虚拟演播室范畴。如图所示，左侧虚线框内是系统的采集和传输系统，中间灰色底色的部分为系统的主要结构，包括三维场景生成、色键抠像、前后景叠加生成主场景等核心结构，右侧虚线框内为系统的输出系统。
(1)摄像机信号和机位参数信号采集与传输系统
摄像机的位置参数(X，Y，Z)以及水平摇动和垂直俯仰加上镜头的变焦和聚焦参数构成了场景生成时的视点参数，这些参数的精度和采集速度直接影响生成的场景是否能和真实人物在空间位置，透视关系和镜头调度上相匹配。北京电大虚拟演播室系统采用了机械传感器方式进行摄像机的变焦、聚焦、水平摇动和垂直俯仰等参数信号的采集和传输。系统采集摄像机参数的同时，还为各摄像机机位实时地提供TALLY信号，使摄像师和主持人可以及时主动地配合导演的现场切换工作，该系统拥有三个摄像机机位。
(2)色键控制器抠像与键信号生成系统
色键效果的性能指标直接影响到整个虚拟演播室系统的最终效果。虚拟演播室系统可根据用户已有的设备情况对色键器进行选择。本系统选用的是奥视数码出品的CK-300D型色键控制器，该色键控制器采用色度空间中的色度矢量处理方法，能够将要键去的颜色矢量与视频信号中的每个点的颜色矢量进行精确运算，在生成线性键的同时还能进行消色和补色处理，使前景中的人物和物体的边缘能够与场景良好地结合，保证了最佳的色键效果。值得一提的是，这种色度矢量处理方法生成的线性键能够实现半透明物体如玻璃和烟雾的色键处理，同时其消色功能还可以纠正由于蓝(绿)幕造成的人物皮肤上的淡蓝(绿)色反光。
(3)三维场景造型生成系统
三维场景造型生成系统是虚拟系统中较为复杂的一个环节，该系统具有开放式的数据接口，可以直接调用3D MAX、MAYA、SOFTIMAGE等国际流行的三维建模软件制作的场景源文件，在系统中进行动画编辑、虚拟物件编辑，并进行特殊效果处理。如雾效等。系统采用三维场景造型实时渲染的方式生成虚拟场景，每秒可以渲染多达100万个带纹理贴图的三角面。并可以根据摄像机的当前机位参数实时生成与之相配的主彩色场景。
(4)主输出信号生成系统
该系统中，摄像机的视频信号通过一个两帧的视频延迟器进入色键控制器进行色键处理，经与主彩色场景和主掩膜场景的叠加后生成主输出信号。虚拟演播室的视频延迟是目前国内外设备生产商所共同关注的焦点问题之一，而如何使延迟量达到最小也成为虚拟演播室的重要技术环节。本系统的视频延迟量为2帧。是同类产品中较好的，能够保证系统在不加入音频延迟器的情况下做到声画对位基本正确，不影响系统的正常使用。主输出信号的生成是在混合器上完成的。该混合器根据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，并根据掩膜信号确定场景与视频之间的前后层次关系，主输出画面可直接录制到外接录像机上。
(5)输入输出通道系统
本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，在保证信号指标的同时还充分考虑到目前国内电视台的实际情况，可以选择使用模拟复合、分量等多种信号源。该系统可以进行录播和直播。外接苹果工作站，可以直接采集、压缩。
(6)视频信号的回放
本系统支持非线性的回放，可以在拍摄节目之前将准备在虚拟大屏幕中播出的节目片段事先拷贝到系统的素材硬盘中，在拍摄节目的过程中直接在系统中控制播出素材片段，提高拍摄效率。
综上所述，该虚拟演播室系统最大的特点是高度的系统集成。由于虚拟演播室系统必备的所有功能模块都集成在一台高性能图形工作站内，系统所需要的外部信号仅为必须的同步基准信号和摄像机视频信号，这在组建系统时可以使信号通路连接变得简单化，最大限度地减小信号损失。由于所有功能模块采用内部数据总线联结，在系统内部的视频信号都是以4：2：2的数据流的方式传递，在保证信号质量的同时也提高了系统的可靠性，使整个系统始终保持最佳的播出级指标。
2 经济版
如果在经费预算有限的前提下。对三维场景实时渲染没有要求，对播出的信息也不太追求实时性的话，可以采用前期蓝、绿背景拍摄，后期合成的办法。现在可以进行合成的软件与平台越来越大众化了，普通电脑，配置稍微好点，完全可以胜任这个工作。蓝、绿布背景，可以自行制作，有移动和外出需要的，还可以把背景做成可折叠、拆装、移动型的，自己动手，造价很低。灯具选择上，如果你在固定的室内拍摄，可以选择三基色柔光灯，不仅省电、寿命长，还比较容易把光“打匀”，减少阴影。当然，如果你是有一定经验的工作者，可以选择廉价聚光灯，通过其他方式达到照明效果。但是聚光灯已经不太符合当前的绿色照明理念了。因为，大部分虚拟场景的合成工作，推给了后期制作，对于合成的技术要求相对高了很多，不过也相应的让制作过程更加的灵活了。
当然，你可能还是有实时播出的需求，那么没关系，可以利用色键器(或具有色键功能的切换台)来实现。他们可以帮你完成实时替换背景的工作。如果只是单人主持节目，你只需制作一个背景而已，如果是多人同台。则需要根据透视原理、景深规律，制作符合成像规律的多个背景。有的色键器只能支持两路前景输入，一路背景输入，那么根据需要，你要再增添若干色键器来达到多人同台，背景按照视觉规律变化的效果。让色键器在切换后，背景变化显得比较真实。
造价成本较高是虚拟系统的另外一个致命问题，也是造成它至今不能广泛应用的原因之一。但是，笔者认为这仅仅是在某一时间段下的一个相对的问题。90年代中期，非线性编辑系 统进入我国，当时随便一套也要门十万人民币，笔者有幸成为第一批吃螃蟹的人。当时，很多“老编辑”都对笔者说“这玩意用起来太慢，没有我二带一、三带一编起来快”……时光流转，这些还在岗的同仁们，现在都成为非线性编辑的坚决拥护者了，很多刚入行的朋友，可能再也没听过什么“二带一、三带一”，对编机估计都不用了。孰优孰劣，不用笔者去评点。
而非线性系统的成本也由当年动辄门，十万，上百万元，下降到几万元，随便一个爱好者就能攒个苹果编高清了。因此，虚拟系统普及化只是一个时间的问题，我们相信，这个时间不会太长。
当然，虚拟技术也确实还存在很多问题需要完善，如各类传感系统的弊端时至今日也没有一个很好的解决方案，如机械传感方式只要挪动机位就要重新设定参数，在使用中会造成不便；图形识别方式延迟时间长，拍摄特写受限制……而三维场景的实时表现、渲染也受到虚拟系统性能指标与数据接口设定限制，不能实时调用三维软件中的高级模型、灯光与材质设定，而需要使用其他中间手段才能达成，这样既影响效果又增加了工作成本。
虽然尚存不足，但是前途光明，相信在不远的将来，随着电子技术、计算机技术的不断发展，这些问题终将得以解决，更多的校园电视台、影视机构和有绿色低碳意愿的影视工作者们会选择使用虚拟演播室制作节目，让我们拭目以待。
键功能的切换台，前景与背景输入是可以随需求进行调整的，这样就方便了多路切换。当然。色键器价格还是比较经济的，如果要求不太高，几千元就能解决一台。有兴趣的朋友，可以尝试一下。
传统演播室到虚拟演播室的更替之路
新事物替代旧事物看似一个一成不变的规律，但是中间的过程可能会很漫长和复杂。像我们熟悉的电视就没能替代广播。因此，对新事物的熟悉、掌握、接受是一个长期培养的过程。
目前挡在虚拟演播室取代传统演播室道路上的第一块大石头——影视制作人员对于新事物的掌握与接受。虽说虚拟演播室出道很多年，但是从工作习惯上、从情感心理上真正接收它，还是需要一个过程的。制作人员要抛开传统的思维模式，不要怕麻烦，怕学习，要尝试接受新技术带给我们新的创意和快感。
虚拟演播室几个重要相关概念
虚拟演播室包含很多技术元素，其中主要包括摄像机跟踪技术、蓝(绿)背景处理技术和三维场景造型生成、色键技术、灯光技术等。
1 摄像机跟踪技术
摄像机跟踪技术是指在节目拍摄过程中实时获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。其中包括摄像机镜头放缩参数、聚焦参数、云台摇动参数等。获取的这组参数将摄像机、镜头与高性能工作站(该工作站可以生成背景的每一场)接驳起来，产生背景的应用软件根据这些参数来调整虚拟摄像机的位置、方向和镜头参数，使虚拟场墨产生对应的变化，使虚拟演播室的制作成为可能。
目前成熟的跟踪技术主要有图形识别和机械传感这两种模式。图形识别方式需要一个画有特殊网格的蓝色背景幕布它将摄像机所拍摄的画面送到数字视频处理器中进行处理，通过对该画面中网格固有的不同特性和透视关系进行计算，得出有关摄像机的运动参数。机械传感器则是通过安装在摄像机云台及镜头上的传感器获得有关摄像机的动作参数。
这两种方式各有特点，图形识别方式的优点是对摄像机的数量和操作不加限制，可以配置多台摄像机并给予摄像师最大的操作自由度，缺点是要对所拍画面进行大量的数据计算，会造成较大的延时；由于需要保持识别背景的网格始终清晰，无法拍摄特写镜头。机械传感方式可以弥补图形识别方式的不足之处，但其最大缺点是摄像机拍摄时不能移动，位置必须固定，每换一个位置都要重新进行定位调整。
2 蓝(绿)背景技术
依据预算的多少，虚拟演播室背景搭建可分为三类：标准抠像色键布，木质结构色键板和ABS专业塑料背景拼装板，制作虚拟演播室的蓝(绿)背景要求界砰滑，还要有空间感，一般是两面或三面蓝(绿)色背板再自口上地面。为保证全景镜头的使用，照射在蓝(绿)背景上面的光线要均匀。为了保证色键效果最好，要使用比较纯正的色键蓝(绿)色。蓝(绿)背景的空间大小，应该能保证容纳全部道具并且可以使角色有足够的活动区域。目前关于蓝、绿背景两种颜色的选择有说法是：西方人眼睛颜色有蓝色，因此一般不用蓝色背景，而用绿色。但是为什么中国一直沿用蓝色而不用绿色，没有权威的考证结果。现在，已有很多工作室和影视机构用的都是绿色，“国际化”程度显著。
3 三维场景造型生成技术
虚拟演播室中的背景图像可以是动态的，也可以是静止的。三维虚拟演播室最常用的就是虚拟场景，也就是由计算机创作的三维图形。在虚拟演播室中，首先要对场景中的所有物体进行建横，该模型由多边形组成(一般是三角形)，然后定义一个轮廓，在每个多边形上施加材质，再把图像或照片施加在多边形上，以产生更逼真的效果。衡量一个场景的复杂程度与模型细分程度其中主要一点是看这个场景中所包含多边形的数目，而场景制作的越复杂，对系统的三维渲染能力要求也会相应提高。
4 键信号处理与图像合成
色键控制器在虚拟演播室中的主要任务是从摄像机所提供前景信号中提取出键信号使主体图像同色键背景分离。然后通过色键合成器使得分离后的主体图像与实时生成的具有正确透视关系的背景图像进行混合，当背景图像与前景主体图像混合后，才最终完成了虚拟演播室的节目制作。工作原理如图所示。
5 灯光技术
评价虚拟演播室的色键效果主要是看人物与背景是否能真实地融合，而整个虚拟演播室的布光质量对色键效果起到至关重要的作用。目前，在面积50平米－150平米，灯下高度小于3.5米的虚拟演播室中主要是采用三基色柔光灯进行照明，三基色灯具照明光线柔和，没有明显的灯具边沿阴影，照射效果好，因为属于“冷光源”，所以灯具运行时演播室内环境温度较低，耗电量较小，灯具寿命长，符合当前“绿色、低碳”的环保主题。
虚拟演播室布光操作是一个复杂的实践过程，无论是先进行背景带光还是先考虑人物布光，都应该遵循基本的布光原理与栏目的设计主题。人物的布光方法基本上要依据经典的三点布光原则，即主光、逆光、辅助光。需要注意的是人物的脚下，人物在运动时，如果地排灯处理不好，会造成底部阴影，影响色键合成效果。背景布光的均匀和颜色色度的均匀是保证背景色键效果的关键。背景照度不均匀会导致在较暗的区域出现蒙上黑色纱布的感觉，或是在较亮的区域出现蒙上白色或彩色纱布的感觉。测试照度的方法是将一块标准灰度测试板分别放在背景和前景上，然后读取测光表数据，也可以参照各个摄像机位拍摄下来的画面是否具有相同的亮度等级。当前景和背景保持1：1的照度比例关系时，色键器更容易实现人物阴影效果，达到较好的细节表现力。当然，这也会产生人物主体立体感不强的感觉。
所以说，虚拟演播室布光操作是一个复杂而长期的实践课题。