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【摘要】本文介绍了虚拟演播室的基本构成、关健技术，无轨虚拟演播室的工作原理，以及县级台对虚拟演播室设备的选型考虑。
【关键词】虚拟演播室 无轨 选型
虚拟演播室是近年发展起来的一种独特的电视节目制作技术。它的实质是将计算机制作的虚拟三维场景与电视摄像机现场拍摄的人物活动图像进行数字化的实时合成，使人物与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面随着计算机技术、图文图像技术、传感跟踪技术、色键处理技术的高速发展，虚拟演播室技术的功能日趋完善，系统日趋稳定，虚拟演播室系统已经被越来越多地应用于电视台、电视制作机构的各类栏目的制作和创作中。
传统演播室的工作流程中，场景需要实际搭建，在实景制作、不同栏目之间的实景更换、实景修改等方面都存在着很大的局限性。同时，搭建实景拍摄无法在背景中加入很多动感的元素，整个节目画面比较呆板，无法给予电视观众视觉上的享受和视觉冲击力。另一方面是搭建实景演播室会使得工作量增加、材料浪费严重、工作效率降低、不利于消防安全等。因此对于我们瑞安（县级市）这样的电视台来说设计演播室方案时，都会考虑尽量使用虚拟演播室来制作节目。
一.虚拟演播室的基本构成
典型的虚拟演播室主要由跟踪系统、虚拟背景生成系统（图形工作站）及视频合成系统（色键器）等部分组成。如图所示：
1. 跟踪系统：用于判断摄像机、主持人及虚拟背景之间的相对位置关系，是实现前景、背景图像完全同步联动、再现起初的透视关系的关键所在。为了跟踪摄像机的运动，我们需要获取摄像机的以下几个参数：镜头运动参数（包括推拉、摇移、聚焦等）及摄像机空间位置参数（包括移动、倾斜等）。
常用的跟踪方法有传感器（包括机械和光电）和图形识别两种：
（1）传感器跟踪方式
这种方式是在摄像机镜头上安装传感器和有关电子装置，通过托架与镜头上的变焦环、聚焦环齿轮紧密咬合,当变焦环和聚焦环位置发生变化时,传感器就能检测出其变化,并将机械运动转换为电信号输出。摄像机的机头运动参数和整体空间移动参数也通过类似方法或者红外方式获取。这些数据最后传输给图形工作站进行相应处理，从而让虚拟背景跟随上述参数变动作相应的变化。
（2）图形识别方式
图形识别方式是通过对摄像机拍摄的图像的形状来识别、分析并确定摄像机的各种运动参数。这种方式要求在演播室的背景幕布上用不同色度(例如深蓝和浅蓝)绘制出特定的图案。当摄像机的运动参数发生变化时,它所拍摄到的背景图案的特征也将发生相应的变化。通过对背景图案的识别、分析和运算,从而可检测出摄像机的各种运动参数,包括水平转动参数、垂直转动参数、变焦参数以及摄像机整体空间位置参数。
目前已在使用的一种图案是网格图案,即在深蓝色的幕布上用浅蓝色绘制出特定的格子图。由于背景幕布整体采用的是与传统演播室相同的蓝色,因此仍可利用色键技术进行"抠像"合成。
2. 虚拟背景生成系统
（1）虚拟背景制作
虚拟演播室的背景是叠加相应的三维虚拟场景。这些场景一般可通过常用的3Dmax、Maya等三维创作来建模，最后由专用的图形处理软件编辑合成（包括建模、材质分配、光调整和物体运动等在内的物体模型、效果、动画）。
（2）图形工作站
根据摄像机运动参数，图形工作站对预先制作好的虚拟场景信号进行处理,实时渲染生成与前景有正确透视关系的背景图像。
3. 视频合成系统
虚拟演播室的视频合成系统一般使用色键抠像技术,即前景与背景的混合是通过色键混合器来完成的。为保证容易抠像,应使蓝色幕布（或绿色）处于均匀照明之下,演员的服装及小道具的颜色也应注意。蓝色幕布应使用纯正的色键蓝色,其空间大小应保证演员有足够的移动范围。
二.无轨虚拟演播室工作原理
所谓无轨，就是不使用传统的传感器对真实摄像机或者主持人的移动进行定位、跟踪,更无需移动真实摄像机，使用虚拟摄像机来实现摄像机的推拉、摇移、摇臂、航拍等运动效果，以及各个机位和镜头之间的快速切换。
其工作原理就是，根据主持人与虚拟场景、虚拟摄像机三者之间的相对位置关系的变化,通过对3D场景的移动变化进行跟踪定位,从而实现摄像机的推拉,摇移,摇臂乃至航拍的运动效果。也就是说无轨虚拟技术是通过跟踪、定位3D虚拟场景的运动，来实现虚拟摄像机的推拉摇移等效果的。
三.虚拟演播室的设备选型考虑
从上述分析得知，有轨虚拟演播室和无轨虚拟演播室各有特点和优势。前者跟踪精度高、取景灵活，但成本较高、定位相对复杂，对操作人员使用要求高。而后者则系统简捷，操作简单。根据我台节目定位及使用要求，我们主要从以下四个方面考虑虚拟演播室设备的选型：成本、操作简易性、系统安全性和演播室空间大小等。
1. 成本。相对于传统的有轨虚拟演播室来说，采用无轨虚拟演播室减少了对周边硬件设备的资金投入、使用和依赖(如传感器以及与其配套使用的云台、摇臂、摄像机运动轨道、红外信号发射／接收器、网格等)，只需增加一块蓝/绿布,基于原有演播室设备及灯光,便能轻松使用；减少了对人力资源的占用（无需摄像师全程跟踪操作）；无需考虑由于云台、摇臂、轨道等设备长期后产生的累计误差，无需进行繁琐而耗时的测量和校对，大大提高了工作效率。
2. 操作简易性。由于不需要移动真实摄像机便可实现推拉摇移，在节目制作过程中不需要摄像师全程跟踪操作真实摄像机，只需要2个操作人员对系统进行操作 (一人负责系统操作,一人负责字幕系统的操作)。考虑到我台人员配备比较紧张，字幕系统的操作也由主持人自己负责。虚拟摄像机的推拉摇移乃至摇臂的操作只需使用鼠标和键盘，虚拟摄像机便会按照预先设定好的轨道匀速运动。操作容易，避免繁杂漫长的设置调试。MONARCH无轨虚拟演播室系统 VIRTUOSO 200 PRO可支持2路视频信号输入，并由系统模拟出第3个全景摄像机位。因此，只需2台摄像机就能达到三讯道演播室效果。在3D场景中能提供2个特写机位和1个全景机位。
3. 系统安全性。无轨虚拟演播室系统无需对真实摄像机进行操作便可实现推拉摇移,最大限度地减少了可能因人为操作失误而造成的播出事故；系统周边硬件的使用减少了, 也降低了硬件故障带来的风险。相比于传统有轨虚拟演播室产品，MONARCH无轨虚拟演播室系统集成度高，集色键器，切换台，字幕系统，虚拟调音台及音频延迟器于一身，可大大减少周边设备连接环节，而且所有核心硬件和软件皆是MONARCH自主品牌，保证系统的安全性与兼容性。
4. 演播室空间要求。在无轨虚拟演播室系统中，真实摄像机调整好以后是不需要移动的，这非常适合我台40平米的小演播室，可以在简易有限空间实现“小空间大效果”。最终输出效果完全可以和大型演播室相媲美。尤其在演播室比较简陋，技术人员有限的条件下，MONARCH无轨虚拟演播室产品可以在不改动现有演播室布局，不额外增加其他设备情况下，在现有灯光环境中，增加一块抠像蓝布，只需对摄像机的机位进行简单的调整即可开始不同风格类型节目的制作。
四.MONARCH虚拟演播室在我台的应用
我台的MONARCH无轨虚拟演播室在原有的演播室里搭建。搭建过程非常简单，前后只用了不到一天时间。不同栏目制作只需对摄像机的机位进行简单的调整即可开始制作节目。摄像机的跟踪实现没有任何约束条件，即可快速定位，进入节目的制作。所有机位均可自行定义每个机位摄像机三维空间运动，可以简单方便地定义每个机位虚拟摄像机的三维动画，产生摇臂的运动拍摄效果。系统最多支持八个机位设置，分别对应键盘上的数字快捷键，不同景别之间的推拉摇椅动作亦对应相应的键盘快捷键。
系统搭建完成后，需要对系统进行三个部分的调试：视频调试，音频调试和软硬件功能调试。视频调试主要测试系统视频的输入，输出信号质量，包括视频信号的幅度、清晰度、饱和度等。音频调试主要测试系统音频输入，输出接口和音话同步。软硬件调试主要测试色键器，虚拟切换台，虚拟调音台，字幕系统，镜头特效生成系统，阴影镜像生成系统等。
虚拟演播室节目最终效果除了所选的硬件设备外还取决于虚拟场景模板的设计水平的高低。我台选择MONARCH无轨虚拟演播室另一方面考量就是基于其优秀的场景设计开发团队，这也是其他一些虚拟设备厂家所欠缺的。MONARCH公司有着丰富的场景模板设计经验，该团队为中央电视台第六套《中国电影报道》、哈尔滨电视台（民生直播）、贵州省台第五频道（法制新闻直播）、成都电视台（新闻直播）、福建省台公共频道和综合频道、江西省台七套，海南省台少儿频道等用户成功完成栏目场景设计改版，并获客户的一致好评。我台的几档栏目场景也是经由MONARCH场景设计团队之手，场景效果亦获广泛好评（如下图）。
综上所述，我们瑞安市广播电视台在虚拟演播室的选型上，充分考虑了成本、操作、安全性和演播室现有条件等因素，最终选定了MONARCH无轨虚拟演播室系统，使用半年以来，性能稳定，操作简便，得到了主持人和导播人员的一致肯定。
【关键词】虚拟演播室 无轨 选型
虚拟演播室是近年发展起来的一种独特的电视节目制作技术。它的实质是将计算机制作的虚拟三维场景与电视摄像机现场拍摄的人物活动图像进行数字化的实时合成，使人物与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面随着计算机技术、图文图像技术、传感跟踪技术、色键处理技术的高速发展，虚拟演播室技术的功能日趋完善，系统日趋稳定，虚拟演播室系统已经被越来越多地应用于电视台、电视制作机构的各类栏目的制作和创作中。
传统演播室的工作流程中，场景需要实际搭建，在实景制作、不同栏目之间的实景更换、实景修改等方面都存在着很大的局限性。同时，搭建实景拍摄无法在背景中加入很多动感的元素，整个节目画面比较呆板，无法给予电视观众视觉上的享受和视觉冲击力。另一方面是搭建实景演播室会使得工作量增加、材料浪费严重、工作效率降低、不利于消防安全等。因此对于我们瑞安（县级市）这样的电视台来说设计演播室方案时，都会考虑尽量使用虚拟演播室来制作节目。
一.虚拟演播室的基本构成
典型的虚拟演播室主要由跟踪系统、虚拟背景生成系统（图形工作站）及视频合成系统（色键器）等部分组成。如图所示：
1. 跟踪系统：用于判断摄像机、主持人及虚拟背景之间的相对位置关系，是实现前景、背景图像完全同步联动、再现起初的透视关系的关键所在。为了跟踪摄像机的运动，我们需要获取摄像机的以下几个参数：镜头运动参数（包括推拉、摇移、聚焦等）及摄像机空间位置参数（包括移动、倾斜等）。
常用的跟踪方法有传感器（包括机械和光电）和图形识别两种：
（1）传感器跟踪方式
这种方式是在摄像机镜头上安装传感器和有关电子装置，通过托架与镜头上的变焦环、聚焦环齿轮紧密咬合,当变焦环和聚焦环位置发生变化时,传感器就能检测出其变化,并将机械运动转换为电信号输出。摄像机的机头运动参数和整体空间移动参数也通过类似方法或者红外方式获取。这些数据最后传输给图形工作站进行相应处理，从而让虚拟背景跟随上述参数变动作相应的变化。
（2）图形识别方式
图形识别方式是通过对摄像机拍摄的图像的形状来识别、分析并确定摄像机的各种运动参数。这种方式要求在演播室的背景幕布上用不同色度(例如深蓝和浅蓝)绘制出特定的图案。当摄像机的运动参数发生变化时,它所拍摄到的背景图案的特征也将发生相应的变化。通过对背景图案的识别、分析和运算,从而可检测出摄像机的各种运动参数,包括水平转动参数、垂直转动参数、变焦参数以及摄像机整体空间位置参数。
目前已在使用的一种图案是网格图案,即在深蓝色的幕布上用浅蓝色绘制出特定的格子图。由于背景幕布整体采用的是与传统演播室相同的蓝色,因此仍可利用色键技术进行"抠像"合成。
2. 虚拟背景生成系统
（1）虚拟背景制作
虚拟演播室的背景是叠加相应的三维虚拟场景。这些场景一般可通过常用的3Dmax、Maya等三维创作来建模，最后由专用的图形处理软件编辑合成（包括建模、材质分配、光调整和物体运动等在内的物体模型、效果、动画）。
（2）图形工作站
根据摄像机运动参数，图形工作站对预先制作好的虚拟场景信号进行处理,实时渲染生成与前景有正确透视关系的背景图像。
3. 视频合成系统
虚拟演播室的视频合成系统一般使用色键抠像技术,即前景与背景的混合是通过色键混合器来完成的。为保证容易抠像,应使蓝色幕布（或绿色）处于均匀照明之下,演员的服装及小道具的颜色也应注意。蓝色幕布应使用纯正的色键蓝色,其空间大小应保证演员有足够的移动范围。
二.无轨虚拟演播室工作原理
所谓无轨，就是不使用传统的传感器对真实摄像机或者主持人的移动进行定位、跟踪,更无需移动真实摄像机，使用虚拟摄像机来实现摄像机的推拉、摇移、摇臂、航拍等运动效果，以及各个机位和镜头之间的快速切换。
其工作原理就是，根据主持人与虚拟场景、虚拟摄像机三者之间的相对位置关系的变化,通过对3D场景的移动变化进行跟踪定位,从而实现摄像机的推拉,摇移,摇臂乃至航拍的运动效果。也就是说无轨虚拟技术是通过跟踪、定位3D虚拟场景的运动，来实现虚拟摄像机的推拉摇移等效果的。
三.虚拟演播室的设备选型考虑
从上述分析得知，有轨虚拟演播室和无轨虚拟演播室各有特点和优势。前者跟踪精度高、取景灵活，但成本较高、定位相对复杂，对操作人员使用要求高。而后者则系统简捷，操作简单。根据我台节目定位及使用要求，我们主要从以下四个方面考虑虚拟演播室设备的选型：成本、操作简易性、系统安全性和演播室空间大小等。
1. 成本。相对于传统的有轨虚拟演播室来说，采用无轨虚拟演播室减少了对周边硬件设备的资金投入、使用和依赖(如传感器以及与其配套使用的云台、摇臂、摄像机运动轨道、红外信号发射／接收器、网格等)，只需增加一块蓝/绿布,基于原有演播室设备及灯光,便能轻松使用；减少了对人力资源的占用（无需摄像师全程跟踪操作）；无需考虑由于云台、摇臂、轨道等设备长期后产生的累计误差，无需进行繁琐而耗时的测量和校对，大大提高了工作效率。
2. 操作简易性。由于不需要移动真实摄像机便可实现推拉摇移，在节目制作过程中不需要摄像师全程跟踪操作真实摄像机，只需要2个操作人员对系统进行操作 (一人负责系统操作,一人负责字幕系统的操作)。考虑到我台人员配备比较紧张，字幕系统的操作也由主持人自己负责。虚拟摄像机的推拉摇移乃至摇臂的操作只需使用鼠标和键盘，虚拟摄像机便会按照预先设定好的轨道匀速运动。操作容易，避免繁杂漫长的设置调试。MONARCH无轨虚拟演播室系统 VIRTUOSO 200 PRO可支持2路视频信号输入，并由系统模拟出第3个全景摄像机位。因此，只需2台摄像机就能达到三讯道演播室效果。在3D场景中能提供2个特写机位和1个全景机位。
3. 系统安全性。无轨虚拟演播室系统无需对真实摄像机进行操作便可实现推拉摇移,最大限度地减少了可能因人为操作失误而造成的播出事故；系统周边硬件的使用减少了, 也降低了硬件故障带来的风险。相比于传统有轨虚拟演播室产品，MONARCH无轨虚拟演播室系统集成度高，集色键器，切换台，字幕系统，虚拟调音台及音频延迟器于一身，可大大减少周边设备连接环节，而且所有核心硬件和软件皆是MONARCH自主品牌，保证系统的安全性与兼容性。
4. 演播室空间要求。在无轨虚拟演播室系统中，真实摄像机调整好以后是不需要移动的，这非常适合我台40平米的小演播室，可以在简易有限空间实现“小空间大效果”。最终输出效果完全可以和大型演播室相媲美。尤其在演播室比较简陋，技术人员有限的条件下，MONARCH无轨虚拟演播室产品可以在不改动现有演播室布局，不额外增加其他设备情况下，在现有灯光环境中，增加一块抠像蓝布，只需对摄像机的机位进行简单的调整即可开始不同风格类型节目的制作。
四.MONARCH虚拟演播室在我台的应用
我台的MONARCH无轨虚拟演播室在原有的演播室里搭建。搭建过程非常简单，前后只用了不到一天时间。不同栏目制作只需对摄像机的机位进行简单的调整即可开始制作节目。摄像机的跟踪实现没有任何约束条件，即可快速定位，进入节目的制作。所有机位均可自行定义每个机位摄像机三维空间运动，可以简单方便地定义每个机位虚拟摄像机的三维动画，产生摇臂的运动拍摄效果。系统最多支持八个机位设置，分别对应键盘上的数字快捷键，不同景别之间的推拉摇椅动作亦对应相应的键盘快捷键。
系统搭建完成后，需要对系统进行三个部分的调试：视频调试，音频调试和软硬件功能调试。视频调试主要测试系统视频的输入，输出信号质量，包括视频信号的幅度、清晰度、饱和度等。音频调试主要测试系统音频输入，输出接口和音话同步。软硬件调试主要测试色键器，虚拟切换台，虚拟调音台，字幕系统，镜头特效生成系统，阴影镜像生成系统等。
虚拟演播室节目最终效果除了所选的硬件设备外还取决于虚拟场景模板的设计水平的高低。我台选择MONARCH无轨虚拟演播室另一方面考量就是基于其优秀的场景设计开发团队，这也是其他一些虚拟设备厂家所欠缺的。MONARCH公司有着丰富的场景模板设计经验，该团队为中央电视台第六套《中国电影报道》、哈尔滨电视台（民生直播）、贵州省台第五频道（法制新闻直播）、成都电视台（新闻直播）、福建省台公共频道和综合频道、江西省台七套，海南省台少儿频道等用户成功完成栏目场景设计改版，并获客户的一致好评。我台的几档栏目场景也是经由MONARCH场景设计团队之手，场景效果亦获广泛好评（如下图）。
综上所述，我们瑞安市广播电视台在虚拟演播室的选型上，充分考虑了成本、操作、安全性和演播室现有条件等因素，最终选定了MONARCH无轨虚拟演播室系统，使用半年以来，性能稳定，操作简便，得到了主持人和导播人员的一致肯定。