什么是虚拟演播室系统

一、概述

虚拟演播室系统（The Virtual Studio System，简称VSS)是近年来随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进而出现的一种新的电视节目制作系统。传统的色键，俗称"抠像"，是将前景简单地键入背景中，前景变化时（如做镜头推拉）背景不能随之变化，两者互不关联，效果是使前景人物好象是在背景上飘浮，合成画面很生硬。而色键技术的发展，要求背景画面的变化与前景的变化同步，甚至前景人物能穿插于背景物体之中，两者紧密联系形成有机的融合，这就是虚拟演播室技术。这一技术的应用使真实演播室可以变得非常简单，演播室面积无需太大，只要铺满兰幕就行，不仅不用复杂的搭景和灯光照明，而且换景便利、快捷，可大大缩短节目制作周期。背景画面可以是真实拍摄的场景，也可以是用计算机创作出的图像。节目人员可以充分发挥艺术想象力来构思场景而不受外景或搭景条件的限制。如两年前英国EPO公司制作的二战中被毁的一座大型教堂的建筑结构录像带，教堂尚未重建，但用超级计算机制作出的图像，仿佛是用一台虚拟的摄像机从各个角度做推拉、旋转等动作拍摄下来的。30分钟图像用了6～8周时间，一座宏伟的教堂便"出现"了。VSS的特技也是其他技术难以完成的，例如物体可以不顾重力原理而悬浮在空间、一个物体可以从另一物体中往上升、视频图像可以在任一平面上显示出来、场景可由动态物质构成、分子大小的物体能立即变成巨大的物体、以数据为基础的所有信息可作为一层视频信号实时地进入演播室等。

二、 三维虚拟演播室系统实现虚拟演播室系统的关键之一是对摄像机运动参数的测量，并通过传感器来移动。

1994年，第一个为虚拟演播室专门设计的摄像机基座问世。借助于精确的旋转编码器，基座上下左右运动的角度位置可以被测出，精度达1/1000度。同时，一种适合ENG/EFP镜头的特殊编码器也被设计出来。它能精确地测量镜头的推拉和聚焦的设置参数，使用这组参数，就有可能把摄像机和镜头与一台高性能的计算机连接，该计算机可以生成背景的每一场，从此虚拟演播室的制作成为可能。

1995年，出现了机器人底座（目前已应用于新闻和现场事件演播室)，这种机器人底座能提供摄像机在演播室中的物理位置和摄像机的水平高度信息，至此，全三维虚拟演播室产品成为可能。在美国SK电视台安装的机器人系统，底部有一个扫描方式的CCD，可以计算摄像机在演播室场地的行走情况。美国纽约WYW演播室也安装了同样的机器人底座，将其与SGI计算机连接，可以知道演播室创作所需的参数。

另一种方式是测量摄像机位置和视角的图像识别系统。这种系统可以对摄像机拍摄的两个图形道具进行数学运算。这两个道具的颜色相同，均为蓝色底，但有稍浅的横竖线，通过处理摄像机来的视频信号，可以从图形的阴影来确定摄像机的位置。这种通过摄像信号阴影来确定摄像机指向的处理是由功能很强的计算机来完成的，具有很高的智能。这种系统的优点是当背景在聚焦范围之内时，即使使用便携式摄像机也可以得到摄像机的全部运动参数。其次，也不需要配备特殊传感器装置的底座，但其缺点也很明显：第一是摄像机必须能照到背景上；第二是摄像机必须在聚焦范围之内；第三是系统很难区别摄像机在做镜头推拉动作还是整机位置移动。此外，这种系统价格高，使用时产生较大的视频延时。

典型的三维虚拟演播室系统方框图如图1所示，虚线框内的是VSS设备，主机采用SGI的Onyx计算机，摄像机为通用的EFP机，由传感器来测量，特殊编码器将摄像机的水平、垂直聚焦、推拉等动作参数测出后经一般PC机进行高速信息处理，再输出到Onyx计算机上。该机作为图形工作站，可使用当今通用的包括Alias、Softimage、Wavefront、Multigen等软件包建立数据库用以产生虚拟场景、特技和动画。与该机相连的有一低档SGI工作站用做用户接口（UI）控制平台，一个操作员通过该用户平台可将虚拟场景和现实演播室同时操作，独立管理和控制整个系统。摄像机输出的视频信号经A/D转换后输出，前景和背景在色键部分合成后，再由数字开关送给演播室主输出。美国Etrox曾用这种系统制作了实验性节目，由Onyx计算机设计的三维场地与用于新闻现场报道的演播室信号合成，开始了非常有意义的尝试。该系统在很多杂志、电视片已有大量介绍，但实际应用还不太多，主要原因是造价高，三个讯道的虚拟演播室要300万美元，光Onyx计算机就要75万美元；还有就是场地较简单，计算机不能产生复杂的与实际环境接近的场地；最后是可靠性问题，需要有备份。最近有家欧洲大电视台决定搞这套系统，因为要直播，所以除三台摄像机和三台Onyx计算机外，又准备了三台Onyx计算机作备份，防止计算机出意外。

三、 二维虚拟演播室系统

随着虚拟演播室系统向实用化方向的进展，英国EPO公司与BBC合作开发了一种造价低、性能更加实用的二维虚拟演播室。BBC的研究发展部开发了一种特殊的数字视频特技（DVE），任何一种实拍背景、图片及虚拟的图像均可进入，移动这些图像可产生虚拟演播室的效果，且允许放大画面中的部分图像而不产生马赛克效果。这种系统的优点是不需要超级计算机，输入到系统中的背景可以是很复杂的真实背景，完全基于硬件，所以很可靠。第一台这种DVE于1995年6月出现，它被装在BBC的电视中心，并通过做一些短节目作了对系统的一系列测试，测试时尽量做一些复杂画面，以便让编导、节目人员有一个感性认识。节目中不同颜色的阴影普通色键很难做到，虚拟灯光的变化根据演播室灯光来做，前景光线影响背景光的变化。这里一个问题就是让演员怎样在比真实演播室大得多的虚拟演播室某一"建筑物"的一部分中行走，因为真实演播室中并没有什么道路、走廊或阻挡物，这给表演带来难度。另外，让"阳光"照射后人走到的不同位置有不同的影子也很难做。解决的办法是做一个罩子似的东西让演员根据剧情在有轨可循的情况下走路。该系统中对于细节太多的背景用SGI做不出来，只有来自实景。如做一个体育节目,将伦敦中部网球场搬入虚拟演播室中，无论摄像机怎样移动、推拉，图像均不劣化，使观众感觉与现场拍摄无异。又如用某一房间做虚拟场地时，先用照相机将房间一角拍下来，在计算机中生成一种背景，再将演员"放进去"。这里要注意的是真实演播室的灯光与所拍外景的光线要相配，就能使观众无法区分画面用的是实景还是虚景。还需要考虑的一个问题就是图像因有处理过程而产生延时，所以演播室设备如声音、灯光等也要适当延时。

该系统包括特殊的光学编码器、静帧存储器和一般的切换台，用户工作站只要一台，就可控制4台摄像机。用户工作站用来计算摄像机位置信息，控制单元移动背景，以接近真实感觉。

四、应用前景

二维的虚拟演播室可大量制作节目，大大改善节目包装。很小的演播室可以做规模很大的节目，不可能实现的画面可以做出来，只要是你能想到的。至于造价方面，据估算，三维虚拟演播室约需300万美元，而二维三讯道的虚拟演播室大约50万美元，只有三维的六分之一。据开发者称，使用这种二维虚拟演播室不会影响以后的发展，如以后要做更好效果需使用ONYX计算机时，已有设备可保留下来，如传感器、接口等。目前需解决的问题是散焦问题，背景有时清楚，有时模糊，等待解决，据说97′NAB上会有这方面的进展。另外要做的工作是开发软件包，使用软件包进行虚拟演播室的设计，做动画合成。有的已投入使用的系统也正在不断进行开发，如新加坡有一个台已建了一个二讯道的虚拟演播室，计划97年开发出可活动的动画背景。

在三维演播室系统方面，已拿出产品的有RT－SET公司，其产品是将高尖端飞行模拟训练系统用于广播电视领域的一种尝试，在96年9月韩国总统选举和11月美国总统选举的电视转播中，电视观众已领略了这种新型节目制作方式的效果。

我国的电视事业随着改革开放的深入和国民经济的发展以及人们文化生活日益高涨的需求而面临突飞猛进的发展,人们的欣赏品位越来越高,电视节目的制作难度也越来越大。为了满足国际交流和广大电视观众的需要,采用最新技术制作出令人耳目一新的电视节目已势在必然。虚拟演播室系统虽然造价较高,但比起兴建大型演播室或搭建一个又一个实景来,花费可能还要小些，运行费用可能更小,且换景便利,制作周期短,"扩建"更容易，所以具有诱人的发展前景。目前应尽快开展对VSS系统的跟踪研究,培养相关人才,在技术上进一步成熟、造价趋于降低时,果断地开始VSS系统的实用化运行,以打开我国电视节目制作的新局面。

Orad和云顿IBC联合展示集成虚拟演播室解决方案

全球领先的实时三维运动图形解决方案供应商Orad近日宣传和云顿Radamec，维泰克集团的品牌和全球自动化摄像机领先者，联手提供一个集成傲威的Proset高清/标清虚拟演播室解决方案和云顿Radamec的新的融合FP188V RRobotic Pedestal，以及融合FHR120VR Robotic头的解决方案。

Fusion FP188VR robotic pedestal馈送精确跟踪 ， 实时数据 ， 到Orad的Proset虚拟演播室的应用，该应用方案可以渲染虚拟演播室的图形。 跟踪数据包括X/Y轴定位和高度的数据 ， 以及平移，倾斜，变焦和聚焦参数，可以使摄像机在工作室的空间内完全自由运动 ， 并提供最大的输出灵活性。

该集成解决方案为一个经营者必须经营的所有摄像机提供了一个无与伦比的投资回报率和可以利用多种制作的物理空间 。

ProSet新版本增强了带有无与伦比的一系列广泛的超写实的水平的实时着色渲染的能力。 ProSet还提供了粒子库，并允许主持人进行互动 ， 并触发虚拟环境中图形元素。

云顿Radamec虚拟现实接口设计精度高 ， 易于集成。头部FHR120VR提供极其精确的数据。在不久的将来绝对渲染选项将被提供到目前的高精度定位系统，进一步加强了在虚拟现实应用的性能。