一、概述

虛擬演播室系統(tǒng)（The Virtual Studio System，簡(jiǎn)稱(chēng)VSS)是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和色鍵技術(shù)不斷改進(jìn)而出現(xiàn)的一種新的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。傳統(tǒng)的色鍵，俗稱(chēng)"摳像"，是將前景簡(jiǎn)單地鍵入背景中，前景變化時(shí)（如做鏡頭推拉）背景不能隨之變化，兩者互不關(guān)聯(lián)，效果是使前景人物好象是在背景上飄浮，合成畫(huà)面很生硬。而色鍵技術(shù)的發(fā)展，要求背景畫(huà)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(lián)系形成有機(jī)的融合，這就是虛擬演播室技術(shù)。這一技術(shù)的應(yīng)用使真實(shí)演播室可以變得非常簡(jiǎn)單，演播室面積無(wú)需太大，只要鋪滿蘭幕就行，不僅不用復(fù)雜的搭景和燈光照明，而且換景便利、快捷，可大大縮短節(jié)目制作周期。背景畫(huà)面可以是真實(shí)拍攝的場(chǎng)景，也可以是用計(jì)算機(jī)創(chuàng)作出的圖像。節(jié)目人員可以充分發(fā)揮藝術(shù)想象力來(lái)構(gòu)思場(chǎng)景而不受外景或搭景條件的限制。如兩年前英國(guó)EPO公司制作的二戰(zhàn)中被毀的一座大型教堂的建筑結(jié)構(gòu)錄像帶，教堂尚未重建，但用超級(jí)計(jì)算機(jī)制作出的圖像，仿佛是用一臺(tái)虛擬的攝像機(jī)從各個(gè)角度做推拉、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作拍攝下來(lái)的。30分鐘圖像用了6～8周時(shí)間，一座宏偉的教堂便"出現(xiàn)"了。VSS的特技也是其他技術(shù)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(gè)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(lái)、場(chǎng)景可由動(dòng)態(tài)物質(zhì)構(gòu)成、分子大小的物體能立即變成巨大的物體、以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的所有信息可作為一層視頻信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)入演播室等。

二、 三維虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬演播室系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是對(duì)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，并通過(guò)傳感器來(lái)移動(dòng)。

1994年，第一個(gè)為虛擬演播室專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的攝像機(jī)基座問(wèn)世。借助于精確的旋轉(zhuǎn)編碼器，基座上下左右運(yùn)動(dòng)的角度位置可以被測(cè)出，精度達(dá)1/1000度。同時(shí)，一種適合ENG/EFP鏡頭的特殊編碼器也被設(shè)計(jì)出來(lái)。它能精確地測(cè)量鏡頭的推拉和聚焦的設(shè)置參數(shù)，使用這組參數(shù)，就有可能把攝像機(jī)和鏡頭與一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)連接，該計(jì)算機(jī)可以生成背景的每一場(chǎng)，從此虛擬演播室的制作成為可能。

1995年，出現(xiàn)了機(jī)器人底座（目前已應(yīng)用于新聞和現(xiàn)場(chǎng)事件演播室)，這種機(jī)器人底座能提供攝像機(jī)在演播室中的物理位置和攝像機(jī)的水平高度信息，至此，全三維虛擬演播室產(chǎn)品成為可能。在美國(guó)SK電視臺(tái)安裝的機(jī)器人系統(tǒng)，底部有一個(gè)掃描方式的CCD，可以計(jì)算攝像機(jī)在演播室場(chǎng)地的行走情況。美國(guó)紐約WYW演播室也安裝了同樣的機(jī)器人底座，將其與SGI計(jì)算機(jī)連接，可以知道演播室創(chuàng)作所需的參數(shù)。

另一種方式是測(cè)量攝像機(jī)位置和視角的圖像識(shí)別系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以對(duì)攝像機(jī)拍攝的兩個(gè)圖形道具進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。這兩個(gè)道具的顏色相同，均為藍(lán)色底，但有稍淺的橫豎線，通過(guò)處理攝像機(jī)來(lái)的視頻信號(hào)，可以從圖形的陰影來(lái)確定攝像機(jī)的位置。這種通過(guò)攝像信號(hào)陰影來(lái)確定攝像機(jī)指向的處理是由功能很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)來(lái)完成的，具有很高的智能。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)背景在聚焦范圍之內(nèi)時(shí)，即使使用便攜式攝像機(jī)也可以得到攝像機(jī)的全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其次，也不需要配備特殊傳感器裝置的底座，但其缺點(diǎn)也很明顯：第一是攝像機(jī)必須能照到背景上；第二是攝像機(jī)必須在聚焦范圍之內(nèi)；第三是系統(tǒng)很難區(qū)別攝像機(jī)在做鏡頭推拉動(dòng)作還是整機(jī)位置移動(dòng)。此外，這種系統(tǒng)價(jià)格高，使用時(shí)產(chǎn)生較大的視頻延時(shí)。

典型的三維虛擬演播室系統(tǒng)方框圖如圖1所示，虛線框內(nèi)的是VSS設(shè)備，主機(jī)采用SGI的Onyx計(jì)算機(jī)，攝像機(jī)為通用的EFP機(jī)，由傳感器來(lái)測(cè)量，特殊編碼器將攝像機(jī)的水平、垂直聚焦、推拉等動(dòng)作參數(shù)測(cè)出后經(jīng)一般PC機(jī)進(jìn)行高速信息處理，再輸出到Onyx計(jì)算機(jī)上。該機(jī)作為圖形工作站，可使用當(dāng)今通用的包括Alias、Softimage、Wavefront、Multigen等軟件包建立數(shù)據(jù)庫(kù)用以產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景、特技和動(dòng)畫(huà)。與該機(jī)相連的有一低檔SGI工作站用做用戶接口（UI）控制平臺(tái)，一個(gè)操作員通過(guò)該用戶平臺(tái)可將虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)演播室同時(shí)操作，獨(dú)立管理和控制整個(gè)系統(tǒng)。攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出，前景和背景在色鍵部分合成后，再由數(shù)字開(kāi)關(guān)送給演播室主輸出。美國(guó)Etrox曾用這種系統(tǒng)制作了實(shí)驗(yàn)性節(jié)目，由Onyx計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維場(chǎng)地與用于新聞現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道的演播室信號(hào)合成，開(kāi)始了非常有意義的嘗試。該系統(tǒng)在很多雜志、電視片已有大量介紹，但實(shí)際應(yīng)用還不太多，主要原因是造價(jià)高，三個(gè)訊道的虛擬演播室要300萬(wàn)美元，光Onyx計(jì)算機(jī)就要75萬(wàn)美元；還有就是場(chǎng)地較簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)不能產(chǎn)生復(fù)雜的與實(shí)際環(huán)境接近的場(chǎng)地；最后是可靠性問(wèn)題，需要有備份。最近有家歐洲大電視臺(tái)決定搞這套系統(tǒng)，因?yàn)橐辈ィ猿_(tái)攝像機(jī)和三臺(tái)Onyx計(jì)算機(jī)外，又準(zhǔn)備了三臺(tái)Onyx計(jì)算機(jī)作備份，防止計(jì)算機(jī)出意外。

三、 二維虛擬演播室系統(tǒng)

隨著虛擬演播室系統(tǒng)向?qū)嵱没较虻倪M(jìn)展，英國(guó)EPO公司與BBC合作開(kāi)發(fā)了一種造價(jià)低、性能更加實(shí)用的二維虛擬演播室。BBC的研究發(fā)展部開(kāi)發(fā)了一種特殊的數(shù)字視頻特技（DVE），任何一種實(shí)拍背景、圖片及虛擬的圖像均可進(jìn)入，移動(dòng)這些圖像可產(chǎn)生虛擬演播室的效果，且允許放大畫(huà)面中的部分圖像而不產(chǎn)生馬賽克效果。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要超級(jí)計(jì)算機(jī)，輸入到系統(tǒng)中的背景可以是很復(fù)雜的真實(shí)背景，完全基于硬件，所以很可靠。第一臺(tái)這種DVE于1995年6月出現(xiàn)，它被裝在BBC的電視中心，并通過(guò)做一些短節(jié)目作了對(duì)系統(tǒng)的一系列測(cè)試，測(cè)試時(shí)盡量做一些復(fù)雜畫(huà)面，以便讓編導(dǎo)、節(jié)目人員有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。節(jié)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(jù)演播室燈光來(lái)做，前景光線影響背景光的變化。這里一個(gè)問(wèn)題就是讓演員怎樣在比真實(shí)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?yàn)檎鎸?shí)演播室中并沒(méi)有什么道路、走廊或阻擋物，這給表演帶來(lái)難度。另外，讓"陽(yáng)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(gè)罩子似的東西讓演員根據(jù)劇情在有軌可循的情況下走路。該系統(tǒng)中對(duì)于細(xì)節(jié)太多的背景用SGI做不出來(lái)，只有來(lái)自實(shí)景。如做一個(gè)體育節(jié)目,將倫敦中部網(wǎng)球場(chǎng)搬入虛擬演播室中，無(wú)論攝像機(jī)怎樣移動(dòng)、推拉，圖像均不劣化，使觀眾感覺(jué)與現(xiàn)場(chǎng)拍攝無(wú)異。又如用某一房間做虛擬場(chǎng)地時(shí)，先用照相機(jī)將房間一角拍下來(lái)，在計(jì)算機(jī)中生成一種背景，再將演員"放進(jìn)去"。這里要注意的是真實(shí)演播室的燈光與所拍外景的光線要相配，就能使觀眾無(wú)法區(qū)分畫(huà)面用的是實(shí)景還是虛景。還需要考慮的一個(gè)問(wèn)題就是圖像因有處理過(guò)程而產(chǎn)生延時(shí)，所以演播室設(shè)備如聲音、燈光等也要適當(dāng)延時(shí)。

該系統(tǒng)包括特殊的光學(xué)編碼器、靜幀存儲(chǔ)器和一般的切換臺(tái)，用戶工作站只要一臺(tái)，就可控制4臺(tái)攝像機(jī)。用戶工作站用來(lái)計(jì)算攝像機(jī)位置信息，控制單元移動(dòng)背景，以接近真實(shí)感覺(jué)。

四、應(yīng)用前景

二維的虛擬演播室可大量制作節(jié)目，大大改善節(jié)目包裝。很小的演播室可以做規(guī)模很大的節(jié)目，不可能實(shí)現(xiàn)的畫(huà)面可以做出來(lái)，只要是你能想到的。至于造價(jià)方面，據(jù)估算，三維虛擬演播室約需300萬(wàn)美元，而二維三訊道的虛擬演播室大約50萬(wàn)美元，只有三維的六分之一。據(jù)開(kāi)發(fā)者稱(chēng)，使用這種二維虛擬演播室不會(huì)影響以后的發(fā)展，如以后要做更好效果需使用ONYX計(jì)算機(jī)時(shí)，已有設(shè)備可保留下來(lái)，如傳感器、接口等。目前需解決的問(wèn)題是散焦問(wèn)題，背景有時(shí)清楚，有時(shí)模糊，等待解決，據(jù)說(shuō)97′N(xiāo)AB上會(huì)有這方面的進(jìn)展。另外要做的工作是開(kāi)發(fā)軟件包，使用軟件包進(jìn)行虛擬演播室的設(shè)計(jì)，做動(dòng)畫(huà)合成。有的已投入使用的系統(tǒng)也正在不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如新加坡有一個(gè)臺(tái)已建了一個(gè)二訊道的虛擬演播室，計(jì)劃97年開(kāi)發(fā)出可活動(dòng)的動(dòng)畫(huà)背景。

在三維演播室系統(tǒng)方面，已拿出產(chǎn)品的有RT－SET公司，其產(chǎn)品是將高尖端飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)用于廣播電視領(lǐng)域的一種嘗試，在96年9月韓國(guó)總統(tǒng)選舉和11月美國(guó)總統(tǒng)選舉的電視轉(zhuǎn)播中，電視觀眾已領(lǐng)略了這種新型節(jié)目制作方式的效果。

我國(guó)的電視事業(yè)隨著改革開(kāi)放的深入和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們文化生活日益高漲的需求而面臨突飛猛進(jìn)的發(fā)展,人們的欣賞品位越來(lái)越高,電視節(jié)目的制作難度也越來(lái)越大。為了滿足國(guó)際交流和廣大電視觀眾的需要,采用最新技術(shù)制作出令人耳目一新的電視節(jié)目已勢(shì)在必然。虛擬演播室系統(tǒng)雖然造價(jià)較高,但比起興建大型演播室或搭建一個(gè)又一個(gè)實(shí)景來(lái),花費(fèi)可能還要小些，運(yùn)行費(fèi)用可能更小,且換景便利,制作周期短,"擴(kuò)建"更容易，所以具有誘人的發(fā)展前景。目前應(yīng)盡快開(kāi)展對(duì)VSS系統(tǒng)的跟蹤研究,培養(yǎng)相關(guān)人才,在技術(shù)上進(jìn)一步成熟、造價(jià)趨于降低時(shí),果斷地開(kāi)始VSS系統(tǒng)的實(shí)用化運(yùn)行,以打開(kāi)我國(guó)電視節(jié)目制作的新局面。

Orad和云頓IBC聯(lián)合展示集成虛擬演播室解決方案

全球領(lǐng)先的實(shí)時(shí)三維運(yùn)動(dòng)圖形解決方案供應(yīng)商O(píng)rad近日宣傳和云頓Radamec，維泰克集團(tuán)的品牌和全球自動(dòng)化攝像機(jī)領(lǐng)先者，聯(lián)手提供一個(gè)集成傲威的Proset高清/標(biāo)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù) ， 到Orad的Proset虛擬演播室的應(yīng)用，該應(yīng)用方案可以渲染虛擬演播室的圖形。 跟蹤數(shù)據(jù)包括X/Y軸定位和高度的數(shù)據(jù) ， 以及平移，傾斜，變焦和聚焦參數(shù)，可以使攝像機(jī)在工作室的空間內(nèi)完全自由運(yùn)動(dòng) ， 并提供最大的輸出靈活性。

該集成解決方案為一個(gè)經(jīng)營(yíng)者必須經(jīng)營(yíng)的所有攝像機(jī)提供了一個(gè)無(wú)與倫比的投資回報(bào)率和可以利用多種制作的物理空間 。

ProSet新版本增強(qiáng)了帶有無(wú)與倫比的一系列廣泛的超寫(xiě)實(shí)的水平的實(shí)時(shí)著色渲染的能力。 ProSet還提供了粒子庫(kù)，并允許主持人進(jìn)行互動(dòng) ， 并觸發(fā)虛擬環(huán)境中圖形元素。

云頓Radamec虛擬現(xiàn)實(shí)接口設(shè)計(jì)精度高 ， 易于集成。頭部FHR120VR提供極其精確的數(shù)據(jù)。在不久的將來(lái)絕對(duì)渲染選項(xiàng)將被提供到目前的高精度定位系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的性能。