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一、虚拟演播室技术的概述
（一）什么是虚拟演播室
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，从而获得完美的合成画面。一般虚拟演播室系统的组成框图如图1 所示。
（二）虚拟演播室基本工作原理
虚拟演播室基本原理是把摄像机拍摄到的蓝幕为背景的视频图像作为前景画面，用一台超实时的图形计算机中的三维动画图形作为虚拟背景，通过跟踪器把真实演员及实物与摄像机之间的位置及透视信息送给图形计算机，然后图形计算机根据摄像机运动参数生成合适的虚拟背景画面和遮挡画面，前景图像经延时后，与虚拟场景以相同的时码工作，再通过Z 轴深度键技术把前景的真实演员与虚拟的背景合成为一个视频图像。使真实演员与虚拟场景形成正确的透视关系。当摄像机在推拉、摇移、俯抑拍摄时，虚拟的背景画面和前景画面都会随之而相应的变化。从而虚拟出真实的演员置身于“真实”场景中的画面效果。
二、虚拟演播室的关键技术
（一）红外检测技术
红外线检测是确定被检测物体的纵向位置，即在演播室中被拍摄的前景位于背景内的深度。首先，在演播室上方固定二至四个红外线摄像机，作为红外线接收装置。然后，用红外发射装置对演播室进行测量，最后绘制出活动范围的网格图。这样当演播室中的移动物体配带上红外线发射装置，其红外线被红外线摄像机摄取，通过计算机识别和计算出该物体在网格中的位置，将数据传输到工作站，根据背景与物体纵向数据自动计算出移动物体在模型中所处的位置及深度。
（二）虚影制作技术
虚影机是制作虚影的技术工具，它的做法是在演播室上方架设一台摄像机，只拍摄主持人在蓝箱内的画面，通过色键器抠像获得键信号，用这个键信号来模拟主持人的影子。最后再把这个影子与虚拟图像进行合成。实际上可把这台摄像机理解为光源，投射主持人到地上的影子和通过色键器抠像获得的键信号是相同的。这种方法的好处在于不受客观条件限制，而且可以灵活调整影子的方向。
（三）自动反馈／标志系统
有时主持人或表演者在虚拟布景中活动时，很容易从虚拟物体中穿过。为避免这种穿帮现象表演者要看着反送监视器，或者在地板上画行走路线。由于虚拟系统都有视频延时，所以并不能从根本上解决表演不自然的问题，另外也容易污染蓝箱的地板，造成抠像的困难。于是有了自动反馈／标志系统。在演播室地板上投影静止和运动的虚拟物体。让表演者知道所有虚拟物体在每一时间内位于何处。但是投影会对主持人自己的影子产生干扰，所以这种技术在实际应用中也不多见。
（四）虚拟异地采访
如果使用两台色键抠像器，就可以实现虚拟异地采访。这种方法是利用从外地传来的信号，被采访者在蓝色幕布前，信号先经过一次抠像再进入虚拟演播系统。通过插入的视频可将被采访者与演播室中的播音员实时结合在一个虚拟背景中，两个人物可以面对面地交谈和表演，对观众来讲就好像真的把被采访者请到了演播室中一样。
（五）虚拟人物表演
计算机技术的高速发展使得实时人物动画表演成为可能。在真人身上各重要关节处装传感器，传感器的各组数据传到工作站中用于控制已制成的虚拟动画人物的关节活动，使它完全实时地模仿表演者的动作。虚拟动画人物与真人能同时出现在同一个虚拟背景中，并相互配合，互换位置和交谈。这在已往的演播室制作过程中是无法想象的，也会给节目带来新奇感和神秘感，从而最大程度地娱乐观众。
三、虚拟演播室系统的类型
目前，在电视节目制作中根据生成背景图像的维度不同，可以把虚拟演播室划分为：二维虚拟演播室、二维半虚拟演播室和真三维虚拟演播室。
（一）二维虚拟演播室系统
二维虚拟演播室系统生成的虚拟场景为二维图像，这类系统的价位较低，背景生成装置一般采用图像处理器，摄像机无需移动，进行拍摄时，受相应镜头运动参数的控制，图像处理器会产生相应变化的图像与拍摄的前景合成。
（二）二维半虚拟演播室系统
二维半虚拟演播室系统生成的背景图像的维度为三维，但却又不同于三维虚拟演播室系统，它的虚拟场景必须事先在3D MAX 等三维动画编辑软件里设计制作成三维模型场景，将制作好的三维模型场景进行渲染，制作成特别大的高图像质量的图片，这样可以保证镜头在推拉、俯仰、平摇过程中视频画面不会超出虚拟场景画面。
这类系统是事先生成场景，采用贴图的方式实现前景和背景的合成，因此在场景设计时可以不受约束，尽情发挥。
（三）三维虚拟演播室系统
三维虚拟演播室系统的价位比较高，属于高档次的虚拟演播室系统，可以创建全三维的虚拟场景。三维虚拟演播室系统的摄像机能够在场景中自由运动，系统实时地读取3D MAX，Maya 或Softimage 3D 等国际通用的建模软件设计好的场景模型，这是三维虚拟演播室系统和二维半虚拟演播室系统最主要的区别。
四、虚拟演播室技术的应用
（一）应用途径及方法
1．提出详细制作方案
将导演思路制作成详细的“剧本”。所谓详细，是指具体到每个画面要素怎么动，主持人的位置怎么变化，前景要怎么处理，是否有虚拟场景的特写镜头等，因为镜头推进，意味着电脑生成的图像放大。这就必须要求事先生成的图像尺寸大到足够镜头推进也不至于产生虚拟背景像素变粗的现象。虚拟演播室的运作的这种特殊性，要求导演必须就每个镜头细节与电脑动画场景的制作人员事先沟通，使负责实施剧本方案的制作人员能充分理解导演的意图，将三维场景提前做好。
2．用计算机创建虚拟三维演播室
动画制作是随着计算机图形图像学的发展应运而生的一门专业学科，随着影视及广告业的发展，它的作用日益重要。动画制作直接影响着节目制作的质量。事实上，虚拟演播室已为传统的电视节目制作人员提出了一个新的课题：如何利用计算机这种现代科学技术来丰富传统的制作手段。虚拟演播室就是一个计算机图像产生与合成系统，是通过计算机处理将真实演播室图像化、数字化，在制作手段上突破了传统制作手段的束缚，使演播室不再受到时间和空间的约束。
3．动画制作人员与导演的配合
动画制作人员的职责是预先完成节目中所需的电脑三维场景，包括场景中用到的所有贴图。创作三维场景及贴图的主要软件有3D MAX 和Photoshop 等。这些软件中做好的模型和贴图需要经过图像格式的转换，再存入虚拟演播室系统的专用目录下，然后才能从虚拟演播室软件环境中读出。大量的矢量数据经过生成后产生标准的位图，作为虚拟环境要么直接存入图形发生器中使用，要么贴在简单的几个矢量模型上。由于复杂的场景已预先在其它软件中制作完成，节省了大量运算时间，所以虚拟演播室可以实现实时演播效果。
4．虚拟演播室导控
与传统演播室相比，主持人或演员所处的现场已不再是五光十色的舞台，取而代之的是一个全部涂成蓝色的空间。摄像师通过监视器看到画面的效果，导演则坐在电脑终端前与演播室软件的具体操作者来共同控制整个节目。如果画面“穿帮”，虚拟演播室软件将能根据需要自制出虚拟蓝色背景，以避免画面“出位”，虚拟演播室系统是一个计算机图像合成系统，其控制中心是虚拟演播室的系统软件，它也是虚拟演播室节目制作的“导控台”。
（二）虚拟演播室的主要应用范围
虚拟演播室技术为电视节目制作带来了一场革命，它的应用范围正在逐步扩展，在国内外，它主要有如下几方面应用:
1．电视台
（1）动感片头
随着多媒体特技动画制作技术的成熟和运用，电视节目的片头制作也呈现出多姿多彩的景象。借助虚拟演播室技术可以实现其它技术难以完成的特技，如物体可以不顾重力原理儿悬浮在空间、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。制作人员可以充分发挥艺术想象力，在有限的空间里实现无限的创意，使节目一开始就能吸引观众的视线。
（2）虚拟事物
电视节目所表现的对象大至宇宙，小至细胞，远至天体的形成、人类的起源，近至眼前发展变化的客观世界，尽管现在已有多种特殊摄像表现手段，但还不能完全适应所要表达的内容。例如：要表达天体的运行和结构，史前生物的生活情况，剖析看不见、摸不着、拍不到的景象，利用虚拟手段就能将它们形象地表达出来。
（3）虚拟出席
要采访某位专家学者，最佳方法就是把被访者请到演播室，有了虚拟演播室系统后，即使被访问者不能亲临演播室，也可以得到同样的效果，利用从外地传来的被采访者在蓝色幕布前的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统，通过插入的视频可将被采访者与演播室中的主持人实时结合在一个虚拟背景中，主持人与被访者就可以进行面对面的交谈和表演。
（4）移动场景
移动场景是一种具有特殊功能的系统，它可将视频及动画插入到室内和室外的节目中，这里使用的是一块绘有格子图案的小型面板，拍摄节目时将它放置在需要插入视频或动画的场景位置上，摄像机可以从任何角度拍摄，得到的格子图案信息可控制生成与面板透视关系一致的视频或动画，最后色键合成后，在相应于面板的地方就会出现视频或动画，而且透视关系与面板完全一致。
（5）虚拟环境合成
制作节目时不需要实地拍摄，只要有相关的外景素材即可，制作中利用软件能方便地实现各种情景的转换，而且能产生具有真实外景中拍摄的效果。
2．学校
学校经费有限，不可能像电视台那样，不同节目都投资不同的背景装潢。虚拟演播室可利用一张数码相片即可做简易虚拟背景，省去了不必要的投资，而且更换背景快速容易。学校的虚拟演播室可用于如下几个方面：
（1）教育教学中的应用
虚拟演播室技术为教育教学提供了丰富的创作手段，使教学内容可以更加真实、贴近、直观的呈现，虚拟演播室应用于场景的制作、场景的设计，可以随教学形式或课程内容而变化。
（2）校园电台及校园主题讨论，来宾访谈等节目
用虚拟演播室能制作出与专业电视台相同水平的电视节目，能很好地宣传学校，专业的制作校园新闻，传播校园文化。学校一般会有许多校园广播系统报告会，特别是那些知名教授、学者的报告，意义非凡。在虚拟演播室制作来宾访谈，结合主题图片、影片作为背景，可以增强临场感和说服力。
（3）在远程教育中的应用
虚拟演播室技术还可更好地运用在远程教学中，虚拟出席可将远地演播室中专家的实况视频与本地演播室中教师的场景视频实时地结合在一个虚拟场景中，两人可以在虚拟场景中进行交谈、演示，学生察觉不到他们是身处异地，能增强现场感与参与感。
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