虛擬現實技術與虛擬演播室的產生

虛擬現實技術可能是我們未來最主要的技術之一，它會在諸多領域中應用甚至使之產生飛躍。虛擬現實可以定義為三維的、計算機生成的、人可以漫游其間與之相互作用并使人沉浸在另一個環境中的模擬。虛擬現實技術提供一個模擬我們日常生活環境的方式。

由于人類主要是視覺動物，我們對空間三維圖像的反應要比對平面二維圖像的反映更好。有了虛擬現實產生的三維圖像，我們便能更好地看清事物之間的關系和趨勢。虛擬現實跨越了靜止空間。它可以是某一特定現實環境的表現，也可以是純粹構想的世界。這種虛擬現實技術對電視工作也產生了巨大的沖擊。

隨著計算機網絡和三維圖形軟件等先進信息技術的發展，電視節目制作方式發生了很大的變化。視覺和聽覺效果以及人類的思維都可以靠虛擬現實技術來實現。它升華了人類的邏輯思維。虛擬演播室則是虛擬現實技術與人類思維相結合在電視節目制作中的具體體現。

虛擬演播室技術源于色鍵技術。之所以稱之為虛擬演播室是因為它實際上是把演播室中巳有的視頻技術與計算機技術相結合，以計算機為主，擺脫了制作實景的限制，發揮充分的想象力，用計算機繪制出更能體現節目主題的場景。它的關鍵技術是：用攝像機的位置和鏡頭等變化來控制計算機中的“虛擬攝像機”，使它的位置和鏡頭變化與“實際”同步，這樣它所拍攝的“虛擬場景”的鏡頭變化和實際攝像機拍攝的主持人的鏡頭變化一致，將他們進行色鍵效果處理之后，得到的畫面才真實自然。

虛擬演播室技術要點

虛擬演播室技術包括攝像機跟蹤技術、背景設計和藍背景技術、燈光技術、色鍵技術和切換技術等。

攝像機跟蹤技術的重要性
世界上第一個虛擬演播室系統、可以上下左右運動的攝像機基座于1994年問世。借助于精確的旋轉編碼器，可以測出基座上下左右運動的角度位置。同時也設計出了一種適合EFP/ENG（電子現場節目制作／電子新聞采集）鏡頭的特殊編碼器。它能精確地測量鏡頭的推拉和聚焦的設置參數。使用這組參數，就有可能把攝像機和鏡頭與一臺高性能的計算機連接，該計算機可以生成背景的每一場，背景制作的應用軟件根據這些參數來調整虛擬攝像機的位置、方向和鏡頭參數，使虛擬場景產生對應的變化，上述這些使虛擬演播室的制作成為可能。

虛擬演播室跟蹤技術主要有圖形識別和機械傳感器兩種。攝像機跟蹤技術是指獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數。圖形識別方式需要一個畫有特殊網絡的藍色背景幕布。它將攝像機所拍畫面送到數字視頻處理器中進行處理，通過對所拍攝畫面中網格的旋轉和透視關系進行計算，得到有關攝像機的動作參數，以控制虛擬背景的生成。機械傳感器方式是通過安裝在攝像機的云臺和鏡頭上的傳感器獲取攝像機的動作參數。從液壓搖擺頭上的編碼器得到上下左右位置參數。編碼器測量攝像機上下左右運動的角度得到其位置參數，再通過串行位置接口將數據輸入計算機。虛擬演播室所使用的攝像機鏡頭安裝在一個特殊的托架上。編碼器和串行位置接口相聯，可以得到上下、左右、推拉和聚焦四個軸的參數。位置參數的確定是將攝像機安裝在三角架、云臺或升降臂上，由三腳架、云臺或升降臂的參數決定攝像機的位置和高度。

虛擬演播室的必備條件：藍背景和背景的建立
制作虛擬演播室的藍背景要求背景平滑，還要有空間感，一般是兩面或三面藍色墻再加上地面。為保證全景鏡頭的使用，照射在藍背景上面的光線要均勻。為了保證色鍵效果最好，要使用純正的色鍵藍色。藍背景的空間大小，應該能保證可容納全部道具并且可以使主持人有足夠的活動區域。

虛擬演播室中的背景圖像可以是動態的，也可以是靜止的。利用最多的是虛擬場景，也就是由計算機創作的二維或三維圖形。在虛擬演播室中，首先要對場景中的所有物體進行建模，也就是設計物體的外形和尺寸，這與計算機輔助設計很相似：在建立一個模型的同時，計算機將他們分解成許多個多邊形，一般是三角形，然后定義一個輪廓；在每個多邊形上施加材質，可以是簡單的顏色，也可以是材料。再把圖像或照片施加在多邊形上，以產生更逼真的效果。在虛擬演播室中將模型定位；使用虛擬燈光產生所需要的效果如陰影、高光、反射和折射。在這些制作之后，利用來自攝像機傳感器的數據建立虛擬攝像機。一個三維虛擬場景需要大量的計算工作來處理運動和再生背景。如果背景不是太復雜，使用超級計算機就可以控制和操作三維虛擬演播室場景。

鍵信號處理與圖像合成
色鍵制作的質量對虛擬演播室節目質量影響相當大，它除了與藍背景、制作環境燈光和攝像機有一定關系之外，色鍵器本身的質量也會影響節目質量。把前景鍵在背景上的方式是虛擬演播室的集成部分。由背景生成裝置生成的背景圖像與前景圖像混合后，才最終完成了虛擬演播室的節目制作。前景與后背景的混合是通過色鍵合成器來完成的。使用清晰的、亮度平坦的顏色，這種電子信號可以被演算以使前景和背景分離，然后把演算后的信號用于另一個不同的背景。使用線性鍵可以把前景的陰影取出來并疊加到背景上。為了保證合成準確，應使拍攝視野中的藍色幕布處于均勻照明之下。

一般來說虛擬攝像機和實際攝像機的數量是相同的，但虛擬背景信號源的數量與實際攝像機數量并不一定相同。用兩個背景生成器，兩個色鍵器就可以完成任何兩個攝像機之間疊化效果制作，硬切只需要一個虛擬背景信號源。為了完成疊化效果制作，計算機通過編輯接口監視切換器的狀態或從預演母線上了解下一個切換的攝像機，并對其進行切換。當虛擬攝像機切換之后，切換器就做好了疊化的準備。

計算機技術參與節目制作
虛擬演播室系統一般包括兩套計算機系統，一套處理攝像機跟蹤的數據，一般采用高配置的微機、小型計算機工作站；另一套是進行虛擬演播室的場景制作，用于此種任務的計算機應具備以下功能：具有足夠的計算能力，包括處理多重任務的能力。可以支持實時操作系統。具有極強的繪畫能力，甚至達到高標準三維動畫制作水平。能夠處理音頻信號，并具有控制其他視頻和音頻設備的能力。

虛擬演播室對燈光的特殊要求
在虛擬演播室節目制作中燈光所起的作用是十分關鍵的。為了消除多余的陰影，保證色鍵的效果，燈光的布置相當重要。要合理調配燈光，使前景與虛擬背景的照明亮度及方向匹配。主持人及真實道具在藍箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進入虛擬空間。如果播音員在演播室中不能投下相同的陰影長度，虛擬場景的設計就應有長的陰影。為了更好地提取陰影，燈光的設置應使陰影處的藍色電平與背景藍幕布的藍色電平有較大的區別。影子的方向也要和虛擬空間中的光源方向一致。燈光應具有真實性，以防止出現動畫效果。在虛擬演播室中，實際光源和虛擬合成光源之間的同步變化很重要。演播室燈光的控制要計算機化，使燈具的狀態可以存取。

虛擬演播室的未來與發展

虛擬演播系統的主要優點是它能夠更有效地表達新聞信息，增強信息的感染力和交互性。傳統的色鍵對節目制作的限制較多。由于色鍵是在二維平面空間運作，當拍攝的色鍵前景畫面的攝像機移動，不論是變焦、上下擺動或左右搖動，色鍵的背景畫面都不會隨前景畫面而相應變化。而用虛擬演播系統制作的布景是合乎比例的立體設計，當攝像機移動時，虛擬的布景與前景畫面都會出現相應的變化，從而增加了節目的真實感。用虛擬場景在很多方面成本效益顯著。如它具有及時更換場景的能力，在演播室布景制作中節約經費。不必移動和保留景物，因此可減輕對雇員的需求壓力。對于單集片，虛擬制作不會顯出很大的經濟效益，但在使用背景和攝像機位置不變的系列節目中它可以節約大量的資金。另外，虛擬演播室具有制作優勢。當考慮節目格局時，制作人員的選擇余地大，他們不必過于受場景限制。對于同一節目可以不用同一演播室，因為背景可以存入磁盤。它可以充分發揮創作人員的藝術創造力與想象力，利用現有的多種三維動畫軟件，創作出高質量的背景。

虛擬演播室較真實演播室所具有的優勢使它具備了廣闊的發展空間。但是它也存在一定的局限性。除了不能應用于各類型的電視節目制作以外，攝像機在變焦時會出現活動不暢的情況，或者是虛擬物體的形態、顏色會給人以生硬的感覺。這主要是工作人員的操作經驗問題。因此，要順利地運作虛擬演播系統，就要加強對電視工作者的人員培訓。從二維平面到三維立體空間節目制作的轉換，需要每個工作人員重新適應自己的崗位。燈光設計方面的難度也相應增加，不論是虛擬世界還是真實世界，都需要燈光照明。燈光師除了設計燈光外，還要使兩個世界的燈光互相配合，使之出現和諧的燈光效果。虛擬演播室制作的布景是否真實，這也同樣需要綜合素質的人才。實景設計師通常體現了一定程度的建筑理念，但缺乏計算圖像的經驗。而虛擬布景設計師有計算機圖像知識，但缺乏建筑學基礎。因此，虛擬演播室的采用是一個需要有關的技術和人員素質共同提高和發展的系統工程。

目前整個虛擬現實技術正處于一個早期和初步的形式。它的發展與50年代的空間計劃和70年代的微型計算機相似。現在我們才剛剛看到虛擬現實的潛力。虛擬演播室是虛擬現實技術的應用，因此虛擬演播室也同樣處于自己的發展的初期。它目前還存在著技術方面的不成熟和應用方面的局限性。隨著計算機技術的發展和計算機三維圖像軟件的開發，虛擬電視節目制作會更加成熟完善。虛擬演播室與真實演播室混合發展是未來的發展趨勢，它會使電視節目達到最佳的視覺效果，為電視節目制作拓展更大的空間。