虚拟现实技术与虚拟演播室的产生

虚拟现实技术可能是我们未来最主要的技术之一，它会在诸多领域中应用甚至使之产生飞跃。虚拟现实可以定义为三维的、计算机生成的、人可以漫游其间与之相互作用并使人沉浸在另一个环境中的模拟。虚拟现实技术提供一个模拟我们日常生活环境的方式。

由于人类主要是视觉动物，我们对空间三维图像的反应要比对平面二维图像的反映更好。有了虚拟现实产生的三维图像，我们便能更好地看清事物之间的关系和趋势。虚拟现实跨越了静止空间。它可以是某一特定现实环境的表现，也可以是纯粹构想的世界。这种虚拟现实技术对电视工作也产生了巨大的冲击。

随着计算机网络和三维图形软件等先进信息技术的发展，电视节目制作方式发生了很大的变化。视觉和听觉效果以及人类的思维都可以靠虚拟现实技术来实现。它升华了人类的逻辑思维。虚拟演播室则是虚拟现实技术与人类思维相结合在电视节目制作中的具体体现。

虚拟演播室技术源于色键技术。之所以称之为虚拟演播室是因为它实际上是把演播室中巳有的视频技术与计算机技术相结合，以计算机为主，摆脱了制作实景的限制，发挥充分的想象力，用计算机绘制出更能体现节目主题的场景。它的关键技术是：用摄像机的位置和镜头等变化来控制计算机中的“虚拟摄像机”，使它的位置和镜头变化与“实际”同步，这样它所拍摄的“虚拟场景”的镜头变化和实际摄像机拍摄的主持人的镜头变化一致，将他们进行色键效果处理之后，得到的画面才真实自然。

虚拟演播室技术要点

虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、背景设计和蓝背景技术、灯光技术、色键技术和切换技术等。

摄像机跟踪技术的重要性
世界上第一个虚拟演播室系统、可以上下左右运动的摄像机基座于1994年问世。借助于精确的旋转编码器，可以测出基座上下左右运动的角度位置。同时也设计出了一种适合EFP/ENG（电子现场节目制作／电子新闻采集）镜头的特殊编码器。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，背景制作的应用软件根据这些参数来调整虚拟摄像机的位置、方向和镜头参数，使虚拟场景产生对应的变化，上述这些使虚拟演播室的制作成为可能。

虚拟演播室跟踪技术主要有图形识别和机械传感器两种。摄像机跟踪技术是指获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。图形识别方式需要一个画有特殊网络的蓝色背景幕布。它将摄像机所拍画面送到数字视频处理器中进行处理，通过对所拍摄画面中网格的旋转和透视关系进行计算，得到有关摄像机的动作参数，以控制虚拟背景的生成。机械传感器方式是通过安装在摄像机的云台和镜头上的传感器获取摄像机的动作参数。从液压摇摆头上的编码器得到上下左右位置参数。编码器测量摄像机上下左右运动的角度得到其位置参数，再通过串行位置接口将数据输入计算机。虚拟演播室所使用的摄像机镜头安装在一个特殊的托架上。编码器和串行位置接口相联，可以得到上下、左右、推拉和聚焦四个轴的参数。位置参数的确定是将摄像机安装在三角架、云台或升降臂上，由三脚架、云台或升降臂的参数决定摄像机的位置和高度。

虚拟演播室的必备条件：蓝背景和背景的建立
制作虚拟演播室的蓝背景要求背景平滑，还要有空间感，一般是两面或三面蓝色墙再加上地面。为保证全景镜头的使用，照射在蓝背景上面的光线要均匀。为了保证色键效果最好，要使用纯正的色键蓝色。蓝背景的空间大小，应该能保证可容纳全部道具并且可以使主持人有足够的活动区域。

虚拟演播室中的背景图像可以是动态的，也可以是静止的。利用最多的是虚拟场景，也就是由计算机创作的二维或三维图形。在虚拟演播室中，首先要对场景中的所有物体进行建模，也就是设计物体的外形和尺寸，这与计算机辅助设计很相似：在建立一个模型的同时，计算机将他们分解成许多个多边形，一般是三角形，然后定义一个轮廓；在每个多边形上施加材质，可以是简单的颜色，也可以是材料。再把图像或照片施加在多边形上，以产生更逼真的效果。在虚拟演播室中将模型定位；使用虚拟灯光产生所需要的效果如阴影、高光、反射和折射。在这些制作之后，利用来自摄像机传感器的数据建立虚拟摄像机。一个三维虚拟场景需要大量的计算工作来处理运动和再生背景。如果背景不是太复杂，使用超级计算机就可以控制和操作三维虚拟演播室场景。

键信号处理与图像合成
色键制作的质量对虚拟演播室节目质量影响相当大，它除了与蓝背景、制作环境灯光和摄像机有一定关系之外，色键器本身的质量也会影响节目质量。把前景键在背景上的方式是虚拟演播室的集成部分。由背景生成装置生成的背景图像与前景图像混合后，才最终完成了虚拟演播室的节目制作。前景与后背景的混合是通过色键合成器来完成的。使用清晰的、亮度平坦的颜色，这种电子信号可以被演算以使前景和背景分离，然后把演算后的信号用于另一个不同的背景。使用线性键可以把前景的阴影取出来并叠加到背景上。为了保证合成准确，应使拍摄视野中的蓝色幕布处于均匀照明之下。

一般来说虚拟摄像机和实际摄像机的数量是相同的，但虚拟背景信号源的数量与实际摄像机数量并不一定相同。用两个背景生成器，两个色键器就可以完成任何两个摄像机之间叠化效果制作，硬切只需要一个虚拟背景信号源。为了完成叠化效果制作，计算机通过编辑接口监视切换器的状态或从预演母线上了解下一个切换的摄像机，并对其进行切换。当虚拟摄像机切换之后，切换器就做好了叠化的准备。

计算机技术参与节目制作
虚拟演播室系统一般包括两套计算机系统，一套处理摄像机跟踪的数据，一般采用高配置的微机、小型计算机工作站；另一套是进行虚拟演播室的场景制作，用于此种任务的计算机应具备以下功能：具有足够的计算能力，包括处理多重任务的能力。可以支持实时操作系统。具有极强的绘画能力，甚至达到高标准三维动画制作水平。能够处理音频信号，并具有控制其他视频和音频设备的能力。

虚拟演播室对灯光的特殊要求
在虚拟演播室节目制作中灯光所起的作用是十分关键的。为了消除多余的阴影，保证色键的效果，灯光的布置相当重要。要合理调配灯光，使前景与虚拟背景的照明亮度及方向匹配。主持人及真实道具在蓝箱中投下影子也要随主持人及道具一起进入虚拟空间。如果播音员在演播室中不能投下相同的阴影长度，虚拟场景的设计就应有长的阴影。为了更好地提取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大的区别。影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。灯光应具有真实性，以防止出现动画效果。在虚拟演播室中，实际光源和虚拟合成光源之间的同步变化很重要。演播室灯光的控制要计算机化，使灯具的状态可以存取。

虚拟演播室的未来与发展

虚拟演播系统的主要优点是它能够更有效地表达新闻信息，增强信息的感染力和交互性。传统的色键对节目制作的限制较多。由于色键是在二维平面空间运作，当拍摄的色键前景画面的摄像机移动，不论是变焦、上下摆动或左右摇动，色键的背景画面都不会随前景画面而相应变化。而用虚拟演播系统制作的布景是合乎比例的立体设计，当摄像机移动时，虚拟的布景与前景画面都会出现相应的变化，从而增加了节目的真实感。用虚拟场景在很多方面成本效益显著。如它具有及时更换场景的能力，在演播室布景制作中节约经费。不必移动和保留景物，因此可减轻对雇员的需求压力。对于单集片，虚拟制作不会显出很大的经济效益，但在使用背景和摄像机位置不变的系列节目中它可以节约大量的资金。另外，虚拟演播室具有制作优势。当考虑节目格局时，制作人员的选择余地大，他们不必过于受场景限制。对于同一节目可以不用同一演播室，因为背景可以存入磁盘。它可以充分发挥创作人员的艺术创造力与想象力，利用现有的多种三维动画软件，创作出高质量的背景。

虚拟演播室较真实演播室所具有的优势使它具备了广阔的发展空间。但是它也存在一定的局限性。除了不能应用于各类型的电视节目制作以外，摄像机在变焦时会出现活动不畅的情况，或者是虚拟物体的形态、颜色会给人以生硬的感觉。这主要是工作人员的操作经验问题。因此，要顺利地运作虚拟演播系统，就要加强对电视工作者的人员培训。从二维平面到三维立体空间节目制作的转换，需要每个工作人员重新适应自己的岗位。灯光设计方面的难度也相应增加，不论是虚拟世界还是真实世界，都需要灯光照明。灯光师除了设计灯光外，还要使两个世界的灯光互相配合，使之出现和谐的灯光效果。虚拟演播室制作的布景是否真实，这也同样需要综合素质的人才。实景设计师通常体现了一定程度的建筑理念，但缺乏计算图像的经验。而虚拟布景设计师有计算机图像知识，但缺乏建筑学基础。因此，虚拟演播室的采用是一个需要有关的技术和人员素质共同提高和发展的系统工程。

目前整个虚拟现实技术正处于一个早期和初步的形式。它的发展与50年代的空间计划和70年代的微型计算机相似。现在我们才刚刚看到虚拟现实的潜力。虚拟演播室是虚拟现实技术的应用，因此虚拟演播室也同样处于自己的发展的初期。它目前还存在着技术方面的不成熟和应用方面的局限性。随着计算机技术的发展和计算机三维图像软件的开发，虚拟电视节目制作会更加成熟完善。虚拟演播室与真实演播室混合发展是未来的发展趋势，它会使电视节目达到最佳的视觉效果，为电视节目制作拓展更大的空间。

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