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虚拟演播室应用分析
虚拟演播室应用分析
2004年度河南省广播电视优秀科技论文一等奖摘 要： 本文主要分析了虚拟演播室应用中经常出现的问题，并结合实际工作经验，提出了科学合理使用虚拟演播室系统的一些建议和方法。
关键词： 虚拟演播室 虚拟场景制作
虚拟演播室应用于电视制作领域已经有一段时间，在此期间经历了起步、逐渐完善、广泛使用等几个阶段。以国内的情况来看上至中央电视台，下到绝大部分的省级电视台都装备了各种类型的虚拟演播室系统，其应用覆盖逐步向地市电视台、行业电视台和制作公司扩散。然而我们不难发现经过一段时间的热炒之后，近期对于虚拟演播室的宣传进入了一个低谷。这是因为当用户面对实际应用时，由于不恰当的使用使得虚拟演播室的应用并不尽善尽美。分析和解决虚拟演播室使用中出现的问题，从深层次上透视虚拟演播室系统的本质，以期近一步科学合理的使用虚拟演播室成为了摆在开发商和使用者面前的课题。通过笔者近几年对虚拟演播室技术的跟踪和实际应用，现做以下分析。
• 虚拟演播室实际应用中注意的问题
1、 演播室灯光
对虚拟演播室来说灯光问题是相当重要的。在通常情况下，针对虚拟演播室多机位的特点，为了使各个角度抠出的图像都不会出现“抠透”或者有“蓝边”现象，蓝箱需要被照得非常均匀。特别要注意的是蓝箱的地板和地面，防止抠像后的场景在蓝箱地面与背景部分的颜色深浅不一。而且主持人以坐姿出现时，要特别注意灯光在人身上和道具桌椅上的均匀照射，避免由于人腿部弯曲、衣服皱褶或道具 局 部无光照带来的“抠透”现象。因此，虚拟演播室的布光照射越全面、越均匀，抠像效果越好，人物在场景中的感觉越真实。
蓝箱的品质也是决定抠像效果的重要因素之一。系统对蓝箱的要求较高，拐角处要有圆弧过渡，在演播室灯光照射下的蓝色要纯净均匀，否则一些使用网格定位的定位系统会产生错误判断，引起图像抖动，抠像效果也会变差。
虚拟演播室技术采用的是色键器消蓝技术进行抠蓝处理，因此，要消除蓝色对前景 ( 主持人 ) 的影响就必须要有立体布光的理念。先前景布光，后蓝箱布光：因为三基色柔光灯发光面积大，对前景（主持人）布好光后，必将在蓝箱上产生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再对蓝箱进行适当补光就能满足抠蓝的要求。前景与电子背景完美融合的关键在于前景与蓝箱两者能够科学而合理的布 光。 明亮的蓝箱会使得前景物体的边缘看起来较亮，将被色键中的消蓝电路消除，这样一来前景物体的边缘就会显得较黑，可以对前景施加少量的侧光来消除黑边。
有时为了更好表现真实感，地面上的阴影会使观众产生一个真实的效果。演员和真实道具在蓝箱中投下的影子进入虚拟空间，影子的方向要和虚拟空间中的光源方向一致，使前景与虚拟背景的照明亮度及方向相匹配。也可在蓝箱地板上铺设蓝色透明塑料，表现虚拟背景中反光地板上的影子效果。 但是在虚拟场景中的阴影不能用的过多，给主要的物体加阴影就可以了，远近物体使用的投影要有强弱的区别，阴影过多会使场景看起来比较乱。
在人物布光上，应注意的是主光灯位的高度，灯光应经常保持足够高的角度来使阴影落在地面上而不是背景墙上。在大多数情况下，阴影应该避免落在真实墙壁上，除非虚拟墙与蓝箱墙的轮廓相似。地面的辅助光是不可忽视的，主持人或前景物体下面会有阴影，地排灯光的使用能消除这些弊端。
2、 虚拟场景中的灯光
演播室蓝箱的灯光和计算机生成的虚拟场景中的灯光是相辅相成的。虚拟场景的灯光与真实拍摄场景灯光应该相一致。假设蓝箱的灯光设计中主持人用暖光源，蓝箱用冷光源。那么在制作场景时，前景，也就是主持人的活动范围要用暖光源。这样当主持人通过抠像，进入虚拟场景中背景和主持人亮度反差不会很明显，显得很协调。而且，有明暗对比的场景会显得有纵深感。
在使用三维软件的时候，制作者感到最大困难之一就是光源的表现方法。用语言是无法将灯光的应用描述的面面俱到，即使以理论作为后盾，在创作过程中有效地将灯光加以表现也是相当困难的。例如，设计者给物体赋予 R：210 G：000 B：000 这样的纹理并将其应用到三维物体上，此时设计者想得到的是R：210 G：000 B：000颜色的纹理效果，但往往会有相对的偏差，颜色或者偏浅，或者偏暗。
一般 3D软件中的各种照明效果并不是为了表现光源自身发光，而是为了照亮其他对象而存在的。最困难的部分不仅仅是照明，而是自身的发光效果显得更为重要。这类光源一般是通过曲面较大的玻璃板和反射板来散射光线的。
当然如果以理论为基础的话，是可以把握创作的原则。所以，要想制作出逼真的灯光效果，首先要了解一些传统的灯光基础知识是非常有帮助的。当白色光通过三棱镜时被折射成七色光，分别是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。这些颜色中红、绿、蓝是三原色，所以光的颜色模型为 RGB模型。3D MAX提供了RGB颜色选择模型。应当注意的是：光的颜色具有相加性，而颜料的颜色具有相减性。所谓相加性是指混合的颜色越多，颜色越淡，相减性则反之。
对于虚拟场景中灯光的布置，三点照明法是用光的一种基本方法，它是由一个主光、一个辅助光、一个逆光组成的三点光源系统，适用于很多类型的场景中。在设计场景时，根据场景的需要，可能会有几个逆光，或是将主光和辅助光分成几组。
在虚拟场景灯光设计中，灯光的颜色可以增添场景气氛。灯光有助于表达一种情感，可以引导观众的眼睛到特定的位置。能够为场景提供更大的深度，展现丰富的层次。我们所见到的场景取决于照明的方式，场景完全由灯光的颜色和位置决定。如果想要营造一种氛围，使用颜色成分少会使场景显得毫无生气。例如下图中 a 、 b 两个场景：
从上面两幅图的对比中可以看出，灯光表达出的基调和气氛，对于整个图像的外观是至关重要的。电脑制作的毕竟是虚拟环境，所以没有必要严格遵循现实中的规则。如果说严格遵循现实世界中的原则来进行设计的话，很多灵感都将无法付诸实施，反而束缚住设计者的手脚。
例如，在场景中想做一面有纵深感的墙，来表现场景的延伸感。以3D MAX软件为例。首先，在Create面板中点选Box建立一面墙的模型，在修改面板中调整参数。第二步，在材质编辑面板中赋予物体一个砖的材质，在修改面板中选择UVW MAP调整帖图位置。第三步，给墙和地面打上主光和辅助光。此时大致工作已经完成，但是渲染之后并没有很强的纵深效果。在墙的一面加一排Target Spot灯光，并给灯光加上Volume Light产生射灯的效果。在Modify面板的Attenuation 项把灯光的参数强度由近及远依次降低，只用四五盏灯就可以很好的表现出墙的纵深感。效果如图（1）：
3、 主持人的服装
抠像效果的好坏除灯光外，主持人的服装选择也同样有重要的作用。主持人的服装要避免与背景相近或相靠，白色或特别浅色的衣服也不宜使用，因为这些颜色不宜抠干净，会影响人物的边缘和背景的融合。虚拟抠像时，主持人不应穿蓝色成份的衣服，因为它会被色键在合成图像中抠掉。还应避免穿质地太发光的衣服，因为它们的反射系数太大，会影响抠像的效果。由于当今的摄像机都为CCD摄像管，因此主持人尽量不要穿细格子的衣服。因为CCD集成芯片对细横格子会引起垂直方向的白色拖尾，即闪烁现象，从而破坏了画面的表现力。
4 、 虚拟 场景制作
虚拟演播室 虚拟场景的制作要注意的问题：
（ 1）虚拟场景必须与节目的风格，主题，色调这三者的关系和谐一致。即使制作出再精美的虚拟场景，但是与节目风格不符，也会给观众很不舒服的感觉；
（ 2）在制作之前，首先要精确测量出蓝箱的宽、高、深度，还有摄像机距离蓝箱的位置、角度和高度。在测量完成之后，进入三维场景制作中将这些真实尺寸通过建模的方式放在三维场景中，这也是主持人的虚拟活动范围；
（ 3）设计前画好草图，根据草图进行三维场景制作，这样可以使自己有一个清晰的思路，少走弯路减少制作时间。
（ 4）场景中尽量减少使用有反光效果和产生倒影的物体或材质，即使使用这些效果，也要将其强度减弱。避免当主持人进入场景中没有产生反射和倒影，造成不真实感。
（ 5）制作背景时对个别需要的物体加阴影会增加真实感。特别是前景物体，因为前景接受的灯光多，地面比较亮。在较亮的地面上放置物体会发现前景物体有一种没有落在地面的漂浮感，此时给前景物体加一盏带投影效果灯光。此时，物体有了投影效果后就显得更加真实地落在地面上。
（ 6）虚拟环境中的物体模型的比例大小，要和实际人物比例相吻合。避免出现比例失调的情况。解决这个问题首先可以在虚拟场景中定义一个物体的比例。有了参照物，其他的物体根据其比例进行建模。
（ 7）在贴图之前要将模型的法线调整到和贴图方向一致。在修改面板中的下拉菜单中选择Unwrap map,在面板Parameters的Mapping 和Alignment中设置参数给贴图定位。由于电视是隔行扫描，在制作材质贴图时尽量少用横向细条纹和小颗粒的磨沙材质。否则在电视屏幕上会出现闪烁。在建模时，景物边缘部位最好增加一个过渡面，否则尖锐的边角在电视屏幕上会出现闪烁，当镜头推近时会出现马赛克。场景中大部分出现在电视画面的是一些分镜头，要注意分镜头部分的制作，这也是主要想表达背景的部分。制作时对要表现细节的部分要做的细致，这一部分材质贴图的分辨率要高。
（ 8） 主持人的服装色彩也要适合虚拟场景。根据自己的制作经验来讲，蓝色系、紫色系、红色系的虚拟背景色彩明亮，整个场景给人很透亮的感觉。主持人的服装方面就要避免同一色系或是太跳跃的颜色。而黄色系、白色系的虚拟背景会显得主持人的脸色发黄、发暗。
场景设计是虚拟演播室录制的关键，但虚拟场景的设计受到相当多的限制。 随着虚拟演播室技术的发展，虚拟演播室的系统类型也得到不断的完善。最基本的就是三维系统和二维系统， 在设计和制作过程中，两种场景的设计是有区别的。
在三维系统里有两个制约条件，场景中 Polygon （也就是 多边形的面）的个数要受到控制，一般在 5000至8000之间，贴图的尺寸要小于1024 × 1024像素，如果超出范围就会造成图像丢帧，所以需要有相当的经验才能设计出符合要求的场景。 二维半虚拟演播室系统在这方面没有要求。
以下是三维虚拟场景制作应该注意的一些问题：
（ 1）在场景中要多用贴图，少用几何物体，尤其是圆形物体和文字物体，它们会占用大量的多边形，尽量用渲染后的贴图代替它们；
（ 2）设计场景要不要过分注重细节。电脑中的场景转换成视频信号后，许多细节部分都无法显示出来，但这些细节部分通常会占用大量的内存；
（ 3）场景中要合理地设置一些遮挡物，它可以产生很强的空间感和纵深感。
我们频道所使用的二维半虚拟演播室对建模的 Polygon面数没有限制，给设计者很大的设计空间。特别是在制作曲线物体时，要适当增加物体的细腻程度。物体的棱角看起来比较死板，不柔和。如果给有棱角的面加一个导角，看起来会更真实。有时可以用Photoshop制作灯光效果贴图，这样不仅可以节省3D MAX制作灯光和3D MAX渲染时的运算时间，也可以很容易达到在3D MAX中很难达到的灯光效果。在场景制作渲染完成后，用Photoshop对场景图片中不满意的地方进行更细致的修改。如图（2）在Photoshop中制作的灯光打在玻璃上的贴图效果：
二维半虚拟演播室场景渲染时，用摄像机来取景。首先要确定虚拟场景中主持人的活动范围大小（同蓝箱大小一致）。然后，根据主持人的活动范围确定摄像机的高度、位置，虚拟摄像机要与真实摄像机的高度和位置保持一致，此时看不到整个虚拟场景。最后一步就是锁定摄像机，在工具条的 VIEW下拉菜单中选择Local。让摄像机按自己的坐标沿Z轴路径向后拉，直到可以看到整个场景，最好控制在不发生物体变形的刻度，摄像机的FOV值不小于35度。二维半虚拟演播室也可以做遮挡物，在渲染虚拟场景时将遮挡物增加一个alpha通道，通道中黑色部分是不透的，白色部分是能够透过去的。电视机是隔行扫描，渲染场景的像素必须能开整的二次方。渲染的场景画面要大于所想要在电视中表达的范围，因为当真实摄像机取全景时，在进行摇移时就会超出画面。
• 虚拟演播室的科学使用和配置
任何一种系统最终的目的就是为了制作出好的节目，各种类型的节目由于有自身的一些特殊性，针对性地选择合适的系统，对于用户来说可以使用最少的成本来制作出想要的效果。目前适合使用虚拟演播室的节目类型主要有新闻播报，文艺娱乐播报，音乐节目，杂志，生活时尚，财经，少儿等。 不同类型的节目要求虚拟场景体现出来的感情基调各不相同。
新闻播报类节目一般很少和其它类型的节目共用演播室，总是有独立的演播室，而且讲究时效性，大多为直播形式，这就要求系统有较高的稳定性，所以大多数用户都会选择 UNIX 平台的系统，但是一般无需很复杂的场景，考虑成本可以选择二维的虚拟演播室系统，由于二维的系统采用的是预生成的方式，生成完后一般不会有问题，重新生成速度也较快，也可以使用录像带把生成好的场景进行廉价的备份。高端用户可以考虑使用 UNIX 平台的三维系统，由于此类节目很少会有大的镜头调度和切换，在选择跟踪方式时可以使用网格 + 传感器或纯传感器的方式，以节省成本。
专题节目与新闻 播报类节目 相比没有太强的时间性，但具有更广泛的社会性。他可以是多机位的， 二维和三维系统都比较适合。 谈话的演播室是一间多边形房间，在主持人和佳宾前面制作遮挡物，也可以是真实的物体。例如一个弧型茶几，茶几上很随意地摆着几个杯子和一个花瓶，主持人坐在茶几的后面中间的位置，嘉宾坐在两边，颇有主人与客人在自家客厅喝茶、聊天的氛围。虚拟和现场有三台角度、高度一致的摄像机，使得谈话的镜头切换自然、恰当。 嘉宾、主持人同在一个空间。演播室的空间设计目的是让主持人与嘉宾在一个开放的空间里沟通，摄像在主持人和嘉宾中来回穿插，空间上形成两面或三面的组成结构。常用中景和近景，全景仅仅起到穿插作用。这样演播室空间的设计，通过空间这个媒介与节目结合在一起。 演播室布置再加上机位的设计，观众在一个节目中可以看到众多变化，丰富感油然而生，避免了呆板、单调感，避免观众对节目过快的厌倦。
生活服务节目，主持人形式使各种内容的转接平易、自然，嘉宾随内容变换而不同也使节目有了更大的适应能力。这个栏目对内容有更强的兼容性，是对频道综合性质的更好体现，它能适应更多受众的需求，对观众有更大的亲和力。这个节目的演播室的背景做成一个客厅，有沙发、茶几、冰箱、旋转楼梯等等，很有家庭气氛。同时可以有四五个家宾，谈话很轻松、活跃。
文艺娱乐播报，音乐节目，杂志，生活时尚类节目可以说是目前使用虚拟演播室技术最多，也是最适合的节目类型，这些类型的节目形式多样化，各个国家，地区，城市由于文化背景不同风格迥异，现在高端的三维虚拟演播室系统基本上已经可以做到所想即所得，完全可以根据自身的特点做出有特色的场景。而且一般这些类型的节目不会要求直播，所以可以选择相对较便宜的 NT 平台的系统。在跟踪方式的选择上，由于节目的要求较高，可能还需要手提拍摄或借助摇臂，可以根据预算选择高端的纯红外系统或红外 + 传感器或网格 + 传感系统。
这一类型节目的虚拟背景，主要由画面和音乐两大基本元素构成，视觉效果可以夸张、强烈，完全是一种 非现实主义风格，也就是说一种抽象、虚构梦境式的情景的营造。如大块的色块和刺眼的光柱，不同角度的光线等等。把音乐的内涵传递给观众，从而来激发观众的审美情趣。 光效在创作过程中，对人物的造型、特定环境氛围的营造，包括在画面视觉效果的处理上，应该说有它的独到之处，也是其它艺术手段所无法替代的。因此，在创意设计中可以将光作为造型艺术的一种重要符号。 类似这样的场景 采用极度夸张的色彩，奇异的道具，再加上主持人新潮的发型及服装，体现出先锋音乐的存在空间。场景效果例如下图（3）：
图（3） 音乐类节目虚拟背景实例
财经类节目有其特殊性，一般需要大量的字幕，而且大多数需要直播，但对于场景的要求一般不是很高，所以很多用户都会选择一个稳定的系统加一台字幕机，高端的用户也可以选择专门的实时三维图形系统配合虚拟演播室系统来处理三维字幕。
少儿节目是拥有很大一部分观众的节目，越来越多的媒体开始注意到少儿节目的重要性，所以在虚拟演播室的使用上开始有了很大的发展。计算机的开发潜力是无限的，开放的计算机源代码使得高端用户可以自行开发基于虚拟演播室技术的插件，其中最为典型的就是有的制作公司已经开发出用于少儿节目的虚拟演播室系统的互动插件，利用传感器技术与虚拟演播室系统做接口，实现了真人与虚拟场景的互动，做出自己特有节目类型。
除了以上的节目类型外，利用虚拟演播室技术还可以用于拍摄广告，电视剧，与动作捕捉技术结合做虚拟主持人等多元化的节目。也可以虚实结合，使用一定的实景道具，效果会更加理想。而且，随着技术的发展，将会有更多新的类型的节目产生。
总 结
虚拟演播室终究不可能完全代替传统演播室，但是随着虚拟演播室成本的不断降低，技术的日臻完善，更多的用户会选择虚拟演播室技术来完成适合虚拟演播室系统的节目录制。对于视频领域的用户而言，一味的追求高端的系统或者完全摒弃这项技术都是不可取的，我们要根据自己不同的实际情况，选择恰当的虚拟演播室系统，科学合理的使用系统，以期发挥系统最大的效能，制作出既经济，又符合观赏性要求的节目。
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