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虛擬演播室應用分析
虛擬演播室應用分析
2004年度河南省廣播電視優秀科技論文一等獎摘 要： 本文主要分析了虛擬演播室應用中經常出現的問題，并結合實際工作經驗，提出了科學合理使用虛擬演播室系統的一些建議和方法。
關鍵詞： 虛擬演播室 虛擬場景制作
虛擬演播室應用于電視制作領域已經有一段時間，在此期間經歷了起步、逐漸完善、廣泛使用等幾個階段。以國內的情況來看上至中央電視臺，下到絕大部分的省級電視臺都裝備了各種類型的虛擬演播室系統，其應用覆蓋逐步向地市電視臺、行業電視臺和制作公司擴散。然而我們不難發現經過一段時間的熱炒之后，近期對于虛擬演播室的宣傳進入了一個低谷。這是因為當用戶面對實際應用時，由于不恰當的使用使得虛擬演播室的應用并不盡善盡美。分析和解決虛擬演播室使用中出現的問題，從深層次上透視虛擬演播室系統的本質，以期近一步科學合理的使用虛擬演播室成為了擺在開發商和使用者面前的課題。通過筆者近幾年對虛擬演播室技術的跟蹤和實際應用，現做以下分析。
• 虛擬演播室實際應用中注意的問題
1、 演播室燈光
對虛擬演播室來說燈光問題是相當重要的。在通常情況下，針對虛擬演播室多機位的特點，為了使各個角度摳出的圖像都不會出現“摳透”或者有“藍邊”現象，藍箱需要被照得非常均勻。特別要注意的是藍箱的地板和地面，防止摳像后的場景在藍箱地面與背景部分的顏色深淺不一。而且主持人以坐姿出現時，要特別注意燈光在人身上和道具桌椅上的均勻照射，避免由于人腿部彎曲、衣服皺褶或道具 局 部無光照帶來的“摳透”現象。因此，虛擬演播室的布光照射越全面、越均勻，摳像效果越好，人物在場景中的感覺越真實。
藍箱的品質也是決定摳像效果的重要因素之一。系統對藍箱的要求較高，拐角處要有圓弧過渡，在演播室燈光照射下的藍色要純凈均勻，否則一些使用網格定位的定位系統會產生錯誤判斷，引起圖像抖動，摳像效果也會變差。
虛擬演播室技術采用的是色鍵器消藍技術進行摳藍處理，因此，要消除藍色對前景 ( 主持人 ) 的影響就必須要有立體布光的理念。先前景布光，后藍箱布光：因為三基色柔光燈發光面積大，對前景（主持人）布好光后，必將在藍箱上產生一定的光照度。因此，前景照度符合要求后，再對藍箱進行適當補光就能滿足摳藍的要求。前景與電子背景完美融合的關鍵在于前景與藍箱兩者能夠科學而合理的布 光。 明亮的藍箱會使得前景物體的邊緣看起來較亮，將被色鍵中的消藍電路消除，這樣一來前景物體的邊緣就會顯得較黑，可以對前景施加少量的側光來消除黑邊。
有時為了更好表現真實感，地面上的陰影會使觀眾產生一個真實的效果。演員和真實道具在藍箱中投下的影子進入虛擬空間，影子的方向要和虛擬空間中的光源方向一致，使前景與虛擬背景的照明亮度及方向相匹配。也可在藍箱地板上鋪設藍色透明塑料，表現虛擬背景中反光地板上的影子效果。 但是在虛擬場景中的陰影不能用的過多，給主要的物體加陰影就可以了，遠近物體使用的投影要有強弱的區別，陰影過多會使場景看起來比較亂。
在人物布光上，應注意的是主光燈位的高度，燈光應經常保持足夠高的角度來使陰影落在地面上而不是背景墻上。在大多數情況下，陰影應該避免落在真實墻壁上，除非虛擬墻與藍箱墻的輪廓相似。地面的輔助光是不可忽視的，主持人或前景物體下面會有陰影，地排燈光的使用能消除這些弊端。
2、 虛擬場景中的燈光
演播室藍箱的燈光和計算機生成的虛擬場景中的燈光是相輔相成的。虛擬場景的燈光與真實拍攝場景燈光應該相一致。假設藍箱的燈光設計中主持人用暖光源，藍箱用冷光源。那么在制作場景時，前景，也就是主持人的活動范圍要用暖光源。這樣當主持人通過摳像，進入虛擬場景中背景和主持人亮度反差不會很明顯，顯得很協調。而且，有明暗對比的場景會顯得有縱深感。
在使用三維軟件的時候，制作者感到最大困難之一就是光源的表現方法。用語言是無法將燈光的應用描述的面面俱到，即使以理論作為后盾，在創作過程中有效地將燈光加以表現也是相當困難的。例如，設計者給物體賦予 R：210 G：000 B：000 這樣的紋理并將其應用到三維物體上，此時設計者想得到的是R：210 G：000 B：000顏色的紋理效果，但往往會有相對的偏差，顏色或者偏淺，或者偏暗。
一般 3D軟件中的各種照明效果并不是為了表現光源自身發光，而是為了照亮其他對象而存在的。最困難的部分不僅僅是照明，而是自身的發光效果顯得更為重要。這類光源一般是通過曲面較大的玻璃板和反射板來散射光線的。
當然如果以理論為基礎的話，是可以把握創作的原則。所以，要想制作出逼真的燈光效果，首先要了解一些傳統的燈光基礎知識是非常有幫助的。當白色光通過三棱鏡時被折射成七色光，分別是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。這些顏色中紅、綠、藍是三原色，所以光的顏色模型為 RGB模型。3D MAX提供了RGB顏色選擇模型。應當注意的是：光的顏色具有相加性，而顏料的顏色具有相減性。所謂相加性是指混合的顏色越多，顏色越淡，相減性則反之。
對于虛擬場景中燈光的布置，三點照明法是用光的一種基本方法，它是由一個主光、一個輔助光、一個逆光組成的三點光源系統，適用于很多類型的場景中。在設計場景時，根據場景的需要，可能會有幾個逆光，或是將主光和輔助光分成幾組。
在虛擬場景燈光設計中，燈光的顏色可以增添場景氣氛。燈光有助于表達一種情感，可以引導觀眾的眼睛到特定的位置。能夠為場景提供更大的深度，展現豐富的層次。我們所見到的場景取決于照明的方式，場景完全由燈光的顏色和位置決定。如果想要營造一種氛圍，使用顏色成分少會使場景顯得毫無生氣。例如下圖中 a 、 b 兩個場景：
從上面兩幅圖的對比中可以看出，燈光表達出的基調和氣氛，對于整個圖像的外觀是至關重要的。電腦制作的畢竟是虛擬環境，所以沒有必要嚴格遵循現實中的規則。如果說嚴格遵循現實世界中的原則來進行設計的話，很多靈感都將無法付諸實施，反而束縛住設計者的手腳。
例如，在場景中想做一面有縱深感的墻，來表現場景的延伸感。以3D MAX軟件為例。首先，在Create面板中點選Box建立一面墻的模型，在修改面板中調整參數。第二步，在材質編輯面板中賦予物體一個磚的材質，在修改面板中選擇UVW MAP調整帖圖位置。第三步，給墻和地面打上主光和輔助光。此時大致工作已經完成，但是渲染之后并沒有很強的縱深效果。在墻的一面加一排Target Spot燈光，并給燈光加上Volume Light產生射燈的效果。在Modify面板的Attenuation 項把燈光的參數強度由近及遠依次降低，只用四五盞燈就可以很好的表現出墻的縱深感。效果如圖（1）：
3、 主持人的服裝
摳像效果的好壞除燈光外，主持人的服裝選擇也同樣有重要的作用。主持人的服裝要避免與背景相近或相靠，白色或特別淺色的衣服也不宜使用，因為這些顏色不宜摳干凈，會影響人物的邊緣和背景的融合。虛擬摳像時，主持人不應穿藍色成份的衣服，因為它會被色鍵在合成圖像中摳掉。還應避免穿質地太發光的衣服，因為它們的反射系數太大，會影響摳像的效果。由于當今的攝像機都為CCD攝像管，因此主持人盡量不要穿細格子的衣服。因為CCD集成芯片對細橫格子會引起垂直方向的白色拖尾，即閃爍現象，從而破壞了畫面的表現力。
4 、 虛擬 場景制作
虛擬演播室 虛擬場景的制作要注意的問題：
（ 1）虛擬場景必須與節目的風格，主題，色調這三者的關系和諧一致。即使制作出再精美的虛擬場景，但是與節目風格不符，也會給觀眾很不舒服的感覺；
（ 2）在制作之前，首先要精確測量出藍箱的寬、高、深度，還有攝像機距離藍箱的位置、角度和高度。在測量完成之后，進入三維場景制作中將這些真實尺寸通過建模的方式放在三維場景中，這也是主持人的虛擬活動范圍；
（ 3）設計前畫好草圖，根據草圖進行三維場景制作，這樣可以使自己有一個清晰的思路，少走彎路減少制作時間。
（ 4）場景中盡量減少使用有反光效果和產生倒影的物體或材質，即使使用這些效果，也要將其強度減弱。避免當主持人進入場景中沒有產生反射和倒影，造成不真實感。
（ 5）制作背景時對個別需要的物體加陰影會增加真實感。特別是前景物體，因為前景接受的燈光多，地面比較亮。在較亮的地面上放置物體會發現前景物體有一種沒有落在地面的漂浮感，此時給前景物體加一盞帶投影效果燈光。此時，物體有了投影效果后就顯得更加真實地落在地面上。
（ 6）虛擬環境中的物體模型的比例大小，要和實際人物比例相吻合。避免出現比例失調的情況。解決這個問題首先可以在虛擬場景中定義一個物體的比例。有了參照物，其他的物體根據其比例進行建模。
（ 7）在貼圖之前要將模型的法線調整到和貼圖方向一致。在修改面板中的下拉菜單中選擇Unwrap map,在面板Parameters的Mapping 和Alignment中設置參數給貼圖定位。由于電視是隔行掃描，在制作材質貼圖時盡量少用橫向細條紋和小顆粒的磨沙材質。否則在電視屏幕上會出現閃爍。在建模時，景物邊緣部位最好增加一個過渡面，否則尖銳的邊角在電視屏幕上會出現閃爍，當鏡頭推近時會出現馬賽克。場景中大部分出現在電視畫面的是一些分鏡頭，要注意分鏡頭部分的制作，這也是主要想表達背景的部分。制作時對要表現細節的部分要做的細致，這一部分材質貼圖的分辨率要高。
（ 8） 主持人的服裝色彩也要適合虛擬場景。根據自己的制作經驗來講，藍色系、紫色系、紅色系的虛擬背景色彩明亮，整個場景給人很透亮的感覺。主持人的服裝方面就要避免同一色系或是太跳躍的顏色。而黃色系、白色系的虛擬背景會顯得主持人的臉色發黃、發暗。
場景設計是虛擬演播室錄制的關鍵，但虛擬場景的設計受到相當多的限制。 隨著虛擬演播室技術的發展，虛擬演播室的系統類型也得到不斷的完善。最基本的就是三維系統和二維系統， 在設計和制作過程中，兩種場景的設計是有區別的。
在三維系統里有兩個制約條件，場景中 Polygon （也就是 多邊形的面）的個數要受到控制，一般在 5000至8000之間，貼圖的尺寸要小于1024 × 1024像素，如果超出范圍就會造成圖像丟幀，所以需要有相當的經驗才能設計出符合要求的場景。 二維半虛擬演播室系統在這方面沒有要求。
以下是三維虛擬場景制作應該注意的一些問題：
（ 1）在場景中要多用貼圖，少用幾何物體，尤其是圓形物體和文字物體，它們會占用大量的多邊形，盡量用渲染后的貼圖代替它們；
（ 2）設計場景要不要過分注重細節。電腦中的場景轉換成視頻信號后，許多細節部分都無法顯示出來，但這些細節部分通常會占用大量的內存；
（ 3）場景中要合理地設置一些遮擋物，它可以產生很強的空間感和縱深感。
我們頻道所使用的二維半虛擬演播室對建模的 Polygon面數沒有限制，給設計者很大的設計空間。特別是在制作曲線物體時，要適當增加物體的細膩程度。物體的棱角看起來比較死板，不柔和。如果給有棱角的面加一個導角，看起來會更真實。有時可以用Photoshop制作燈光效果貼圖，這樣不僅可以節省3D MAX制作燈光和3D MAX渲染時的運算時間，也可以很容易達到在3D MAX中很難達到的燈光效果。在場景制作渲染完成后，用Photoshop對場景圖片中不滿意的地方進行更細致的修改。如圖（2）在Photoshop中制作的燈光打在玻璃上的貼圖效果：
二維半虛擬演播室場景渲染時，用攝像機來取景。首先要確定虛擬場景中主持人的活動范圍大小（同藍箱大小一致）。然后，根據主持人的活動范圍確定攝像機的高度、位置，虛擬攝像機要與真實攝像機的高度和位置保持一致，此時看不到整個虛擬場景。最后一步就是鎖定攝像機，在工具條的 VIEW下拉菜單中選擇Local。讓攝像機按自己的坐標沿Z軸路徑向后拉，直到可以看到整個場景，最好控制在不發生物體變形的刻度，攝像機的FOV值不小于35度。二維半虛擬演播室也可以做遮擋物，在渲染虛擬場景時將遮擋物增加一個alpha通道，通道中黑色部分是不透的，白色部分是能夠透過去的。電視機是隔行掃描，渲染場景的像素必須能開整的二次方。渲染的場景畫面要大于所想要在電視中表達的范圍，因為當真實攝像機取全景時，在進行搖移時就會超出畫面。
• 虛擬演播室的科學使用和配置
任何一種系統最終的目的就是為了制作出好的節目，各種類型的節目由于有自身的一些特殊性，針對性地選擇合適的系統，對于用戶來說可以使用最少的成本來制作出想要的效果。目前適合使用虛擬演播室的節目類型主要有新聞播報，文藝娛樂播報，音樂節目，雜志，生活時尚，財經，少兒等。 不同類型的節目要求虛擬場景體現出來的感情基調各不相同。
新聞播報類節目一般很少和其它類型的節目共用演播室，總是有獨立的演播室，而且講究時效性，大多為直播形式，這就要求系統有較高的穩定性，所以大多數用戶都會選擇 UNIX 平臺的系統，但是一般無需很復雜的場景，考慮成本可以選擇二維的虛擬演播室系統，由于二維的系統采用的是預生成的方式，生成完后一般不會有問題，重新生成速度也較快，也可以使用錄像帶把生成好的場景進行廉價的備份。高端用戶可以考慮使用 UNIX 平臺的三維系統，由于此類節目很少會有大的鏡頭調度和切換，在選擇跟蹤方式時可以使用網格 + 傳感器或純傳感器的方式，以節省成本。
專題節目與新聞 播報類節目 相比沒有太強的時間性，但具有更廣泛的社會性。他可以是多機位的， 二維和三維系統都比較適合。 談話的演播室是一間多邊形房間，在主持人和佳賓前面制作遮擋物，也可以是真實的物體。例如一個弧型茶幾，茶幾上很隨意地擺著幾個杯子和一個花瓶，主持人坐在茶幾的后面中間的位置，嘉賓坐在兩邊，頗有主人與客人在自家客廳喝茶、聊天的氛圍。虛擬和現場有三臺角度、高度一致的攝像機，使得談話的鏡頭切換自然、恰當。 嘉賓、主持人同在一個空間。演播室的空間設計目的是讓主持人與嘉賓在一個開放的空間里溝通，攝像在主持人和嘉賓中來回穿插，空間上形成兩面或三面的組成結構。常用中景和近景，全景僅僅起到穿插作用。這樣演播室空間的設計，通過空間這個媒介與節目結合在一起。 演播室布置再加上機位的設計，觀眾在一個節目中可以看到眾多變化，豐富感油然而生，避免了呆板、單調感，避免觀眾對節目過快的厭倦。
生活服務節目，主持人形式使各種內容的轉接平易、自然，嘉賓隨內容變換而不同也使節目有了更大的適應能力。這個欄目對內容有更強的兼容性，是對頻道綜合性質的更好體現，它能適應更多受眾的需求，對觀眾有更大的親和力。這個節目的演播室的背景做成一個客廳，有沙發、茶幾、冰箱、旋轉樓梯等等，很有家庭氣氛。同時可以有四五個家賓，談話很輕松、活躍。
文藝娛樂播報，音樂節目，雜志，生活時尚類節目可以說是目前使用虛擬演播室技術最多，也是最適合的節目類型，這些類型的節目形式多樣化，各個國家，地區，城市由于文化背景不同風格迥異，現在高端的三維虛擬演播室系統基本上已經可以做到所想即所得，完全可以根據自身的特點做出有特色的場景。而且一般這些類型的節目不會要求直播，所以可以選擇相對較便宜的 NT 平臺的系統。在跟蹤方式的選擇上，由于節目的要求較高，可能還需要手提拍攝或借助搖臂，可以根據預算選擇高端的純紅外系統或紅外 + 傳感器或網格 + 傳感系統。
這一類型節目的虛擬背景，主要由畫面和音樂兩大基本元素構成，視覺效果可以夸張、強烈，完全是一種 非現實主義風格，也就是說一種抽象、虛構夢境式的情景的營造。如大塊的色塊和刺眼的光柱，不同角度的光線等等。把音樂的內涵傳遞給觀眾，從而來激發觀眾的審美情趣。 光效在創作過程中，對人物的造型、特定環境氛圍的營造，包括在畫面視覺效果的處理上，應該說有它的獨到之處，也是其它藝術手段所無法替代的。因此，在創意設計中可以將光作為造型藝術的一種重要符號。 類似這樣的場景 采用極度夸張的色彩，奇異的道具，再加上主持人新潮的發型及服裝，體現出先鋒音樂的存在空間。場景效果例如下圖（3）：
圖（3） 音樂類節目虛擬背景實例
財經類節目有其特殊性，一般需要大量的字幕，而且大多數需要直播，但對于場景的要求一般不是很高，所以很多用戶都會選擇一個穩定的系統加一臺字幕機，高端的用戶也可以選擇專門的實時三維圖形系統配合虛擬演播室系統來處理三維字幕。
少兒節目是擁有很大一部分觀眾的節目，越來越多的媒體開始注意到少兒節目的重要性，所以在虛擬演播室的使用上開始有了很大的發展。計算機的開發潛力是無限的，開放的計算機源代碼使得高端用戶可以自行開發基于虛擬演播室技術的插件，其中最為典型的就是有的制作公司已經開發出用于少兒節目的虛擬演播室系統的互動插件，利用傳感器技術與虛擬演播室系統做接口，實現了真人與虛擬場景的互動，做出自己特有節目類型。
除了以上的節目類型外，利用虛擬演播室技術還可以用于拍攝廣告，電視劇，與動作捕捉技術結合做虛擬主持人等多元化的節目。也可以虛實結合，使用一定的實景道具，效果會更加理想。而且，隨著技術的發展，將會有更多新的類型的節目產生。
總 結
虛擬演播室終究不可能完全代替傳統演播室，但是隨著虛擬演播室成本的不斷降低，技術的日臻完善，更多的用戶會選擇虛擬演播室技術來完成適合虛擬演播室系統的節目錄制。對于視頻領域的用戶而言，一味的追求高端的系統或者完全摒棄這項技術都是不可取的，我們要根據自己不同的實際情況，選擇恰當的虛擬演播室系統，科學合理的使用系統，以期發揮系統最大的效能，制作出既經濟，又符合觀賞性要求的節目。
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