虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬演播室的產(chǎn)生

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可能是我們未來(lái)最主要的技術(shù)之一，它會(huì)在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用甚至使之產(chǎn)生飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)可以定義為三維的、計(jì)算機(jī)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(gè)環(huán)境中的模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供一個(gè)模擬我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境的方式。

由于人類主要是視覺(jué)動(dòng)物，我們對(duì)空間三維圖像的反應(yīng)要比對(duì)平面二維圖像的反映更好。有了虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的三維圖像，我們便能更好地看清事物之間的關(guān)系和趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)跨越了靜止空間。它可以是某一特定現(xiàn)實(shí)環(huán)境的表現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。這種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)電視工作也產(chǎn)生了巨大的沖擊。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和三維圖形軟件等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展，電視節(jié)目制作方式發(fā)生了很大的變化。視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)效果以及人類的思維都可以靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它升華了人類的邏輯思維。虛擬演播室則是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人類思維相結(jié)合在電視節(jié)目制作中的具體體現(xiàn)。

虛擬演播室技術(shù)源于色鍵技術(shù)。之所以稱之為虛擬演播室是因?yàn)樗鼘?shí)際上是把演播室中巳有的視頻技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以計(jì)算機(jī)為主，擺脫了制作實(shí)景的限制，發(fā)揮充分的想象力，用計(jì)算機(jī)繪制出更能體現(xiàn)節(jié)目主題的場(chǎng)景。它的關(guān)鍵技術(shù)是：用攝像機(jī)的位置和鏡頭等變化來(lái)控制計(jì)算機(jī)中的“虛擬攝像機(jī)”，使它的位置和鏡頭變化與“實(shí)際”同步，這樣它所拍攝的“虛擬場(chǎng)景”的鏡頭變化和實(shí)際攝像機(jī)拍攝的主持人的鏡頭變化一致，將他們進(jìn)行色鍵效果處理之后，得到的畫面才真實(shí)自然。

虛擬演播室技術(shù)要點(diǎn)

虛擬演播室技術(shù)包括攝像機(jī)跟蹤技術(shù)、背景設(shè)計(jì)和藍(lán)背景技術(shù)、燈光技術(shù)、色鍵技術(shù)和切換技術(shù)等。

攝像機(jī)跟蹤技術(shù)的重要性
世界上第一個(gè)虛擬演播室系統(tǒng)、可以上下左右運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)基座于1994年問(wèn)世。借助于精確的旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測(cè)出基座上下左右運(yùn)動(dòng)的角度位置。同時(shí)也設(shè)計(jì)出了一種適合EFP/ENG（電子現(xiàn)場(chǎng)節(jié)目制作／電子新聞采集）鏡頭的特殊編碼器。它能精確地測(cè)量鏡頭的推拉和聚焦的設(shè)置參數(shù)。使用這組參數(shù)，就有可能把攝像機(jī)和鏡頭與一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)連接，該計(jì)算機(jī)可以生成背景的每一場(chǎng)，背景制作的應(yīng)用軟件根據(jù)這些參數(shù)來(lái)調(diào)整虛擬攝像機(jī)的位置、方向和鏡頭參數(shù)，使虛擬場(chǎng)景產(chǎn)生對(duì)應(yīng)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(shù)主要有圖形識(shí)別和機(jī)械傳感器兩種。攝像機(jī)跟蹤技術(shù)是指獲取攝像機(jī)在演播室中的實(shí)際位置參數(shù)和動(dòng)作參數(shù)。圖形識(shí)別方式需要一個(gè)畫有特殊網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)色背景幕布。它將攝像機(jī)所拍畫面送到數(shù)字視頻處理器中進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)所拍攝畫面中網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)和透視關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到有關(guān)攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)，以控制虛擬背景的生成。機(jī)械傳感器方式是通過(guò)安裝在攝像機(jī)的云臺(tái)和鏡頭上的傳感器獲取攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)。從液壓搖擺頭上的編碼器得到上下左右位置參數(shù)。編碼器測(cè)量攝像機(jī)上下左右運(yùn)動(dòng)的角度得到其位置參數(shù)，再通過(guò)串行位置接口將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。虛擬演播室所使用的攝像機(jī)鏡頭安裝在一個(gè)特殊的托架上。編碼器和串行位置接口相聯(lián)，可以得到上下、左右、推拉和聚焦四個(gè)軸的參數(shù)。位置參數(shù)的確定是將攝像機(jī)安裝在三角架、云臺(tái)或升降臂上，由三腳架、云臺(tái)或升降臂的參數(shù)決定攝像機(jī)的位置和高度。

虛擬演播室的必備條件：藍(lán)背景和背景的建立
制作虛擬演播室的藍(lán)背景要求背景平滑，還要有空間感，一般是兩面或三面藍(lán)色墻再加上地面。為保證全景鏡頭的使用，照射在藍(lán)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(lán)色。藍(lán)背景的空間大小，應(yīng)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(dòng)區(qū)域。

虛擬演播室中的背景圖像可以是動(dòng)態(tài)的，也可以是靜止的。利用最多的是虛擬場(chǎng)景，也就是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的二維或三維圖形。在虛擬演播室中，首先要對(duì)場(chǎng)景中的所有物體進(jìn)行建模，也就是設(shè)計(jì)物體的外形和尺寸，這與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)很相似：在建立一個(gè)模型的同時(shí)，計(jì)算機(jī)將他們分解成許多個(gè)多邊形，一般是三角形，然后定義一個(gè)輪廓；在每個(gè)多邊形上施加材質(zhì)，可以是簡(jiǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(lái)自攝像機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)建立虛擬攝像機(jī)。一個(gè)三維虛擬場(chǎng)景需要大量的計(jì)算工作來(lái)處理運(yùn)動(dòng)和再生背景。如果背景不是太復(fù)雜，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)就可以控制和操作三維虛擬演播室場(chǎng)景。

鍵信號(hào)處理與圖像合成
色鍵制作的質(zhì)量對(duì)虛擬演播室節(jié)目質(zhì)量影響相當(dāng)大，它除了與藍(lán)背景、制作環(huán)境燈光和攝像機(jī)有一定關(guān)系之外，色鍵器本身的質(zhì)量也會(huì)影響節(jié)目質(zhì)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(jié)目制作。前景與后背景的混合是通過(guò)色鍵合成器來(lái)完成的。使用清晰的、亮度平坦的顏色，這種電子信號(hào)可以被演算以使前景和背景分離，然后把演算后的信號(hào)用于另一個(gè)不同的背景。使用線性鍵可以把前景的陰影取出來(lái)并疊加到背景上。為了保證合成準(zhǔn)確，應(yīng)使拍攝視野中的藍(lán)色幕布處于均勻照明之下。

一般來(lái)說(shuō)虛擬攝像機(jī)和實(shí)際攝像機(jī)的數(shù)量是相同的，但虛擬背景信號(hào)源的數(shù)量與實(shí)際攝像機(jī)數(shù)量并不一定相同。用兩個(gè)背景生成器，兩個(gè)色鍵器就可以完成任何兩個(gè)攝像機(jī)之間疊化效果制作，硬切只需要一個(gè)虛擬背景信號(hào)源。為了完成疊化效果制作，計(jì)算機(jī)通過(guò)編輯接口監(jiān)視切換器的狀態(tài)或從預(yù)演母線上了解下一個(gè)切換的攝像機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行切換。當(dāng)虛擬攝像機(jī)切換之后，切換器就做好了疊化的準(zhǔn)備。

計(jì)算機(jī)技術(shù)參與節(jié)目制作
虛擬演播室系統(tǒng)一般包括兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一套處理攝像機(jī)跟蹤的數(shù)據(jù)，一般采用高配置的微機(jī)、小型計(jì)算機(jī)工作站；另一套是進(jìn)行虛擬演播室的場(chǎng)景制作，用于此種任務(wù)的計(jì)算機(jī)應(yīng)具備以下功能：具有足夠的計(jì)算能力，包括處理多重任務(wù)的能力。可以支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。具有極強(qiáng)的繪畫能力，甚至達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)三維動(dòng)畫制作水平。能夠處理音頻信號(hào)，并具有控制其他視頻和音頻設(shè)備的能力。

虛擬演播室對(duì)燈光的特殊要求
在虛擬演播室節(jié)目制作中燈光所起的作用是十分關(guān)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(dāng)重要。要合理調(diào)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(shí)道具在藍(lán)箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進(jìn)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(zhǎng)度，虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)就應(yīng)有長(zhǎng)的陰影。為了更好地提取陰影，燈光的設(shè)置應(yīng)使陰影處的藍(lán)色電平與背景藍(lán)幕布的藍(lán)色電平有較大的區(qū)別。影子的方向也要和虛擬空間中的光源方向一致。燈光應(yīng)具有真實(shí)性，以防止出現(xiàn)動(dòng)畫效果。在虛擬演播室中，實(shí)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(jì)算機(jī)化，使燈具的狀態(tài)可以存取。

虛擬演播室的未來(lái)與發(fā)展

虛擬演播系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠更有效地表達(dá)新聞信息，增強(qiáng)信息的感染力和交互性。傳統(tǒng)的色鍵對(duì)節(jié)目制作的限制較多。由于色鍵是在二維平面空間運(yùn)作，當(dāng)拍攝的色鍵前景畫面的攝像機(jī)移動(dòng)，不論是變焦、上下擺動(dòng)或左右搖動(dòng)，色鍵的背景畫面都不會(huì)隨前景畫面而相應(yīng)變化。而用虛擬演播系統(tǒng)制作的布景是合乎比例的立體設(shè)計(jì)，當(dāng)攝像機(jī)移動(dòng)時(shí)，虛擬的布景與前景畫面都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而增加了節(jié)目的真實(shí)感。用虛擬場(chǎng)景在很多方面成本效益顯著。如它具有及時(shí)更換場(chǎng)景的能力，在演播室布景制作中節(jié)約經(jīng)費(fèi)。不必移動(dòng)和保留景物，因此可減輕對(duì)雇員的需求壓力。對(duì)于單集片，虛擬制作不會(huì)顯出很大的經(jīng)濟(jì)效益，但在使用背景和攝像機(jī)位置不變的系列節(jié)目中它可以節(jié)約大量的資金。另外，虛擬演播室具有制作優(yōu)勢(shì)。當(dāng)考慮節(jié)目格局時(shí)，制作人員的選擇余地大，他們不必過(guò)于受場(chǎng)景限制。對(duì)于同一節(jié)目可以不用同一演播室，因?yàn)楸尘翱梢源嫒氪疟P。它可以充分發(fā)揮創(chuàng)作人員的藝術(shù)創(chuàng)造力與想象力，利用現(xiàn)有的多種三維動(dòng)畫軟件，創(chuàng)作出高質(zhì)量的背景。

虛擬演播室較真實(shí)演播室所具有的優(yōu)勢(shì)使它具備了廣闊的發(fā)展空間。但是它也存在一定的局限性。除了不能應(yīng)用于各類型的電視節(jié)目制作以外，攝像機(jī)在變焦時(shí)會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)不暢的情況，或者是虛擬物體的形態(tài)、顏色會(huì)給人以生硬的感覺(jué)。這主要是工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題。因此，要順利地運(yùn)作虛擬演播系統(tǒng)，就要加強(qiáng)對(duì)電視工作者的人員培訓(xùn)。從二維平面到三維立體空間節(jié)目制作的轉(zhuǎn)換，需要每個(gè)工作人員重新適應(yīng)自己的崗位。燈光設(shè)計(jì)方面的難度也相應(yīng)增加，不論是虛擬世界還是真實(shí)世界，都需要燈光照明。燈光師除了設(shè)計(jì)燈光外，還要使兩個(gè)世界的燈光互相配合，使之出現(xiàn)和諧的燈光效果。虛擬演播室制作的布景是否真實(shí)，這也同樣需要綜合素質(zhì)的人才。實(shí)景設(shè)計(jì)師通常體現(xiàn)了一定程度的建筑理念，但缺乏計(jì)算圖像的經(jīng)驗(yàn)。而虛擬布景設(shè)計(jì)師有計(jì)算機(jī)圖像知識(shí)，但缺乏建筑學(xué)基礎(chǔ)。因此，虛擬演播室的采用是一個(gè)需要有關(guān)的技術(shù)和人員素質(zhì)共同提高和發(fā)展的系統(tǒng)工程。

目前整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正處于一個(gè)早期和初步的形式。它的發(fā)展與50年代的空間計(jì)劃和70年代的微型計(jì)算機(jī)相似。現(xiàn)在我們才剛剛看到虛擬現(xiàn)實(shí)的潛力。虛擬演播室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，因此虛擬演播室也同樣處于自己的發(fā)展的初期。它目前還存在著技術(shù)方面的不成熟和應(yīng)用方面的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)三維圖像軟件的開(kāi)發(fā)，虛擬電視節(jié)目制作會(huì)更加成熟完善。虛擬演播室與真實(shí)演播室混合發(fā)展是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，它會(huì)使電視節(jié)目達(dá)到最佳的視覺(jué)效果，為電視節(jié)目制作拓展更大的空間。