虚拟演播室技术及应用示例

随着计算机技术与虚拟现实技术的发展，早在20 世纪 80 年代后期，虚拟现实技术已被广泛应用于虚拟演播室。虚拟演播室实质是将计算机制作的虚拟三维场景与现实中电视摄像机现场拍摄的人物活动图像进行数字化的实时合成，使人物与虚拟背景能够同步变化，并使背景的透视关系、灯光等与人物保持一致，从而产生人物与虚拟的三维场景完全融合，创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

虚拟演播室关键技术是摄像机的跟踪与定位， 虚拟演播室现实中专用的数字摄像机通常为两到三个，并配有摄像机跟踪器。而计算机中的虚假摄像机开始和它并无关系，可以放在虚拟空间的任意位置。当现实中数字摄像机的跟踪器将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦、升降等运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“校准器”，并与虚拟演播室中虚拟的摄像机匹配而达到同步。这样在现实中操作摄像 机就相当于在虚拟空间同步操作虚拟的摄像机一样， 达到同时运动同变焦、同步景深变化等效果。

图5-1　虚拟合成输出

有了现实与虚拟同步工作的摄像机，如何让人物也参与到虚拟的场景中？ 目前，多数虚拟演播室采用蓝底（ 或绿底） 抠像技术，即主持人所处的演播室现场是一个蓝色的房间。摄像师只拍摄主持人各种位置 的变化，机位的运动也取决于电脑中建立的三维虚拟场景。最后，计算机合成输出时，则通过色键技术把由现实中摄像机摄取画面中的蓝色作为透明色，将它从画面中抠去，只留下主持人的画面，从而使最底层的三维虚拟背景透出来，达到人物和虚拟背景的融合，如图5-1 所示。

采用虚拟演播室技术，可以想象或模拟出任何现实中难以制作的场景和道具。由于场景的制作、修改、 保存等都在计算机上进行，制作和更换背景快捷简便，缩短了节目制作周期，提高演播室的利用率，这项技术已被各电视台大量采用。

虚拟演播室技术存在的问题之一是对蓝屏抠像是否彻底干净，虚拟演播室所涂成的蓝色十分均匀，才能通过色键把同一数值的颜色去除彻底，然而现实中由于演播室空间大小及离摄像机的远近程度所带来的色差，还由于使用时间长短而产生的背景蓝色板墙局 部退色等原因，使得这一技术使用起来总不尽如人意，抠出的人物边缘总有细小的闪烁，与背景的融合程度大打折扣，而且主持人不能穿着使用任何与蓝色相近色系的服饰和道具。而虚拟演播室技术最大的缺憾是只能在主持人身后产生漂亮眩目的虚拟场景，一切需要置于人物前方的虚拟道具或虚拟角色则无法实现， 于是增强现实技术派上了用场。

增强现实技术最早是 20世纪70年代在游戏领域推广实施，它可以让位于全球不同地点的玩家共同进入一个模拟真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。日本 NHK 电视台早在五六年前就已经把它引入电视节目《气象预报》的直播中。

在我国，增强现实技术用于演播室还是近几年的事情，CCTV5 在 2010 年非洲世界杯期间，最先使用这种新兴技术。以前一直在主持人身后作为背景的体育场馆突然单跳到了屏幕最前，随着主持人的解说，这个虚拟的体育馆还会“转身”并从屏幕前飞出，这让当时屏幕前的观众眼前一亮，大为惊叹，增加了节目的可看性，如图 5-2 所示。

图5-2　豪门盛宴组图

其实这种技术就是从虚拟现实技术扩展而来的。和虚拟现实技术一样，增强现实技术工作时同样要求现实中的摄影机机位以及摄制的过程通过跟踪器和计算机虚拟世界中实时匹配。增强现实技术是在计算机中事先制作出与演播室环境一致的三维场景道具模型，在计算机与现实中摄影机摄制的画面合成输出时，三维动画是加在最顶上一层，即总是处于主持人身前， 由于动画是带 α 通道与人物实时合成，避免了虚拟现 实技术抠蓝屏合成带来的闪烁等缺憾。而且由于现实与虚拟摄像机的一致，这个三维虚拟道具会和主持人有同样的位置和角度的变化，真正达到现实与虚拟的融合。所以增强现实技术比起虚拟现实技术最大的优点就是虚拟的三维场景和模型道具从主持人身后提到了身前，从蓝底抠像时合成输出到 α 通道合成输出。

如今增强现实技术已经从演播室走向大型晚会，这要求晚会现场导演对事先做好的三维动画场景非常了解，对现场摄像机运动控制非常精准，保证每段动画和摄像机配准到位，才能让电视机前的观众看到完美 合成的奇妙画面。如 2013 年在美国杜比剧场举行的第85届奥斯卡金像奖颁奖典礼上，电脑制作的泰迪熊和主持人一同走上舞台，在表演一段搞笑的脱口秀后，给获奖影片颁发奖项，这是事先做好的三维动画虚拟角色与现场摄制的主持人画面的完美合成。当然电视机前的观众对增强现实技术产生的画面看得非常逼真清楚，而奥斯卡晚会现场观众则无“眼福”，看到的只是主持人对着空凳子，一个人自言自语唱独角戏，如图 5-3 所示。

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图5-3　第85届奥斯卡颁奖晚会泰迪熊

2013 年央视的春晚现场，更是把增强现实技术做到了极致，多台摄像机的运动，大量机位的变换，配合各自的三维虚拟动画整体使用，是这一年晚会最大的亮点，如图 5-4 所示。而这场晚会最大的特点是利用环绕现场超大LED背景板，完成了两层虚拟画面和现场节目的合成输出，即三维虚拟画面不但出现在演员 前面，也同时出现在演员脚下、顶上和背后，现场摄影机拍摄的画面是处在两段三维动画层之间，即把事先制作好的三维模型场景渲染出一段相同摄影机位变换的动画放在演员身后LED背景上播出，处于演员身前的部分与现场LED 上播出部分实时合成输出，这样，电视机前观众看到的效果就是从LED背景上连续飞出的图案道具，又继续飞到了现场观众席上，而现场观众则只看到LED背景上有图案在运动。如春晚现场《风吹麦浪》， 演员身后的背景板上播放一段无尽的山峦，脚下的LED则是秋天的麦田，前景则用三维制出秋天的一棵大树，金色的树叶不时从树上飘落，伴随着美丽的蝴蝶上下飞舞，三维虚拟热气球慢慢从天而降，随着演员身后背景板镜头视角从田野移向空中，前景三维树木也向下移动，逐渐被金色的云朵取代，营造出演员是被热气球带到天空中的场景，而现场观众看不见虚拟前景层中出现的树木、蝴蝶、热气球及大片云彩等，如图 5-5 所示。

图5-4　使用增强现实技术节目组图

图5-5　春晚《风吹麦浪》组图

同样在开场节目中，从巨大的LED背景上飞出了灯笼、福字窗花等也是最后合成的效果，如图5-6，现场观众是没有这个眼福的，这就是增强现实技术的魅力。

图5-6　春晚开场歌舞

图5-7　《谍中谍4》

如今增强现实技术已在各大卫视开始普及，它已从当初只受益于游戏玩家推广到电视荧屏前的广大观众，从开始的户内配戴显示器眼镜多人互动游戏，到户外手机追踪定位、参观大型遗址展览等，被戏称为“21 世纪的随身听”。甚至在电影 《谍中谍4》 中也“炫耀”了一把增强现实技术，如图5-7所示，从阿汤哥在迪拜的沙尘暴里用手机追踪目标，到把宝马车的挡风玻璃“变”成巨大的城市地图，还有潜入克里姆林宫文档室的时候，用iPad渲染出一个虚拟的场景，通过摄像机投射在银幕上，让俄罗斯警卫“体验”了一回游戏玩家的滋味等，虽然其中只有手机追踪技术已经实现，相信不远的将来，增强现实技术一定会像电影中展示的一样深入我们日常普通的生活中。