虚拟演播室的技术特点及布光要求

韩振雷

（山东理工大学 计算机学院传媒技术系，山东 淄博 255049）

虚拟演播室（Virtual Studio）技术是键控抠像（Keying）技术、电脑三维图形技术、摄像机跟踪技术和灯光艺术相结合的产物，可以将摄像机拍摄的现场视频与电脑生成的三维场景或事先拍好的视频素材基于一定的透视关系实时叠加，使人物与虚拟环境同步变化，从而实现两者天衣无缝的融合，获得完美的合成画面。虚拟演播室突破了传统演播室的空间限制，用“电子布景”（Electro Studio Setting）代替了耗材又费时的人工背景和实物道具。电子布景即虚拟场景，不受物理时空的制约，可无限次重复使用，既缩短了节目制作周期，提高了演播室的利用效率，又使画面的表现形式更为丰富，节目内容更为精彩。

1 虚拟演播室的技术特点

1.1 色键抠像技术

色键抠像是一种键控抠像（Keying）技术，可以实时地使背景透明化，然后用计算机生成的三维场景代替原虚拟演播室的场景。最有代表性的三种键控抠像类型是色度键抠像（Chroma Key）、亮度键抠像（Luma Key）和阿尔法通道抠像（Alpha Key），蓝屏抠像（Blue Screen Key）和绿屏抠像（Green Screen Key）是色键抠像的两种子类型。虚拟演播室最常采用的色键抠像是蓝屏抠像，理论上也可以采用绿屏抠像。抠像的下一步，或者说抠像的目的，就是为了视频后期合成。实时渲染软件通过摄像机跟踪数据对抠像后的实拍视频和虚拟场景进行实时合成，形成最终的画面输出。

1.2 同步跟踪技术

在传统的键控抠像技术中，当摄像机镜头运动时，虽然实拍的画面属于运动镜头，但与之合成的背景素材并不发生跟随变化，实拍视频和背景之间缺乏同步动作关系，运动镜头的运动特征虚假、失真。而虚拟演播室技术采用传感器跟踪摄像机的运动，将摄像机的推、拉、摇、移、升降甚至聚焦、变焦等运动参数送入电脑进行运算处理，然后控制电脑生成的三维场景中的虚拟摄像机，使其与演播室中的真实摄像机形成联动关系，从而实现虚拟场景与实拍视频的同步动作。虚拟演播室技术是对传统演播室技术的一次重大变革，广泛地用于天气预报、影视广告和电影、电视剧制作中，其关键技术是摄像机同步跟踪、色键抠像和实时渲染合成。

所谓同步跟踪技术，就是虚拟演播室中的所有摄像机都配有运动检测和识别系统，通过光学或机械定位方式生成描述摄像机运动和镜头透视状态的数据，控制三维场景中的虚拟摄像机在镜头视点和透视关系等方面作同步运动。虚拟摄像机与真实摄像机的初始位置并无直接关系，它可以放在虚拟空间的任意位置，当虚拟演播室中有多台摄像机且进行机位切换时，还必须处理好真实摄像机和虚拟摄像机的数量及空间关系，也就是要对虚拟摄像机进行精确的初始位置锁定。如果一开始不能使虚拟摄像机与真实摄像机在数量及空间位置上形成严格的对等关系，或不能使两种摄像机镜头运动参数的初始量保持一致，那么在机位切换时，观众将会看到人或景物从虚拟背景中的某处突然“跳”到另一位置，这种类似跳切的现象会给人以虚拟、别扭的不真实感。

1.3 空间结构

虚拟演播室中，节目主持人或演员走动或表演的场景空间有“一墙一底”式、“两墙一底”式和“三墙一底”式3种。其中“三墙一底”式俗称蓝箱（Blue Box）或蓝屋（Blue Room），其优点是空间大，摄像机机位受限小，镜头运动范围广。所谓蓝箱就是涂有一层蓝色油漆的由三个墙面和一个地面构成的U型空间，如图1所示。这个蓝色“小屋”连同相关软、硬件系统共同构成了基于U型蓝箱的虚拟演播室。在制作蓝箱时，墙面与墙面及墙面与地面的交汇处要做成半径为30 cm左右的圆弧，使其平滑衔接，看不到边缘交汇痕迹，以保证受光均匀，不出现线状阴影。

U型蓝箱的三个立面和一个水平面都必须染成标准的蓝色，通过抠像处理，摄像机实拍的影像中，所有蓝色的区域将变为透明状态，非蓝色的实景可以保留下来，和计算机生成的三维场景实时合成后，即为我们在电视上所看到的画面。蓝箱的顶面用来设置照明灯具，不用作颜色处理。和正面的背景相对的另一个立面是开放式的，是摄像和视频技术人员的工作区域，如图2所示。

在虚拟演播室的软件系统中，需要一个专门制作三维场景的三维动画软件（如3DS MAX、MAYA等）。在制作虚拟场景时，首先要在软件中建立一个虚拟蓝箱并将真实蓝箱的长、宽、高尺寸及真实摄像机的镜头焦距、视点等参数赋予虚拟蓝箱，然后将每一台真实摄像机的镜头及云台运动参数用传感器转换为电信号送入虚拟演播室主机，以实时控制虚拟摄像机和真实摄像在镜头视点和透视参数上形成联动关系的三维场景。摄像机实拍的视频最初是蓝色非透明的，抠像后背景呈透明状态，和电脑生成的三维场景合成后，最终形成具有真实透视效果及空间关系的电视画面。

另外，虚拟演播室技术要注意处理好虚拟场景的景深问题。当演播室内的真实摄像机推出人或道具的特写时，由于此时镜头处于长焦状态，景深很浅，所以，要求虚拟摄像机的相应镜头参数也要同步变化，使虚拟背景处于恰当的虚焦状态。

2 虚拟演播室的布光特点与要求

虚拟演播室在技术上的独特性，决定了其布光方法与用光方式和普通演播室环境有很多不同之处。

2.1 虚拟演播室的基础光

虚拟演播室的基础光可保证虚拟演区内有一个均匀的基础照度，除满足视频抠像的基本要求外，还可防止人物形象扁平化。人物在演区内运动时，背后都有一定的轮廓光效果，从而使实拍人物和虚拟背景间呈现出一定的层次距离，保证合成画面的真实感。布置虚拟演区的基础光时，要求三个蓝色墙面及地面的照度必须非常柔和、均匀，不得出现光线暗区和死区。一般来说，三个立面的照度宜控制在500 lx ～ 600 lx，太暗抠像效果不佳，太亮会产生蓝光反射，人物接近蓝色墙面时，反射到人脸上或衣服上的蓝光，会导致抠像时产生“抠穿”现象，蓝箱尺寸越小，这种现象就会越明显。由于人物光开启后，蓝色地面的照度会明显提高，所以，由基础光照明所产生的地面照度不用太高，一般能到200 lx ～ 300 lx即可。

除亮度均匀、适中，光质柔和外，基础光是否合乎要求的一个重要标志是人物在虚拟演区内行走时，不得出现可觉察的人物影子，否则，抠像效果会显得不干净，影响合成后的画面质量。基础光灯具一般选用双反射柔光灯、三基色柔光灯或双联天幕灯。使用双联天幕灯时，最好在灯口处加一层柔光纸，否则，很可能会出现明显的光线轮廓，影响抠像效果。

2.2 虚拟演播室的人物光

2.2.1 主要布光原则

虚拟演播室中的人物布光一般采用典型的三点布光方式，即主光、辅光和逆光三种光型的布光。但通常人物的面光明暗对比较弱，布光效果接近平光，以尽量避免人物身上形成灯光投影。为了增强节目的真实感和活泼感，主持人经常在一定范围内处于走动状态，因此，需要在三点布光的基础上进行连续布光，大型的虚拟演播室通常还需要进行分区布光。人物布光中的主光和逆光一般采用螺纹聚光灯，辅光用三基色柔光灯。用螺纹聚光灯作主光时，可能会产生较为明显的人物阴影。人物及道具的阴影是不能通过抠像去除的，如不希望出现阴影，可在螺纹聚光灯前附加柔光纸或全部采用三基色柔光灯。如希望合成的画面中出现阴影，主光可采用光质较硬的灯具，但需要注意实拍画面中的阴影应与电脑生成的场景中主光源的光位相统一，不得出现投影方向的常识性错误。如果虚拟场景中的立面与演播室背景的轮廓形状相差较大，最好通过控制灯具的光位使阴影落在虚拟演播室的地面而不是立面上。如果虚拟场景中无明显的主光方向，实拍画面中最好也不要出现人或道具的阴影。

2.2.2 需要注意的问题

（1）脚下阴影

如灯光布置不当，人物运动时脚下可能会出现阴影，不但影响抠像效果，而且还会使图像产生杂波及闪动现象。解决的办法是在蓝箱体外沿处加装若干个地排灯，以提高人物鞋底和边沿的亮度，削弱人物运动时脚部的阴影，使人物处于运动状态时和虚拟地面的接触更自然、真实。同时，由于地排灯的作用，可使人物的面光变得更均衡、细腻，通过削弱人物身上的初级投影并柔化颈部阴影，增强抠像与合成效果。

（2）逆光

传统的布光原则是逆光强于主光，从而凸显人物鲜明的轮廓光效并增强空间立体感。在虚拟演播室中，如逆光太强，会使蓝箱地面显得亮白而破坏蓝箱色调的一致性，影响电脑抠像效果。如逆光太弱或不用逆光，虽然有基础光的存在，但实拍画面中的人或景物可能和电脑生成的虚拟背景不能充分分离，从而在一定程度上影响到场景的纵深感，不能更为生动地体现人与场景的空间关系。

（3）耳光

虚拟演演播室中通常还需要设置耳光。由于蓝箱的虚拟演播室最终是要把所有的蓝色透明化的，因此，从蓝箱的三个立面反射到人物服饰边缘上的蓝色部分将被抠除掉，使人物边缘出现“黑边”现象。耳光可消除人物边缘上的蓝色成分，从而保证抠像质量。主持人在蓝箱内活动时尽量不要太靠近蓝箱的三个立面，以减轻蓝色反射光的“着色”现象。当然适度降低蓝箱墙面和地面的照度，也是防止抠像时人物边缘出现“黑边”现象的有效措施。

（4）道具

除一般的串联性质的语言类节目外，虚拟演播室也广泛地用于制作文艺类、科幻类、情景类及天气预报、影视广告、电影、电视剧等节目。不管是哪一类节目类型，除主持人及演员外，为了提高场景的真实感，根据节目的内容和形式，往往都会在蓝箱演区内添加一些实景的道具，如桌椅板凳、花卉、装饰品等。抠像处理后，人和道具都完整地保留下来，作为前景元素和电子场景（其他实拍视频或电脑生成的三维场景）合成为最后的播出画面，如图3所示。

在运用虚拟演播室的道具时要注意，道具及人物穿的服装均不得含有蓝色的成分，否则极易出现“抠穿”现象。道具的颜色宜深不宜浅，否则，抠像不干净。道具的照度要与蓝箱背景的照度及虚拟场景的亮度保持在相近的水平上，以保证光照的一致性和真实感。还有一点也很重要，那就是人物的服装和道具的材质不能太光亮，否则，会将蓝色立面甚至蓝色地面上的蓝光反射进摄像机镜头，这同样会导致出现“抠穿”现象。

3 虚拟演播室和普通蓝背景演播室的区别

在电视节目制作中，会经常用到用于普通抠像技术制作的蓝背景演播室，其构造与一般的演播室相同，只是加设一面蓝色的背景墙。制作节目时，不采用摄像机跟踪及实时渲染等技术，拍摄后再进行人工抠像，然后与作为背景的其他素材进行后期合成。蓝背景演播室和真正的虚拟演播室在技术和功能方面有着很大的不同。

（1）技术特点不同

蓝背景演播室由于没有摄像机跟踪及实时渲染技术，不能做到边抠像边实时播出，只能实现“录播”（除非有意保留纯蓝背景），而虚拟演播室的拍摄、抠像、实时渲染与合成是“一气呵成”的，无需后期制作，因而，完全可以实现“现场直播”。

（2）功能不同

蓝背景演播室由于只有一个平面背景，不管是摄像机的推拉摇移动作，还是人物的表演范围都十分有限，范围稍大就会超出蓝背景区域，使色键抠像无法实现，因而，只适合静态人物或活动范围很小的动态情节的拍摄。而虚拟演播室的蓝箱是一个较大的三维空间，允许摄像机和人物有较大的动作范围，可以满足包括情景剧、动作片等多种影视节目的制作需要。

当然，如果先在虚拟演播室的蓝箱环境里进行拍摄，然后在后期进行抠像与合成，也是完全可以的，事实上很多基于抠像、合成的节目也是这样生产出来的。但是，由于放弃了摄像机跟踪、实时渲染等虚拟演播室的关键技术，因此，从技术层面上讲，此时的演播室已经不是虚拟演播室，而是普通的蓝背景演播室了。相较而言，建设虚拟演播室需要的资金投入和技术投入都比较大，制作节目的技术要求非常严格，无疑要加大制作节目的成本，如果只是录制常规的电视节目，普通的抠像技术相对来说更方便适用。

[1]李宏虹. 现代电视照明. 北京：中国广播电视出版社，2005