虚拟演播室灯光系统的设计

【来自武汉珂玛影视灯光科技有限公司】

虚拟演播室灯光技术是电视演播室的一种形式，是将现场实时视频与计算机三维图形所创造的虚拟场景通过色键处理，完美地融合在一起的一种新型电视节目制作系统。

一、虚拟演播室的概念
  虚拟演播室灯光是通过虚拟的场景与真实的人或物合成电视画面的一种制作形式。其实质是将计算机制作的虚拟三维场景与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，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面。

  虚拟演播室技术包括色键技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和摄像机跟踪技术等。视频色键器对摄像机获得的前景信号与虚拟演播室系统产生的背景信号进行处理，从而实现演播主体（播音员、演播人物等）与虚拟场景的合成。

  蓝背景技术的背景（蓝箱）可以是蓝色也可以是绿色，这主要考虑人的肤色和背景要求，黄种人用蓝背景更好处理些。

  摄像机拍摄的主持人在带识别标志的蓝(绿)屏前表演的视频图像，一路送数字图像处理部分，实时获取运动摄像的内外参数，另一路送视频延时器，以保证前景与虚拟背景在合成时严格同步；其输出送数字色键器，从带识别标志的主持人图像中去掉识别标志和蓝背景部分，并给出描述前景与虚拟背景融合比例的键信号。三维虚拟场景制作、发生工作站既能根据节目需要制作虚拟场景，又能借助三维加速卡在摄像机运动参数控制下实现变换场景；视频源1送入虚拟场景发生器，显示在虚拟场景中的虚拟大屏幕电视墙上，视频源2送入多层图像合成器，可以制作出众多的特殊效果。从以上系统结构中可以看出，虚拟演播室主要包括三个部分:摄像机运动参数的获取和实时计算、实时色键计算、三维虚拟场景实时生成和输出。

  虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的主持人看起来完全沉浸于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

 在虚拟演播室系统中，摄像机的工作状态信息传送给图形工作站，计算机依此得到前景物体与摄像机之间的距离和相对位置，从而计算出虚拟场景最适宜的大小、位置， 并按要求计算生成虚拟场景的三维模型。现场视频采用色键原理，将演员在蓝色背景前的表演，利用切换台上的色键功能从蓝色背景中分离出来，实时地与计算机产生的三维模型完美无缺地集成在一起，构成一个现实中不存在的，但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛，最终得到把将实拍的人物与虚拟景物无缝地融合起来的画面。

  前景人物一般是在呈“U"形或“L”形的虚拟蓝箱里做着各种表演，实际的，或“真实”的前景摄像机对其进行拍摄，背景图像(画面装饰、道具和风光布景)大都是三维立体图，由制作人员预先用计算机生成，前景与背景图像在传输或录制过程中混合。

 与传统的蓝幕色键技术截然不同的是，虚拟演播室灯光技术中的真实摄像机(前景图像)与“虚拟摄像机”(产生背景图像)始终保持同步互锁，为此，必须确定真实摄像机的俯仰、摇移、旋转角度，镜头的调焦和聚焦等数值。      

                

二、虚拟演播室的跟踪技术

  在虚拟演播室中，摄像机为了获取摄像机运动的七个参数，分别是摄像机的变焦、聚焦、摇移、俯仰，以及摄像机的X.Y.Z的信息。主要有以下几种跟踪方法。

(一)机械传感方式

  在摄像机水平和俯仰运动的云台上安装机械式的传感装置，用来跟踪每个方向上的运动。通过机电传感器获得摄像机的方向信号，用跟踪变焦和聚焦的传感器安装在镜头上与齿轮咬合，跟踪变聚焦参数，跟踪系统将跟踪数据发送到用于图形渲染的计算机中。

 工作原理是系统直接将机械运动转换成电子脉冲并进行处理，再将处理后的数据传送给虚拟演播室系统。具体又可分成机械云台和电动云台两种工作方式。

  机电跟踪系统的主要优势是：高可靠性、高精度、高准确度(摄像机参数角度精度为0.001°，位移精度可达到0.01mm)；安装简单，操作方便；摄像机可以自由摇移、俯仰、变焦和聚焦，也可以结合导轨、升降台、吊臂进行拍摄；支持多台摄像机；获取跟踪数据没有延迟。

  缺点:安装成本高，机械云台校正时间较长，跟踪系统重启后，需进行演播室校正；增加摄像机时，须增加相应的跟踪装置；摄像机只能进行一定程度的运动(PTZF), 采用PTZF云台的系统，拍摄过程中摄像机位置不能移动，摄像机位更换后须重新进行演播室校正。

(二)网格识别系统

  在涂有蓝色色键漆的蓝箱上绘制特定模式的网格，通过计算机分析前景摄像机所拍摄的视频信号中的网格，来计算出摄像机的每个运动参数。

   它是以摄像机获取的图像为基础进行处理的系统，可分为模式识别和背景图像识别两种方式。而两者都需要对摄像机运动前后拍摄的图像进行边缘处理、图像模块匹配、透视关系变化分析等计算， 以得出系统所需的机头运动、镜头运动和机位位置等参数。这些工作通常是逐场进行的。数字视频包含大量数据流，须要进行数亿次图形计算，一般使用图形工作站来处理数据，延迟较大。

(三)红外线传感摄像机跟踪系统

  红外跟踪分被动和主动两种工作方式。

  被动方式用户需要在蓝幕上方安装一套可以发射和接收红外线的红外摄像机对准演播室，摄像机顶部还需安装红外线反射球。通过对反射回摄像机的红外线进行图像处理，以确定摄像机的位置和方位。镜头信息则通过安装在镜头上的机械编码器传回。

  主动方式工作原理与被动方式类似，只不过系统以动态红外发射器替代了安装在摄像机顶上的红外反射球。

  这种系统的优点是，一旦系统搭建好，即可迅速重新定位和校正；增加机位时成本较低；摄像机可自由运动，不受任何限制。缺点是，覆盖范围小，容易受到红外反射面的影响；对演播室高度及可支持的机位数有一定的限制；红外摄像机与接收器之间不能有遮挡，所以对道具放置的要求比较苛刻;对镜头运动的支持精度不及机械方式的镜头编码器;需要在摄像机上安装传感装置，可能会对其他设备如提示器的安装产生影响。

(四)辅助摄像机跟踪系统

  在演播室摄像机上安装一台小型摄像机，镜头正对天花板，在天花板上装满20cm的圆形图案编码盘，编码盘间距1m。拍摄时，至少要拍到4个编码盘，来确定摄像机的位置和方向，
  这种方式的缺点是价格高，对环境有一定要求，摄像机变焦和聚焦要用机械传感器来测量校准。优点是摄像机拍摄范围能够大于360度，图像2帧延时。

(五)混合系统

  混合系统实际上就是采用多种跟踪技术的综合系统。从某种角度讲，红外系统也是混合系统——它将红外跟踪方式与机械编码器结合起来使用。大多数混合系统依据一种系统提供位移和方位参数，利用另一种系统获取视角镜头参数。混合系统通过结合不同的跟踪系统来提高跟踪的精确性和可靠性。比如，机械跟踪和红外系统结合，可获得更大的拍摄自由度，同时能保证变焦范围较大时由机械云台提供参数的精确性。
  虚拟演播室无论是采用哪种跟踪方式，其目的都是要确定摄像机的位置及运动参数。再把所有参数经过处理后传送到用于渲染虚拟背景的图形工作站中，运用这些参数使其输出的背景画面根据摄像机运动而相应运动，实现前景(要根据实际情况作相应延时)与背景实时叠加，使之天衣无缝地合为一体，合成效果逼真立体感强的图像。

三、虚拟演播室的特点

虚拟演播室与传统演播室比较，有下列一些特点。

(一)为编导提供更广阔的创作思维空间

虚拟演播室拓宽了编创人员的想象空间，不受实际物理条件、时空条件如节目的可拍摄性、可制作性的限制。虚拟场景可以是真实的模拟，也可以是想象中的虚构世界，制作出真实演播室无法实现的效果。

(二)不需要搭制真实背景

在虚拟演播室中制作电视节目不需要在演播室内搭制实际背景。不需要搭建实景就不占用演播室搭景、拆景时间，省去庞大的道具仓库，缩短了节目制作周期，节约了人力、物力、财力。制作成本大幅降低，周期大幅缩短。但是虚拟场景的制作费用还是较高的，但随着技术的提高系统的完善，费用会有所降低。

(三)虚拟场景可共享和重复使用

虚拟场景是通过计算机软件制作完成的虚拟场景，它可重复使用，并可根据导演的创作意图对虚拟场景进行任意的修改和补充，可更方便地更换虚拟场景，使各档节目能够连续录制，提高了演播室利用率。虚拟场景能随时修改，反复利用。场景文件的交换， 传送也极为方便，可有效实现虚拟场景的共享。随着网络传输技术对虚拟演播室的支持, 地域条件对电视节目制作的限制也不复存在，甚至可两地、数地同时同制一台节目。

(四)空间无限真实感较强

虚拟演播室中人物在虚拟场景中的活动能够做到与在实景中一样的效果。巧妙地运用虚拟演播室，可在小的演播室拍摄出大场面、大气派、令人感觉耳目一新的场面，但这需要在节目制作过程中全体制作人员的密切配合。虚拟制作可以引入大量虚拟特殊环境与道具，因此可创作出更丰富、更吸引人的节目，使导演在很大程度上摆脱了时间、 空间和道具制作方面的限制，获得了更大的创作的想象空间，能够以低廉的成本产生新奇的视觉效果。

(五)特别的蓝色箱体

虚拟演播室中的人物演区，需要一个特殊的场地，即由几面蓝板组成的一个半开放式的“蓝色箱体”。并且要求各面蓝板的交界处为圆弧面连接，箱体连接处无明显接缝。

(六)虚拟演播室灯光特点

  合理布置灯光，使前景与虚拟背景的亮度及方向匹配，实际和虚拟光照同步变化。 理想情况下，实际光线任何变化都可以被计算机产生的背景检测到，并来触发虚拟灯光随之变化，反之亦然，色键控制器也会同步取出适合新的灯光状况的设置。
  演员及真实道具投下的影子也要一起进入虚拟空间，为了更好地拾取阴影，灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大的区别，影子的方向也要和虚拟空间中的光源方向一致。
  灯光的布置决定着虚拟背景的真实感，有些实时的灯光效果也是很难做到的，必须要事先认真处理，如追光造成摄像机到光束方向上虚拟景物的光线变化，就很难实时地实现。仔细观察虚拟画面会感觉到一些不“真实”的痕迹。
  一般来说，虚拟演播室的灯光技术能满足大多数节目制作的要求，但还有待于新技术的支持。灯光控制的智能化，是保证灯具状态的精确适时控制的基础。
  根据虚拟演播室视频技术对“蓝色箱体”照明的要求，活动区域内的灯光照度一般要求要均匀，光线要柔和，不能有明显的光斑和灯的影子，也就是说蓝箱四个面的照度值应基本一致。因此在蓝背景区域内，不仅需要顶部悬挂灯具，沿墙面和地面也需要增加一些灯具。

  虚拟演播室对人物光的要求与传统演播室基本一致,一般依照三点布光的原则进行 布光，所不同的是要注意人物的光影关系要于虚拟背景的一致性。

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四、虚拟演播室的工艺设计

虚拟演播室的工艺设计包括蓝箱设计和灯光系统设计。

(一)蓝箱设计

  虚拟演播室一般设置有两个立面和地面构成的“L”形蓝板区，或三个立面和地而围成的“U”形蓝色箱体。

   录制节目时人物可在蓝色箱体内根据虚拟场景提供的景区范围进行活动和表演，摄像机的镜头跟随人物的移动进行“推”“拉”“摇”“移” 等动作。从现场合成的电视虚拟图像中，主持人如身临其境的在景区中运动，真实感很强。

在虚拟演播室中，考虑到拍摄对象运动及摄像机运动，蓝箱设计要考虑以下几方面。

1.蓝箱大小

蓝箱的大小并无严格规定，主要取决于虚拟演播室的用场。如果拍摄对象数量少， 且其活动范围不大，那么蓝室的物理尺寸就小；’如果拍摄对象数量多，且其活动范围较大，那么蓝室的物理尺寸就应该大。

2.蓝箱形状

  有背景，有边墙，有地板才能称其为蓝箱。为了使演播室布光容易，正面墙面角的角度应大于90度，以避免光线在墙壁间相互反射。蓝箱的墙地角避免用折角，应用圆角，有助于减少灯光的明暗差异，会使保留阴影变得更容易，否则，需要在键控器上进行额外的调整来均匀明暗差异，这将使保留阴影变得困难。

3.蓝箱颜色

蓝箱的颜色不一定局限于蓝色，也可以是红色、绿色，甚至是其他颜色。然而使用蓝色的确有几个优点:蓝色可以很好地补偿皮肤色，并能更好地保存皮肤色，特别是对黄种人更加适合;心理学研究表明，人对蓝色的反感程度要次于绿色，演员及播音员在 蓝色环境中工作会比在红色、绿色环境中工作更舒适。

(二)灯光系统设计

  要得到真实感极强的前景与背景合成图像一个非常重要要素就是灯光。在虚拟演播室灯光系统中有两套灯光布置：蓝箱中真实灯光布置及虚拟场景中虚拟灯光布置(虚拟灯光是用计算机技术模拟真实的灯光效果，如同真实世界中产生真实感极强的模拟阴影、反射、折射等光影效果)。实际应用时要注意:

  蓝箱中真实灯光要均匀照亮蓝箱，才便于抠像，得到良好抠像效果；

  调整真实灯光与虚拟灯光强度和方向一致，以保证前景与背景具有一致照明亮度和 方向。这是增加合成图像效果真实感的一个重要因素。

1.灯具的要求

与传统演播室基本一致，但也存在一些差异，可以参照传统演播室灯光系统设计要点，但要适当增加柔光灯的比例，基本以柔光灯为基础。这种灯光斑角大、发光柔和均匀、阴影淡，光布在主持人脸上自然而逼真。 虚拟演播室的照度不同于传统演播室，它要求前景与蓝箱背景照度相匹配、追求光照的一致性。另外，虚拟演播室栏目的灵话性、电子背景的多样性也要求照度必须满足不同栏目、不同电子背景的需要。

2.布光特点

虚拟演播室灯光布光与传统的布光方法基本一致，但要注意以下几点。
区域布光:为了增强节目的真实性，活泼性，主持人都会有一定的活动区域，因此， 对前景人物布光不能像新闻类节目一样采用定位的点布光方法，而必须进行区城布光。
立体布光:根据虚拟演播室技术色键器消蓝技术的特点，要很好地消除蓝光对前景人物的影响，必须加强立体布光效果，多使用轮廓光处理技术。
布光顺序:先前景后蓝箱顺序。因为柔光灯发光面积大，对前景人物布好光后，必将在蓝箱上产生一定的光照度。在前景照度符合要求后，再对蓝箱进行适当补光就能满足计算机抠蓝的要求。前景与电子背景完美融合的关键在于前景与蓝箱科学而合理的布光。
蓝箱布光:蓝箱的布光既要均匀，又不要太强，要根据虚拟场景的实际情况认真调整。
面光布置:面光低平避免产生身上的初级投影。蓝箱反射光作用于阴影，通过计算机处理后，会被色键器的蓝消除电路消除，从而影响前景人物的图像质量。不建议使用主光源硬光，如果使用不当，可能出现实际光源与虚拟光源不一致的逻辑错误。另外，硬光在蓝箱上产生的次级投影也会影响计算机的图像处理。
逆光布置:传统的布光原则是逆光强于面光，从而凸现主持人鲜明的轮廓，增强空间立体感。虚拟演播室必须注意逆光的合理使用，逆光太强，会使蓝箱地面过亮破坏蓝箱色调的一致性，影响抠蓝效果，前景人物在蓝箱地面上的投影也会影响计算机的图像处理；逆光太弱，会使前景人物像贴在电子背景上，缺少立体感会很死板。逆光的合理使用能很好地体现人与场景的关系，从而加强纵深感，增强三维立体效果。
侧光布置:虚拟演播室必须加侧光。因为虚拟系统中的色键器采用蓝色消除电路，由蓝箱反射光作用于主持人衣物边缘上的蓝色调将蓝色消除电路去除，出来的主持人边缘变黑。因此必须加侧光以消除主持人衣物边缘上的蓝色成分。
 消除散射光，尽量避免主持人服饰反光、透明类道具所产生的折射光对蓝箱的影响，蓝箱上的高亮点会造成合成图像的背景部分出现雾状影像。

武汉珂玛影视灯光科技有限公司，专攻“演播室灯光”19年，在全国电视台，大专院校，企事业单位，做出了惊人的成绩5580个案例，分别应用在：演播室，会议室，录播教室，直播间，摄影棚场景中。  

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                                                          2021年01月26日