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浅析虚拟演播室灯光特点与LED灯光系统设计

  近几年来,白光LED光源技术在影视照明得到迅速推广应用。这为电视演播室提供了新一代节能环保、高光效、长寿命的灯具。虚拟演播室作为电视演播室的一种形式,其灯光系统除了具有一般演播室的通性外,还有其特殊的一面。本文以中央电视台第18虚拟演播室灯光系统改造为案例,谈一下LED灯具虚拟演播室灯光系统的设计问题。

  中央电视台第18演播室面积为250㎡。演播室为长方体结构,长边约17m,短边约14 m,设备层高约6 m。演播室内设置一个横跨短边,纵深约10 m,高约4.5 m的U型蓝箱。灯光系统设计内容包括:灯光吊挂系统、调光控制系统、DMX512信号控制系统、LED灯具等几部分。

  一、虚拟演播室的技术特点

  虚拟演播室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。

  虚拟演播室中制作电视节目不需要搭建实际背景,所以不占用演播室制景、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,制作成本有所降低。虚拟演播室中的前景人物,需要一个特殊的表演场地。演员一般是在呈“U”型或“L”型的箱体里做着各种表演(见图1)。箱体是由几面蓝(绿)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,箱体内各板连接处无明显接缝。

  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,从而实现前景人物与虚拟场景的合成。

  实际的前景摄像机对前景人物进行拍摄,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各种运动参数,包括摄像机镜头的变焦、聚焦、摇移、俯仰,以及摄像机机身的X.Y.Z的信息。传递这些信息的方法主要有机械传感、网格识别、红外线传感、辅助摄像机等几种跟踪方法。

  二、虚拟演播室的灯光特点

  虚拟演播室的照度不同于一般演播室,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活性、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。因此,虚拟演播室的灯光要能满足大多数节目制作的要求。

  1.灯光布置特点

  首先是要有适合的灯具和合理的灯光布局;其次是正确调配灯光,确保前景与虚拟背景的照明亮度及方向匹配,实际和虚拟光源之间的同步变化;并且要求炽热的灯具不能影响虚拟跟踪技术的正常运行,在使用红外线传感的演播室尤为重要。

  灯光的布置决定着虚拟背景的真实感,要随时保证灯具的精确调控。实际光线的任何变化都可以被计算机产生的背景检测,来触发虚拟灯光随之变化,反之亦然。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。

  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。

  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。

  2.灯具的要求

  虚拟演播室灯具与传统的演播室基本一致,但也存在一些差异。可在一般演播室灯光系统设计基础上,要适当增加柔光灯的比例。柔光灯发光均匀、阴影小、光效高,能使布光效果更自然逼真。

  3.布光特点

  虚拟演播室布光,与传统的布光方法基本一致,但要注意以下几点。

  布光区域要大。在虚拟演播室,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(主持人)布光不能像新闻类节目一样采用定位的点布光方法,而必须进行大面积区域布光。

  立体布光是关键。传统的新闻类演播室一般都运用三点式布光就能满足要求,而虚拟演播室采用的是色键器消蓝技术进行抠蓝处理。因此,要消除蓝色对前景 ( 主持人 ) 的影响,就必须要有立体布光的理念。

  先前景后蓝箱的布光顺序。柔光灯发光分散,不好控制,前景人物光会对蓝箱上产生一定的影响。布光时,首先对前景布光 达到要求后,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的合理布光。

  蓝箱布光要均匀。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。

  4.光型特点

  面光:虚拟演播室的面光一般要低平使用,布光时要避免产生前景人物身上的初级投影。因为蓝箱反射光作用于阴影,通过计算机处理后,此阴影将会被色键器的蓝消除电路消除,从而影响输出的前景的图像质量。虚拟演播室不建议加主光源,因为如果使用不当,可能出现投影环境的逻辑错误,而出现实际光源与虚拟光源的不一致性。另外,主光源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:传统的布光原则是逆光强于主光,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。太强的逆光,会使蓝箱地面显得过亮过白而破坏蓝箱色调的一致性,影响计算机抠蓝效果;前景在蓝箱地面上的次级投影也会影响计算机的图像处理。而不用逆光或逆光太弱,则前景(主持人)像贴在电子背景上,很死板。因此,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。逆光的过强或过弱都会对画面产生极大的不利影响。

  测光:虚拟演演播室必须加侧光。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被蓝色消除电路去除,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。

  背景光:虚拟演演播的背景光一定要均匀且不要太强。要尽量避免主持人服饰的反射光、透明类道具所产生的杂散光对蓝箱的影响,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。

  三、灯光系统设计

  在虚拟演播室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)。调整真实灯光与虚拟灯光的一致,是增加合成图像效果真实感的一个重要因素。下面所说的是指真实环境中灯光系统的设计。

  1、 灯光吊挂系统

  吊挂系统主要用于悬挂和控制LED聚光灯和LED柔光灯等设备。根据第18演播室的实际情况,设置水平吊杆32套,演播室吊杆的布置见图2。每套吊杆上设置有3个灯光回路、2个DMX512信号回路,每个回路并行2路输出。

  采用电动水平吊杆作为悬挂装置,吊杆杆体采用铝合金型材制造。吊杆由数字化控制台控制升降,可单控,也可多台集中控制(集中控制运行不少于4台)。吊杆上配备上收揽装置,配备机械、电气限位装置,配备防冲顶装置,配备电源紧急切断装置,单个吊杆提升重量不小于100Kg。

  吊杆配备性能可靠的控制系统。控制系统必须安全可靠、技术先进、使用简单、维护方便。操作控制采用数字控制台和备用控制器对系统进行控制。数字控制台操作界面要简洁方便、直观易用。控制系统能监控吊杆的系统参数,控制台可控制吊杆升降到指定位置,具备信息反馈功能:电源过压、欠压、电机堵转、缺相、过流等故障信息以及吊杆高度、限位状态等运行参数可供操作人员能随时了解系统运行状况。

  吊挂系统还应具有以下功能:

  1)具有记忆功能。各个吊杆位置可按场景记忆,能迅速调出满足布光快速需要。

  2)具有应急操作功能。吊杆能够在控制系统失灵时,用手动方式完成应急升降。

  3)具有明显的标识。杆体上吊杆号、灯光回路号、DMX512信号等各种标识明显。

  4)具备上收揽功能。上收揽采用专用扁平柔性电缆,升降灯杆时收置于收缆筐中或其它满足使用功能的电缆收缩装置中。

  2 调光控制系统

  2.1灯光控制台

  演播室设置主备调光控制台,控制台不少于180个控制光路。主备台型号规格配置可完全相同,也可配备不同品牌。

  调光控制台至少具有1个DMX512接口,和1个以太网接口,能支持ART-NET或ACN灯光网络控制协议(可以方便升级到未来统一的灯光网络协议);同时具备可扩展控制更多通道的能力。对调光控制台的具体要求如下:

  1)控制台要设置编辑区和操控区。

  2)具有存储、记忆、重演、跟踪等功能。

  3)要配置至少48个集控推杆,便于分组控制LED灯等受控设备。

  4)要外接至少一个液晶显示屏。

  5)具有至少3个USB接口,可外接键盘、鼠标、打印机等外接设备。

  2.2 灯光控制柜

  灯光控制柜是为使用LED灯具配备的,与过去使用卤钨灯光源可控硅调光立柜有些类似,但它不具备调光功能,只完成为LED灯具提供可远程控制的直通电源。灯光控制柜安装在灯光设备间内。

  根据演播室的光路分布情况,该演播室灯光控制回路配置不少于96路,每路2KW。控制回路可通过DMX512系统和以太网信号及手动完成开关功能,并能够配合调光控制台很方便地控制LED灯具的调光。

  灯光控制柜要满足以下功能要求:

  1)控制柜信号处理抽屉具有双中央控制器互为备份,故障时可无间断切换不影响使用。

  2)控制柜通过DMX系统或以太网与调光控制台连接。

  3)控制柜要反映柜体的工作状况和各回路的运行状态,能得到柜体的运行状态、参数和反馈信息,显示每路输出电流、开关状态等运行参数。

  4)在失去控制信号时,控制柜能够保持最后状态(通\断)不变,直到接受到新的信号指令。

  5)控制柜具备可设置运行状态的控制软件,能根据用户的要求设置控制回路的通断信号状态。如可设置成利用同一个光路控制回路电源的开关和LED灯具的调光等。

  6)控制柜采用磁保持继电器的直通型插件,信号接口采用光耦隔离。

  7)控制柜采用3NPE 400V 50HZ TN-S系统,三相五线制供电系统。

  8)控制柜安全性能要符合国家有关规定要求,并出具有关检测报告。

  3. LED灯具

  演播室灯具应选用光效高、光斑好、寿命长、色温为3200±150K、显色指数Ra≥85的绿色节能LED灯具。

  根据电视演播室设计规范的要求和中央电视台的有关实验数据,演播室垂直照度设计为不小于1500lx,参照灯具光度参数测试报告数据,根据虚拟演播室大面积三维蓝箱的照明特点,可以计算出演播室所需要灯具的数量:聚光灯28台,平板柔光灯24台,反射式柔光灯20台。

  3.1聚光灯

  聚光灯技术要求:

  1)灯具光效不能小于25lm/W;

  2)灯具散热良好,连续工作时光输出稳定,光输出变化要小于5%;

  3)灯具寿命要长,满负荷使用2000h后,光衰不能大于2%;

  4)灯具采用DMX信号调光,调光时色温保持不变;

  5)聚光状态时有效光斑中心与边缘的色温差不能大于10%;

  6)灯具在失去控制信号时,能够保持最后状态(亮暗)不变,直到接受到新的信号指令;

  7)灯具要求具有良好的调光一致性和光源光色的一致性;

  8)灯具带有遮扉装置,遮挡时不能出现光影重叠现象;

  9)灯具不能出现明显的漏光现象;

  10)灯具使用交流供电,电源电压为220~240 V,额定功率不小于200W;

  11)灯具的水平、俯仰运动采用杆控方式,调焦采用杆控调控方式,调节机构应平滑连续,精度高,调焦范围为10°~60°;

  12)灯具噪声演播室环境噪声要求;

  13)灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准,符合GB7000.217《灯具第2-17部分:特殊要求舞台灯光、电视、电影及摄影场所(室内外)用灯具》。

  3.2平板柔光灯

  平板柔光灯技术要求:

  1)灯具光效不能小于35lm/W;

  2)灯具散热良好,连续工作时光输出稳定,光输出变化要小于5%;

  3)灯具寿命要长,使用2000h后,光衰不能大于3%;

  4)灯具采用DMX信号调光,调光时色温保持不变;

  5)灯具要求光场均匀,光线柔和,无明显眩光,用作面光时不能刺眼;

  6)灯具光束角不小于60度,灯具在3m处照度不小于800Lx;

  7)灯具在失去控制信号时,能够保持最后状态(亮暗)不变,直到接受到新的信号指令;

  8)灯具要求具有良好的调光一致性和光源光色的一致性;

  9)灯具馈入电源220~240 V交流电,额定功率不小于100W;

  10)灯具的水平、俯仰运动采用手动调控方式,调节机构应平滑连续,精度高;

  11)每台灯具配备遮光板(格栅)一套;

  12)灯具不能出现明显的漏光现象;

  13)灯具噪声演播室环境噪声要求;

  14)灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准,符合GB7000.217-2008《灯具 第2-17部分:特殊要求 舞台灯光、电视、电影及摄影场所(室内外)用灯具》。

  3.3反射式柔光灯

  反射式柔光灯技术要求:

  1)灯具光效不能小于30lm/W;

  2)灯具散热良好,连续工作时光输出稳定,光输出变化要小于5%;

  3)灯具寿命要长,使用2000h后,光衰不能大于3%;

  4)灯具采用DMX信号调光,调光时色温保持不变;

  5)灯具要求光场均匀,光线柔和,无明显眩光,用作面光时不能刺眼;

  6)灯具光束角不小于80度,灯具在3m处照度不小于500Lx;

  7)灯具在失去控制信号时,能够保持最后状态(亮暗)不变,直到接受到新的信号指令;

  8)灯具要求具有良好的调光一致性和光源光色的一致性;

  9)灯具馈入电源220~240 V交流电,额定功率不小于200W;

  10)灯具的水平、俯仰运动采用手动杆调控方式,调节机构应平滑连续,精度高;

  11)灯具不能出现明显的漏光现象;

  12)灯具噪声演播室环境噪声要求;

  13)灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准,符合GB7000.217《灯具 第2-17部分:特殊要求舞台灯光、电视、电影及摄影场所(室内外)用灯具》。

  结束语

  中央电视台第18演播室改造为全LED灯具后,已经安全运行了2年多的时间。实践证明,用符合技术要求和满足功能条件的LED灯具完全能够满足电视节目制作照明的需求,它不仅节约了能源,还提高了运行安全。LED节能环保、长寿命的特点,大大降低了演播室灯光的运行成本,LED低能耗、高光效的优势,为演播室的安全运行奠定了很好的基础。

 

编辑:Cedar

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