虛擬演播室系統(tǒng)

1、虛擬演播室技術(shù)虛擬演播室技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新興而獨特的電視節(jié)目制作技術(shù)，是計算機技術(shù)與視頻技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)與應(yīng)用引起了電視節(jié)目制作中的一場革命。 多年來，傳統(tǒng)的電視節(jié)目制作中大量使用著色鍵摳像技術(shù)，用這種方式將演員的表演與不同的背景混合起來，用于拍攝一些在現(xiàn)場無法拍攝完成的畫面。這項技術(shù)在較長時間內(nèi)被廣泛應(yīng)用，但隨著電視節(jié)目制作技術(shù)的發(fā)展和觀眾欣賞水平的不斷提高，該制作方式所呈現(xiàn)的缺點越來越明顯，它的主要問題是前景演員和背景不能實時地同步變化，這樣會造成視覺上的差異，合成的圖像不真實、不自然，影響了節(jié)目效果。比如在演播室中拍攝人物的鏡頭時，作為前景畫面的演員會隨著攝像機的推、拉、

2、搖、移變化在畫面中形成不同的景別和透視關(guān)系，而作為背景的畫面本身畫幅始終固定不動，即使畫面內(nèi)的內(nèi)容是運動的，另一種情況是演員或主持人的景別不變，但背景中的畫面不斷地變化，前、后景同樣產(chǎn)生了差異，這些都會影響視覺合成的效果。若選用虛擬演播室技術(shù)即能較好地處理上述問題。 1 .虛擬演播室技術(shù)的概念 虛擬演播室技術(shù)的實質(zhì)是將計算機制作的虛擬三維場景與電視攝像機現(xiàn)場拍攝的人物活動圖像進行數(shù)字化的實地合成，使人物與虛擬背景能夠同時變化，從而實現(xiàn)兩者天衣無縫的融合，以獲得完美的合成畫面。由于背景是計算機生成的，可以迅速變化，這使得豐富多彩的演播室場景設(shè)計可用非常經(jīng)濟的手段實現(xiàn)，提高了節(jié)目制作的效率和演播室

3、的利用率；同時使演員擺脫了物理上的空間、時間及道具的限制，置身于完全虛擬的環(huán)境中自由表演。節(jié)目的導(dǎo)演可在廣泛的想象空間中進行自由創(chuàng)作，從而使電視節(jié)目制作進入了一個全新的境界。 .虛擬演播室系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬演播室系統(tǒng)一般由聯(lián)機和脫機兩個部分組成。聯(lián)機部分包括：色鍵合成器和具有藍色前景的演播室；跟蹤系統(tǒng)是能夠檢測和提供攝像機參數(shù)、演員位置的系統(tǒng)；背景生成系統(tǒng)，即能夠根據(jù)攝像機參數(shù)實時形成背景圖像的成像系統(tǒng)；合成系統(tǒng)，即把前景的演員圖像和虛擬背景圖像實時混合的系統(tǒng)。脫機部分一般包括虛擬背景的設(shè)計和生成，如場景中三維模型物體的建立和場景的整體設(shè)計等。 21 攝像機跟蹤系統(tǒng) 虛擬演播室中的一項關(guān)鍵技術(shù)是

4、如何判斷攝像機、主持人、計算機合成場景之間相對位置關(guān)系。攝像機跟蹤器把真實演員及物體與攝像機之間的位置及透視信息送給圖形計算機，然后以攝像機的鏡頭產(chǎn)生虛擬環(huán)境，把真實演員與虛擬場景匹配起來。所謂跟蹤技術(shù)，即指如何獲取攝像機在演播室中的實際位置參數(shù)和動作參數(shù)。目前，獲取攝像機運動參數(shù)的方法主要有兩種：一種是機械傳感器技術(shù)；另一種是圖像分析識別技術(shù)。 A、機械傳感器技術(shù) 此種方式中，在攝像機鏡頭上安裝了傳感器和有關(guān)電子裝置，稱為鏡頭運動參數(shù)編碼器。這是一種精確的旋轉(zhuǎn)編碼器。鏡頭編碼器通過托架與鏡頭上變焦環(huán)和聚焦環(huán)的齒輪緊密咬合， 當變焦或聚焦環(huán)發(fā)生位置變化時，編碼器能夠檢測出上、下、左、右擺動的細

5、微角度并將編 碼輸出。 攝像機的地面位置X、Y及高度Z可用類似的編碼器方式測量，即用相應(yīng)的傳感器檢測攝像機升降和云臺腳的轉(zhuǎn)動，并對其參數(shù)值進行編碼輸出。此方式當需要多臺攝像機同時工作時，每臺攝像機都要配備一套跟蹤系統(tǒng)，為此增加了系統(tǒng)成本；其次，不能使用手持式攝像機，因為攝像機的機械跟蹤系統(tǒng)部分過于龐大、笨重，增加了攝像師靈活使用的難度；再次，機械跟蹤需要對攝像機的鏡頭進行精確的測量校正；最后就是定位，在拍攝之前，需要一個非常耗時的過程才能獲取攝像機的初始位置和方向。 B、圖像分析識別技術(shù) 圖像識別跟蹤技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的，它是對攝像機所攝圖像的畫面過程進行分析和識別來確定攝像機的各種運動參

6、數(shù)。拍攝期間同步控制并檢測攝像機的各項運動參數(shù)，包括位置參數(shù)(X、Y、Z)、水平轉(zhuǎn)動參數(shù)(搖鏡頭)、垂直轉(zhuǎn)動參數(shù)和變焦參數(shù)，這樣攝像機就能在拍攝過程中隨意移動，而且也不需要特殊的攝像機。 在實際應(yīng)用中，一般是在藍色幕布上加一些深淺不同的藍色網(wǎng)格，構(gòu)成大小各異的方格圖案，其正面是傾斜放置的，這種精確的網(wǎng)格圖案以兩種不同的藍色形狀繪制于藍背景上，藍背景整體采用與傳統(tǒng)演播室相同的藍色，因此仍可利用色鍵合成技術(shù)。當攝像機拍攝該圖案后，與計算機跟蹤軟件及硬件預(yù)先確定的模型進行對比，以確定物體與虛擬場景的透視關(guān)系及距離。所以，當啟動攝像機后，系統(tǒng)會對藍背景網(wǎng)格進行定位跟蹤，利用圖像分析的方法檢測出其亮度的

7、變化，通過計算機算出每一幅圖像中由于攝像機運動而引起的水平位移，垂直位移及鏡頭變焦參數(shù)的變化。上述參數(shù)被送入圖形工作站中控制著用計算機制作出的虛擬場景中的攝像機的運動，這樣，在虛擬攝像機中看到的場景中物體的位置及透視關(guān)系與實際攝像機拍攝的完全一致。 選用圖像識別技術(shù)解決了同傳感器的攝像機系統(tǒng)所造成的限制及標準要求，便于攝像師能運用各種攝像機以不同的角度進行拍攝。數(shù)字視頻中包含有大量的數(shù)據(jù)流，需進行數(shù)億次的圖形計算，從而導(dǎo)致了圖形工作站產(chǎn)生的圖像滯后于現(xiàn)場攝像機拍攝畫面7個圖像幀的延遲。為了解決這個問題，虛擬演播室使用視頻和音頻的延遲硬件以達到攝像機圖像和圖形工作站制作的背景圖像間的同步。 其次

8、在拍攝的畫面中必須包含一定數(shù)量的清晰網(wǎng)格(4個以上)才能進行測量計算，這對演員的活動范圍及攝像機的景深范圍造成一定的限制。 兩種跟蹤方式是虛擬演播室常用的獲得攝像機運動參數(shù)的方法，各有千秋。 22 實時背景生成 虛擬演播室技術(shù)除了跟蹤技術(shù)外，另一個主要特點是實時生成的三維背景。虛擬演播室的實時部分需要一個高質(zhì)量的實時背景圖像生成系統(tǒng)，對于背景來說，必須使之與前景聯(lián)動。為了成功地合成一個虛擬的場景，要求虛擬演播室的圖像保持連續(xù)平穩(wěn)的變化，圖形工作站要對視頻畫面以25幀秒(PAL制)的速度處理數(shù)據(jù)流，這樣才能使計算機制作的背景圖像與攝像機拍攝的圖像實時合成。 實時生成背景是指在攝像機運動參數(shù)控制下

9、，背景生成裝置對制作好的背景信號進行處理。實時生成與前景有正確的透視關(guān)系的背景圖像。 23 圖像合成 虛擬演播室實時系統(tǒng)的最終效果要由能將前景和背景圖像混合起來的實時系統(tǒng)合成，在這里仍然采用傳統(tǒng)的色鍵合成系統(tǒng)(摳像)，但卻消除了攝像機不能與背景同步運動的致命弱點。 在進行色鍵合成時，需要注意的是由于前景圖像是在演播室里實地拍攝的，而背景圖像是計算機生成的，二者照明條件不同，需要設(shè)法減少分別制作時因照明條件的差異而產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)感。 虛擬演播室技術(shù)的采用通常需要兩面或3面藍色幕墻再加上地面。為保證鏡頭的靈活使用，照射在藍背景上面的光線要均勻，還要保證色鍵效果最好，應(yīng)使用純正的色鍵藍色，藍背景的空間

10、大小應(yīng)能保證可容納全部道具，并且可以使主持人有足夠的活動區(qū)域。 24 多機位設(shè)置 通常虛擬攝像機和實際攝像機的數(shù)量是相同的，但虛擬背景生成器的數(shù)量與實際攝像機數(shù)量并不需要相同。一般用兩個背景生成器和切換器、色鍵器配合即可完成任意多個攝像機機位之間的切換。 3 .虛擬演播室技術(shù)的優(yōu)點 (1) 增加了節(jié)目的真實感 由于采用虛擬演播室技術(shù)制作的布景是合乎比例的立體設(shè)計，當攝像機移動時，虛擬的布景與前景畫面都會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而增加了節(jié)目的真實感。 (2)通過虛擬演播室技術(shù)制成的節(jié)目能有效地表達新聞信息，增強信息的感染力。由于制作人員的選擇余地大，不必過于受場景的限制，可以充分發(fā)揮其藝術(shù)的創(chuàng)造力與想象力，對于同一節(jié)目可采用不同的虛擬場景。虛擬場景可以是寫實的，也可以是抽象的。 (3)效益顯著 采用虛擬演播室技術(shù)具有及時更換場景的能力，可以不必移動和保留景物，減少演播室空間的占用。虛擬場景可