虛擬演播室系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

1、多年來，演播室的節(jié)目錄制經(jīng)常使用色鍵摳像技術(shù)，將在藍(lán)背景前錄制的前景畫面（如播音員、主持人）與事先制作好的背景畫面經(jīng)色鍵器合成，產(chǎn)生所需的節(jié)目畫面供播出或錄制。使用這種傳統(tǒng)的摳像技術(shù)最大的缺點(diǎn)是在前景和背景合成時，前景和背景的圖像沒?quot;鎖定，也就是說攝像機(jī)運(yùn)動時（變焦、移動、轉(zhuǎn)動），背景無法隨之變化。這樣就造成前景與背景的相對位置關(guān)系不正確，合成的圖像生硬，播音員好像在背景上漂浮，不符合人們的視覺習(xí)慣。為了避免這種情況，就需要對前景與背景在空間上鎖定，即調(diào)整或移動背景使之與攝像機(jī)的運(yùn)動同步。虛擬演播室（Virtual Studio）可以說是應(yīng)運(yùn)而生，成為節(jié)目制作人員關(guān)注的焦點(diǎn)。 一、虛

2、擬演播室系統(tǒng)構(gòu)成典型的虛擬演播室系統(tǒng)是由攝像設(shè)備、攝像機(jī)位置參數(shù)分析和控制、圖形計算機(jī)、背景材料庫和圖像合成等設(shè)備組成。虛擬演播室節(jié)目制作系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖如圖1所示。在藍(lán)背景中的演演員由前景攝攝像機(jī)（真實實攝像機(jī)）拍拍攝，而如圖圖1所示的背背景圖像記錄錄及生成系統(tǒng)統(tǒng)稱為虛擬攝攝像機(jī)。真實實的和虛擬的的攝像機(jī)始終終是鎖定的。因因此，需要確確定真實攝像像機(jī)的位置參參數(shù)，包括攝攝像機(jī)在演播播室中的空間間位置，攝像像機(jī)的運(yùn)動參參數(shù)（傾斜、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動、翻轉(zhuǎn)），攝攝像機(jī)鏡頭設(shè)設(shè)置參數(shù)（變變焦、聚焦、光光圈）。所有有這些數(shù)據(jù)都都被送入計算算機(jī)中進(jìn)行分分析，實時生生成與前景圖圖像保持正確確透視關(guān)系的的背景圖像。

3、然然后，前景圖圖像（包括演演員和真實場場景、道具）與與計算機(jī)生成成的背景圖像像通過色鍵控控制器進(jìn)行天天衣無縫的合合成。輸出的的圖像可以 直接播出或或記錄在存儲儲媒介上。圖1虛擬演播室室節(jié)目制作系系統(tǒng)構(gòu)成二、虛擬演播播室關(guān)鍵技術(shù)術(shù)虛擬演播室技技術(shù)包括攝像像機(jī)跟蹤技術(shù)術(shù)、計算機(jī)虛虛擬場景設(shè)計計和藍(lán)背景技技術(shù)、燈光技技術(shù)和色鍵技技術(shù)等。1.攝像機(jī)跟跟蹤技術(shù)攝像機(jī)跟蹤技技術(shù)是虛擬演演播室中一項項關(guān)鍵技術(shù)，它它可以獲取攝攝像機(jī)在演播播室中的實際際位置參數(shù)和和動作參數(shù)，從從而判斷攝像像機(jī)、演員或或主持人、計計算機(jī)虛擬場場景之間的相相對位置關(guān)系系，幫助系統(tǒng)統(tǒng)實現(xiàn)真實攝攝像機(jī)與虛擬擬攝像機(jī)的鎖鎖定。攝像機(jī)跟蹤

4、要要求有足夠的的精度。以變變焦比為200倍、60萬萬像素的2/3英寸CCCD攝像機(jī)為為例，假定水水平有效像素素數(shù)為8500，最小水平平視角3 5，為為保持1/2像素的圖圖像精確度并并考慮鏡頭特特性，要求角角度定位精度度和分辨率達(dá)達(dá)到0.0001數(shù)量級級。目前，攝攝像機(jī)跟蹤技技術(shù)主要有圖圖形識別和機(jī)機(jī)械傳感兩種種方式。(1)圖形識識別法圖形識別實際際上是一種運(yùn)動估測算算法，它可可以對運(yùn)動畫畫面進(jìn)行精確確的計算，獲獲得攝像機(jī)的的各項運(yùn)動參參數(shù)。實際應(yīng)應(yīng)用一般采用用有淺藍(lán)色網(wǎng)網(wǎng)格圖案的深深藍(lán)色背景板板，拍攝時，系系統(tǒng)會對網(wǎng)格格進(jìn)行定位追追蹤，通過對對每一幅畫面面中許多像素素點(diǎn)亮度信號號進(jìn)行計算，可可

5、以得出畫面面的移動和比比例的變化，用用這個測量值值和運(yùn)動參數(shù)數(shù)建立一個關(guān)關(guān)于像素子集集的聯(lián)立方程程。為了減少少計算誤差，可可以選擇一個個基準(zhǔn)幀，以以之為基準(zhǔn)對對每幅畫面進(jìn)進(jìn)行計算。同同時為了達(dá)到到實時處理，要要求計算機(jī)的的圖像處理速速度達(dá)到500幀/秒。為了避免攝像像機(jī)快速進(jìn)行行左右、俯仰仰搖動時，畫畫面中網(wǎng)格圖圖案變得模糊糊而影響跟蹤蹤效果，攝像像機(jī)應(yīng)使用電電子快門。電電子快門的速速度越快，允允許攝像機(jī)運(yùn)運(yùn)動的速度就就越快。同時時，演播室整整個藍(lán)色幕布布（藍(lán)箱）的的布光要盡量量均勻。當(dāng)攝攝像機(jī)的光圈圈為5.6，電電子快門速度度為1/1220時，網(wǎng)格格圖案的信號號電平應(yīng)達(dá)到到70%左右右，這樣

6、可獲獲得最穩(wěn)定的的跟蹤效果。(2)機(jī)械傳傳感法基于傳感器的的攝像機(jī)跟蹤蹤系統(tǒng)最精確確，傳感器被被安裝在攝像像機(jī)三角架、基基座、升降搖搖臂的搖攝軸軸、俯仰軸上上和鏡頭的變變焦、聚焦環(huán)環(huán)上以及滑軌軌、推車上。它它采集攝像機(jī)機(jī)位置和透視視數(shù)據(jù)，編碼碼量化后通過過RS2332端口或RRS4222端口傳送給給計算機(jī)。(3)兩種跟跟蹤方式的比比較無論是圖形識識別方式還是是傳感器方式式各有其優(yōu)缺缺點(diǎn)。圖形識別方式式的優(yōu)勢在于于：不需要對對攝像機(jī)進(jìn)行行改造，無需需鏡頭校準(zhǔn)，便便于攝像師操操作，攝像機(jī)機(jī)可以不用軌軌道進(jìn)行移動動；一個跟蹤蹤器可同時用用于多個攝像像機(jī)。其不足足之處在于：要對每幅畫畫面進(jìn)行大數(shù)數(shù)據(jù)量

7、分析和和計算，加大大了視頻延時時量；為了精精確的跟蹤，必必須使網(wǎng)格圖圖案保持清晰晰，這使得攝攝像機(jī)景深范范圍受到限制制；只有當(dāng)畫畫面中含有一一定數(shù)量的網(wǎng)網(wǎng)格圖案時，系系統(tǒng)才能進(jìn)行行測量計算，使使得演員的活活動范圍受到到一定的限制制，無法拍攝攝一些特寫鏡鏡頭；由于背背 景有深淺淺兩種藍(lán)色，對對演播室布光光要求比較嚴(yán)嚴(yán)格，對色鍵鍵器的質(zhì)量要要求很高。機(jī)械傳感方式式可以彌補(bǔ)上上述圖形識別別方式的不足足，測量攝像像機(jī)運(yùn)動參數(shù)數(shù)非常精確，旋旋轉(zhuǎn)角度可以以達(dá)到.0001，移動動距離可以達(dá)達(dá)到0.011毫米的精確確度；攝像機(jī)機(jī)運(yùn)動不受限限制，演員在在藍(lán)色布景范范圍內(nèi)的活動動自由度大。但但其缺點(diǎn)在于于：每臺攝

8、像像機(jī)必須有一一個跟蹤器；攝像機(jī)移動動不便，定位位、鏡頭校準(zhǔn)準(zhǔn)復(fù)雜困難。圖形識別和機(jī)機(jī)械傳感是虛虛擬演播室常常用的兩種獲獲得攝像機(jī)運(yùn)運(yùn)動參數(shù)的技技術(shù)，各有千千秋。為了更更方便用戶使使用，目前較較為流行的幾幾種虛擬演播播室系統(tǒng)，在在以某種跟蹤蹤技術(shù)為主的的同時還融入入了另外一種種以及更為先先進(jìn)的技術(shù)，如如紅外線跟蹤蹤技術(shù)、超聲聲波跟蹤技術(shù)術(shù)、輔助攝像像機(jī)技術(shù)。2.計算機(jī)虛虛擬場景生成成虛擬演播室中中的場景、道道具通常都由由計算機(jī)產(chǎn)生生。在常規(guī)演演播室中不可可能做到的復(fù)復(fù)雜而龐大的的背景，甚至至許多現(xiàn)實生生活中人們不不可能見到的的景觀，都可可以在虛擬演演播室中得以以實現(xiàn)。隨著PC機(jī)機(jī)的計算能力力、

9、繪圖能力力和視頻處理理能力的極大大提高，結(jié)束束了SGI Onyx圖圖形工作站獨(dú)獨(dú)霸虛擬演播播室主機(jī)應(yīng)用用的時代，這這樣就給用戶戶有更大的選選擇空間。三維虛擬場景景可以由兩種種不同的方式式產(chǎn)生。(1)預(yù)生成成三維方式這種方式需先先在三維建模模工具中建立立布景模型，預(yù)預(yù)先生成每臺臺虛擬攝像機(jī)機(jī)的視圖畫面面，作為各自自對應(yīng)的真實實攝像機(jī)的虛虛擬背景。一一旦場景模型型建立，攝像像機(jī)的位置也也就確定，不不能再隨意移移動。這種方方式可以產(chǎn)生生比較真實的的三維虛擬背背景，也稱為為二維半。其圖像的的水平和垂直直像素值有一一定的限制，只只能使用2556、5122、10244、15366、20488這幾種數(shù)值值。

10、(2)真三維維方式采用這種方式式建立三維模模型，模型中中的虛擬攝像像機(jī)與演播室室中的攝像機(jī)機(jī)互相對應(yīng)，當(dāng)當(dāng)真實攝像機(jī)機(jī)的鏡頭或位位置參數(shù)變化化時，虛擬攝攝像機(jī)產(chǎn)生同同樣變化，并并實時生成視視圖作為虛擬擬背景。在真真三維方式下下，所有攝像像機(jī)在演播室室中都可以任任意移動。真三維方式與與二維半方式式的最大區(qū)別別在于是否實實時讀取場景景源文件并對對源文件實時時渲染。二維維半采用事先先生成背景和和遮擋掩膜的的圖片文件，而而真三維是讀讀取3D MMax、aaya、Sooftimaage等三維維建模軟件制制作的場景源源文件。二維維半系統(tǒng)的場場景生成比較較簡單，按照照攝像機(jī)機(jī)位位的參數(shù)對背背景圖和遮擋擋掩膜

11、進(jìn)行處處理后生成演演播室背景信信號。而真三三維系統(tǒng)包括括場景調(diào)度、物物體運(yùn)動、燈燈光調(diào)節(jié)、特特殊效果調(diào)節(jié)節(jié)等模塊，功功能更為強(qiáng)大大。從場景設(shè)設(shè)計角度來看看，由 于二二維半系統(tǒng)事事先生成場景景圖片，采用用貼圖的方式式進(jìn)行前后景景的合成，因因此在場景設(shè)設(shè)計方面不受受局限，可以以設(shè)計無限精精細(xì)和無限復(fù)復(fù)雜的場景。真真三維系統(tǒng)是是對場景源文文件實時渲染染，場景精細(xì)細(xì)度和復(fù)雜度度受系統(tǒng)硬件件和軟件的限限制較大。二二維半虛擬演演播室更適于于對實效性要要求高的節(jié)目目制作。而真真三維虛擬演演播室更適于于對靈活性要要求高的節(jié)目目。3.色鍵技術(shù)術(shù)虛擬場景不僅僅有背景，還還有前景，如如桌子、講臺臺等，演員甚甚至可以

12、進(jìn)入入一個虛擬物物體中去。畫畫面中真實的的、虛擬的物物體間的關(guān)系系比較復(fù)雜，要要想實現(xiàn)完美美自然的疊加加，就需要具具有特殊功能能的高級色鍵鍵技術(shù)，因此此，產(chǎn)生了一一種被稱為ZZ軸深度鍵的的新技術(shù)。目目前主要有基基于層次級和和像素級的深深度鍵。層次次級深度鍵技技術(shù)將物體分分別歸類到數(shù)數(shù)目有限的深深度層中去，所所以，演員在在虛擬場景中中的位置無法法連續(xù)變化。像像素級深度鍵鍵技術(shù)把構(gòu)成成虛擬場景中中的每一個像像素都賦予相相應(yīng)的Z軸深深度值。虛擬擬物體、真實實物體和演員員可以動態(tài)地地相互遮擋，從從而增加了虛虛擬場景的真真實感。虛擬演播室色色鍵還要關(guān)注注的一個問題題是消藍(lán)。由于使用用藍(lán)幕背景，因因此環(huán)境

13、反光光會造成前景景物體和演員員身上有一些些藍(lán)色的干擾擾成分，對透透明或半透明明物體更易造造成干擾。這這時，就需要要對前景進(jìn)行行非常復(fù)雜的的消藍(lán)控制，即即遏制削弱藍(lán)藍(lán)色成分，同同時，又不使使前景產(chǎn)生顏顏色失真?，F(xiàn)在，高質(zhì)量量的數(shù)字色鍵鍵針對視頻三三個分量（YY、BY、RRY）的每每一路進(jìn)行處處理，分別產(chǎn)產(chǎn)生一個線性性鍵，并用自自動跟蹤代替替手動切換，這這種方法允許許保留更多的的圖像細(xì)節(jié)。例例如，Ulttimattte的4000型數(shù)字色鍵鍵，它對前后后景作混合而而不是切換，對對前后景分別別處理后相疊疊加產(chǎn)生合成成畫面，這樣樣不會限制整整體信號。它它用特有的算算法產(chǎn)生遮罩罩（Mattte）信號，可可

14、以更好地從從前景物體中中區(qū)分背景。而而且它在用抑抑制襯底及消消藍(lán)的特殊算算法處理前景景的同時，允允許在前景上上再現(xiàn)藍(lán)色陰陰影。虛擬演播室技技術(shù)的發(fā)展是是和數(shù)字視頻頻技術(shù)、計算算機(jī)技術(shù)及其其他相關(guān)尖端端技術(shù)的發(fā)展展息息相關(guān)的的，它在實踐踐中不斷成熟熟，虛擬演播播室系統(tǒng)類型型也得到不斷斷完善，能滿滿足不同層次次的需要，同同時還出現(xiàn)了了一些能實現(xiàn)現(xiàn)特殊功能的的類型，如虛虛擬出席、移移動場景及適適應(yīng)高清晰度度電視的HDD虛擬演播室室系統(tǒng)。虛擬擬演播室已不不僅僅在電視視臺應(yīng)用，許許多氣象臺、企企業(yè)、學(xué)校也也引進(jìn)了虛擬擬演播室，我我們相信，它它將會成為一一種最為有力力的節(jié)目制作作工具。1、虛擬背景渲渲染主

15、機(jī)： 天創(chuàng)UCX 33D虛擬演播播工作原理完成虛擬背景的的渲染輸出工工作，同時采采集傳感跟蹤蹤系統(tǒng)攝像機(jī)機(jī)的運(yùn)動參數(shù)數(shù)，最終的渲渲染輸出相應(yīng)應(yīng)的包括背景景信號和作為為前景遮擋的的鍵信號。 控制攝像機(jī)機(jī)切換模塊，當(dāng)當(dāng)虛擬背景進(jìn)進(jìn)行不同視角角背景切換的的時候，同時時發(fā)出控制信信號給攝像機(jī)機(jī)切換模塊，切切換至相應(yīng)視視角的前景攝攝像機(jī)。 控制色鍵，通通過計算機(jī)軟軟件調(diào)整和保保存色鍵的狀狀態(tài)各項參數(shù)數(shù)。 2、攝像機(jī)機(jī)傳感跟蹤系系統(tǒng)：采用機(jī)機(jī)械光電傳感感跟蹤方式，采采集攝像機(jī)平平搖、俯仰、鏡鏡頭推拉六個個方位的動作作信息。 3、色鍵：完成攝像機(jī)機(jī)前景和虛擬擬背景的實時時合成輸出。 4、切換器器：完成攝像像機(jī)前景信號號的切換工作作，受控于渲渲染主機(jī)串口口信號。