虛擬演播室系統分析

虛擬演播室系統分析

`99中國西部地區電視技術(shù)協(xié)會(huì )技術(shù)論文一等獎

虛擬演播室系統誕生的時(shí)間不長(cháng)，但它的發(fā)展卻比當初人們預料的要快，并迅速成為電視領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )競爭的日趨激烈，業(yè)界人士都在為如何在更短的時(shí)間里，花更少的錢(qián)，做出更多的節目而絞盡腦汁。因此，電視節目制作的效率和產(chǎn)出率必須提高，以適應社會(huì )發(fā)展的需要。而虛擬演播室技術(shù)正是在這一領(lǐng)域進(jìn)入角色。虛擬演播室(Virtual Studio)技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VS，又稱(chēng)虛擬布景技術(shù)。它將攝像機拍攝的圖像實(shí)時(shí)地與計算機三維圖形進(jìn)行合成，從而形成一種新的電視節目制作系統。它具有一些傳統演播室無(wú)法達到的功能和優(yōu)點(diǎn)，它可以更為有效的利用演播室資源，節省大量的制景費用及裝、拆布景所耗費的時(shí)間和人力，這一技術(shù)還使編導、美工人員擺脫了時(shí)間、空間及道具制作方面的限制，充分發(fā)揮其想象力進(jìn)行自由創(chuàng )造，并能完成一些其它技術(shù)做不到的特技效果，為電視制作開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的空間。

一．虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)

色鍵技術(shù)是電視節目制作中常用的技術(shù)。站在藍色幕布前面的演播室主持人由前景攝像機拍攝，在特技機的色鍵電路中，由主持人的畫(huà)面產(chǎn)生鍵信號，在主持人畫(huà)面與背景畫(huà)面進(jìn)行疊加時(shí)，由鍵信號挖去背景中藍色以外的畫(huà)面，而把主持人的圖像嵌插在背景畫(huà)面中，形成了主持人置身于背景畫(huà)面的圖像，這種技術(shù)俗稱(chēng)為“摳像”，在普通的色鍵技術(shù)中，背景畫(huà)面往往是已經(jīng)錄制好的節目。

虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)十分相像，它也是由前景的主持人為主的畫(huà)面和背景畫(huà)面，采用色鍵的方法構成一體，產(chǎn)生人物置身于背景的組合畫(huà)面。然而，在真正的虛擬演播室技術(shù)中，背景是由計算機產(chǎn)生的，計算機接受攝像機的控制，隨著(zhù)攝像機的推拉搖移，改變俯仰角度，計算機相應改變畫(huà)面的大小和角度，并且為了正確再現前景與背景的空間透視關(guān)系，還需對前景和背景實(shí)施空間鎖定， 這種空間鎖定是通過(guò)精確測定攝像機的所有定位參數(包括鏡頭調整參數)來(lái)實(shí)現的。

二、虛擬演播室的原理

虛擬演播室的原理如圖(1)所示，主持人一般是在呈“U”型或“L”型的藍箱里做著(zhù)各種表演，實(shí)際的、或“真實(shí)”的前景攝像機對其進(jìn)行拍攝，背景圖像(畫(huà)面裝飾、道具和風(fēng)光布景)大都是三維立體圖，由制作人員預先用計算機生成(即預先著(zhù)色好)，前景與背景圖像在傳輸或錄制過(guò)程中混合。這種合成圖像的制作方式即被稱(chēng)為“虛擬”。故此，這種圖像攝錄系統也被稱(chēng)為“虛擬攝像機”，與傳統的藍幕色鍵技術(shù)截然不同的是，虛擬演播室技術(shù)中的真實(shí)攝像機(前景圖像)與虛擬攝像機(產(chǎn)生背景圖像)始終保持同步互鎖，為此，必須對真實(shí)攝像機的以下參數進(jìn)行確定：

(1)藍幕背景的X、Y、Z坐標值。

(2)攝像機的俯仰、搖移以及可旋轉角度的數值。

(3)鏡頭的焦距和聚焦。

然后，真實(shí)攝像機的所有上述參數都送入計算機分析，系統對與前景圖像相關(guān)的虛擬背景圖像發(fā)出控制指令。最后，錄有表演者和真實(shí)道具的前景圖像與計算機生成的背景圖像在色鍵控制器里合成為一幅畫(huà)面，傳送至視頻切換臺輸出。

由此可見(jiàn)，虛擬演播室系統可分解為三個(gè)部分：攝像機跟蹤部分、計算機虛擬場(chǎng)景生成部分及視頻合成部分。

1.攝像機跟蹤部分。

攝像機在拍攝過(guò)程中有平移X、縱移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS等變化，這些參數的改變會(huì )引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環(huán)境，計算機必須根據這些參數不斷調整三維視圖。而攝像機跟蹤部分的作用正是收取攝像機的位置信息和運動(dòng)數據，實(shí)時(shí)的跟蹤真實(shí)攝像機，以保證前景與計算機背景“聯(lián)動(dòng)”。由于這種“聯(lián)動(dòng)”是以高速計算機運算的結果，而這種運算永遠是存在著(zhù)一個(gè)運算時(shí)間，所以這種“聯(lián)動(dòng)”是有時(shí)間差的。只是設計者保證使這種時(shí)間差在一個(gè)人眼不易察覺(jué)的范圍之內，因此要求前景攝象機只能在一個(gè)有限的速率內改變位置參數。 目前虛擬演播室的攝像機跟蹤系統主要有以下幾種方式。

(1) 基于傳感器的系統。 該系統通過(guò)安裝在攝像機各部分的機械傳感器來(lái)獲取各種信號參數， 平面X、Y位移傳感器，一般有光電式、機械式和導軌式等幾種，光電式屬非接觸型，誤碼率低，連續性好，且攝像機移動(dòng)不受限制，但必須在攝像機移動(dòng)通道地面畫(huà)上格點(diǎn)，以便識別。機械式屬接觸型，由一個(gè)與地面相摩擦的圓球帶動(dòng)水平、垂直兩個(gè)方向的光電碼盤(pán)，光電碼盤(pán)送出X、Y數據，此方式攝像機移動(dòng)也不受限制，但使用時(shí)間長(cháng)了易產(chǎn)生誤差。導軌式誤碼率低，且必須鋪設軌道，使攝像機的移運受到一定的限制。 高度位移Z傳感器，一般安裝在升降機上，隨升降機的運動(dòng)檢測Z信號。 水平角度和俯仰角度傳感器安裝在攝像機云臺上，并分別與云臺的水平轉軸和垂直轉軸連動(dòng)。 聚焦Focus和變焦Z00M傳感器，則附于鏡頭的聚焦齒輪和變焦齒輪處。 該系統速度很快，方法較為簡(jiǎn)便直接，是目前虛擬演播室最常用的攝像機 跟蹤方式，但該方式有其固有的缺點(diǎn)，比如得到的攝像機參數精度不高，限制了攝像機的運動(dòng)，系統的標定很麻煩等等。

(2)基于圖形分析系統 該方式需要把一個(gè)精確的網(wǎng)絡(luò )圖案以?xún)煞N不同的藍色形狀繪制于藍背景上，通過(guò)攝像機識別這種圖案并與計算機跟蹤軟件及硬件，預先確定的模型進(jìn)行對比，以確定物體與虛擬背景的透視關(guān)系及距離。 該系統精度較高，無(wú)需鏡頭校準，同時(shí)攝像機可以不同軌道進(jìn)行運動(dòng)，但該系統在對藍色網(wǎng)格圖案制作色鍵過(guò)程中的陰影很難處理，很難保持良好的鍵的質(zhì)量，攝像機拍攝不能垂直于藍色網(wǎng)格圖案，必須偏離30度角以上，否則不能準確定位，而且攝像機必須同時(shí)觀(guān)察4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以保持跟蹤，這就不可能對人物進(jìn)行特寫(xiě)鏡頭的拍攝，攝像機必須緩慢移動(dòng)以避免跟蹤混淆引起跳幀。還有一點(diǎn)，此系統需要額外的工作站把網(wǎng)格坐標信息轉換為搖移，俯仰及

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