虚拟演播室技术总结

虚拟演播室技术总结

拟演播室的前身今世

虚拟演播室是由传统的色键技术发展而来。它可以把现场视频与计算机影像实时地无缝地合成在一起，是对传统的电视演播室技术的一次重大变革。本文讨论了虚拟演播室系统的原理，技术途径以及当前所面临的问题。

在现代社会中，随着电视成为最广泛的大众传播媒介和娱乐工具，电视观众对于电视的欣赏口味正在不断提高，而且，对于电视制作及电视技术也提出了更高的要求。为满足这种电视制作的要求，电视技术迅速的向数字化、多媒体方向发展，虚拟演播室技术已成为近年来的新热点。实际上，虚拟技术早已在军事、科研、气象、建筑等领域广泛应用，而进入电视、电影制作领域还只是近几年的事情。如电影《侏罗纪公园》、《阿甘正传》，在其后期制作中，将实拍的人物与电脑绘制的虚拟景物有机地结合起来，给观众以全新的视觉享受。但这种需要大量时间进行后期合成的方式无法满足现代电视生产周期短、时效性强的需求，因此虚拟演播室技术应运而生。

虚拟演播室技术一经问世，便被电视制作领域认可和接受。在韩国总统选举和美国总统选举的电视转播中，电视观众已看到采用了RT-SET虚拟演播室所带来的耳目一新的转播效果。现在，全球已有数十家电视台及制作公司采用了虚拟演播室。这一技术使电视导演可以摆脱时间、空间及道具制作方面的限制，在广泛的想象空间中进行自由创作。虚拟演播室是建立在高速图形计算机和视频色键基础上发展起来的演播室技术。在虚拟演播室系统中，现场视频可以实时地与计算机产生的三维图形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，并可极为灵活地根据用户需求进行定制。一台工作站可与多台摄像机连接，摄像机可在虚拟演播室中随意移动，它

突破了传统布景、道具、灯光、场地等演播室制作工艺的限制，虚拟模型可使用户在布景、拆景及贮存道具方面节省大量开支。同时，用户还可以通过建立三维模型得到真实道具所不能达到的特殊效果。技术制作人员可以利用鼠标器来激活或改变场景中的任何事物。虚拟演播室无需很大，可是却为制作人员提供了无限的自由创造空间。无疑，虚拟演播室可以极大地提高电视台对节目的创作和制作能力，对开拓电视节目空间，降低节目制作费用有着十分重要的意义。因此，受到了影视界，特别是电视节目制作人员的青睐。

二、虚拟演播室技术

虚拟演播室除了传统演播室所具有的装置外，还必须有能获取摄像机运动参数的摄像机运动跟踪系统以及能实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。最后，来自摄像机的前景和生成的背景在色键合成器中合成并输出。

1 摄像机运动参数的获取

摄像机的运动参数包括镜头运动参数(变焦zoom;聚焦focus;光圈zris)，机头运动参数(摇移pan;俯仰tilt)，及空间位置参数(地面位置X、Y和高度Z)等。这些参数的获取对虚拟演播室系统来说是至关重要的，它可直接影响到虚拟背景的生成。目前有两种方式可获得摄像机的这些运动参数，即机械跟踪方式和图像分析识别方式。

1)机械跟踪方式

这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据，它通常被安装在三角架或基座之上。为测量摄像机的镜头运动参数，需要在摄像机镜头上安装附加装置。这个装置中包含有传感器和有关电子装置，称为镜头运动参数编码器。这是一种精确的旋转编码器。镜头编码器通过托架与镜头上变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合。当变焦环或聚焦环发生位置变化时，编码器能够检测出上、下、左、右摆动的细微角

度并将其编码输出。信息数据通常通过一些串行接口类型如RS-232或RS-422传送给计算机。

摄像机的地面位置X、Y及高度Z也可用类似的编码器方式测量，即用相应的传感器检测摄像机的升降和云台脚的转动，并对其参数值进行编码。X、Y及Z 跟踪器允许传感摄像机上、下、左、右全方位的信息，可以装在滑轨或升降架上。不过，用这种方式测得的X、Y参数精度较低;另有一种测量X、Y参数的方法是读条码法。这种方法要求在云台上安装一个专用广角摄像机，同时在演播室一面墙的底边安装有条形码板，通过广角摄像机扫描条形码可测量出摄像云台在演播室中的绝对位置。这种方式精度较高，但缺点是必须保证条形码处于广角摄像机的视野范围之内，否则就无法确定位置。有些系统可同时使用两种方式确定X、Y位置，即当广角摄像机能拍摄到条形码时，采用读条形码法，而当广角摄像机无法拍摄到条形码时(例如中间有遮挡物)，则自动转到对云台脚轮转动的编码方式。利用机械跟踪方式有许多优点，

主要有:

(1)测量摄像机参数可以达到非常精确，旋转角度可以达到0.001?，移动距离可以达到0.01毫米的精确度，工作稳定，数据处理时间短。

2单颜色蓝背景，无需用户绘制背景墙，很容易照亮蓝色背景而不用担心照亮网格。摄像机运动不受限制，因此允许摄像机有更好的拍摄角度;演员更容易接受虚拟场景。演员在蓝色舞台范围内可以任意速度自由活动，不受限制;自由使用真实的蓝色支持道具，不用担心遮挡网格。

(3) 跟踪数据没有延时。可以60Hz速率进行摇移、俯仰及变焦，无需额外的工作站处理跟踪信息。

(4) 在合成拍摄过程中可以很容易处理阴影，无需进行额外的修补不足之处。

同时机械跟踪系统也有许多缺点，由于这种方式必须在摄像机镜头及云台上安装专用编码器，使得演播室中可使用的摄像机的种类及数量受到限制，一般只限于ENG/EFP型，并且每台摄像机必须有一个跟踪器;其次，不能使用手持式摄像机，因为摄像机的机械跟踪系统部分过于庞大、笨重，增加了摄影师灵活使用的难度;再次，机械跟踪需要对摄像机的镜头进行精确的测量，校正困难;最后就是定位，在拍摄之前，需要一个非常耗时的过程来获取摄像机的初始位置和方向。

2)图像分析识别方式

机械跟踪方式是直接对摄像机的各种运动参数进行测量，而图像分析识别方式与之截然不同，是利用图像分析识别技术在拍摄期间同步控制并检测摄象机的各项运动参数，包括位置参数(X、Y、Z)，水平转动参数，垂直转动参数和变焦参数，所有这些参数都被转化成位置参数，这就使得摄像师能够在拍摄过程中随意移动摄象机，而且也不需要特殊的摄像机。目前已在使用的一种在蓝箱正面有用浅蓝色组成的网格图案，而且正面是倾斜放置的。这种

精确的网格图案以两种不同的蓝色形状绘制于篮背景上，蓝背景整体采用与传统演播室相同的蓝色，因此仍可利用色键合成技术。摄像机拍摄这种图案后，与计算机跟踪软件及硬件预先确定的模型进行对比，以确定物体与虚拟场景的透视关系及距离。所以，当启动摄像机后，系统会对蓝背景网格进行定位追踪，利用图像分析的方法检测出其亮度的变化，通过计算机计算出每一幅图像中由于摄象机运动而引起的水平位移、垂直位移及镜头变焦参数的变化。这些参数被送入图形工作站中，控制着用计算机制作出的虚拟场景中的摄像机的运动，这样，在虚拟的摄像机中看到的场景中的物体的位置及透视关系与实际拍摄的摄像机完全一致。这种图像识别技术解决了用传感器的摄像机系统所造成的限制及校准要求，便于摄影师能运用各种摄像机以不同的角度进行拍摄。数字视频中包含有大量的数据流，需进行数亿次的图形计算，从而导致了图形工作站产生的图像滞后于现场摄象机拍摄画面