虚拟演播室系统

1、虚拟演播室技术虚拟演播室技术是近几年发展起来的新兴而独特的电视节目制作技术，是计算机技术与视频技术相结合的产物。它的出现与应用引起了电视节目制作中的一场革命。 多年来，传统的电视节目制作中大量使用着色键抠像技术，用这种方式将演员的表演与不同的背景混合起来，用于拍摄一些在现场无法拍摄完成的画面。这项技术在较长时间内被广泛应用，但随着电视节目制作技术的发展和观众欣赏水平的不断提高，该制作方式所呈现的缺点越来越明显，它的主要问题是前景演员和背景不能实时地同步变化，这样会造成视觉上的差异，合成的图像不真实、不自然，影响了节目效果。比如在演播室中拍摄人物的镜头时，作为前景画面的演员会随着摄像机的推、拉、

2、摇、移变化在画面中形成不同的景别和透视关系，而作为背景的画面本身画幅始终固定不动，即使画面内的内容是运动的，另一种情况是演员或主持人的景别不变，但背景中的画面不断地变化，前、后景同样产生了差异，这些都会影响视觉合成的效果。若选用虚拟演播室技术即能较好地处理上述问题。 1 .虚拟演播室技术的概念 虚拟演播室技术的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地合成，使人物与虚拟背景能够同时变化，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面。由于背景是计算机生成的，可以迅速变化，这使得丰富多彩的演播室场景设计可用非常经济的手段实现，提高了节目制作的效率和演播室

3、的利用率；同时使演员摆脱了物理上的空间、时间及道具的限制，置身于完全虚拟的环境中自由表演。节目的导演可在广泛的想象空间中进行自由创作，从而使电视节目制作进入了一个全新的境界。 .虚拟演播室系统的构成 虚拟演播室系统一般由联机和脱机两个部分组成。联机部分包括：色键合成器和具有蓝色前景的演播室；跟踪系统是能够检测和提供摄像机参数、演员位置的系统；背景生成系统，即能够根据摄像机参数实时形成背景图像的成像系统；合成系统，即把前景的演员图像和虚拟背景图像实时混合的系统。脱机部分一般包括虚拟背景的设计和生成，如场景中三维模型物体的建立和场景的整体设计等。 21 摄像机跟踪系统 虚拟演播室中的一项关键技术是

4、如何判断摄像机、主持人、计算机合成场景之间相对位置关系。摄像机跟踪器把真实演员及物体与摄像机之间的位置及透视信息送给图形计算机，然后以摄像机的镜头产生虚拟环境，把真实演员与虚拟场景匹配起来。所谓跟踪技术，即指如何获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。目前，获取摄像机运动参数的方法主要有两种：一种是机械传感器技术；另一种是图像分析识别技术。 A、机械传感器技术 此种方式中，在摄像机镜头上安装了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

5、微角度并将编 码输出。 摄像机的地面位置X、Y及高度Z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升降和云台脚的转动，并对其参数值进行编码输出。此方式当需要多台摄像机同时工作时，每台摄像机都要配备一套跟踪系统，为此增加了系统成本；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，增加了摄像师灵活使用的难度；再次，机械跟踪需要对摄像机的镜头进行精确的测量校正；最后就是定位，在拍摄之前，需要一个非常耗时的过程才能获取摄像机的初始位置和方向。 B、图像分析识别技术 图像识别跟踪技术是近几年才发展起来的，它是对摄像机所摄图像的画面过程进行分析和识别来确定摄像机的各种运动参

6、数。拍摄期间同步控制并检测摄像机的各项运动参数，包括位置参数(X、Y、Z)、水平转动参数(摇镜头)、垂直转动参数和变焦参数，这样摄像机就能在拍摄过程中随意移动，而且也不需要特殊的摄像机。 在实际应用中，一般是在蓝色幕布上加一些深浅不同的蓝色网格，构成大小各异的方格图案，其正面是倾斜放置的，这种精确的网格图案以两种不同的蓝色形状绘制于蓝背景上，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。当摄像机拍摄该图案后，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跟踪，利用图像分析的方法检测出其亮度的

7、变化，通过计算机算出每一幅图像中由于摄像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。上述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，在虚拟摄像机中看到的场景中物体的位置及透视关系与实际摄像机拍摄的完全一致。 选用图像识别技术解决了同传感器的摄像机系统所造成的限制及标准要求，便于摄像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像机拍摄画面7个图像帧的延迟。为了解决这个问题，虚拟演播室使用视频和音频的延迟硬件以达到摄像机图像和图形工作站制作的背景图像间的同步。 其次

8、在拍摄的画面中必须包含一定数量的清晰网格(4个以上)才能进行测量计算，这对演员的活动范围及摄像机的景深范围造成一定的限制。 两种跟踪方式是虚拟演播室常用的获得摄像机运动参数的方法，各有千秋。 22 实时背景生成 虚拟演播室技术除了跟踪技术外，另一个主要特点是实时生成的三维背景。虚拟演播室的实时部分需要一个高质量的实时背景图像生成系统，对于背景来说，必须使之与前景联动。为了成功地合成一个虚拟的场景，要求虚拟演播室的图像保持连续平稳的变化，图形工作站要对视频画面以25帧秒(PAL制)的速度处理数据流，这样才能使计算机制作的背景图像与摄像机拍摄的图像实时合成。 实时生成背景是指在摄像机运动参数控制下

9、，背景生成装置对制作好的背景信号进行处理。实时生成与前景有正确的透视关系的背景图像。 23 图像合成 虚拟演播室实时系统的最终效果要由能将前景和背景图像混合起来的实时系统合成，在这里仍然采用传统的色键合成系统(抠像)，但却消除了摄像机不能与背景同步运动的致命弱点。 在进行色键合成时，需要注意的是由于前景图像是在演播室里实地拍摄的，而背景图像是计算机生成的，二者照明条件不同，需要设法减少分别制作时因照明条件的差异而产生的不协调感。 虚拟演播室技术的采用通常需要两面或3面蓝色幕墙再加上地面。为保证镜头的灵活使用，照射在蓝背景上面的光线要均匀，还要保证色键效果最好，应使用纯正的色键蓝色，蓝背景的空间

10、大小应能保证可容纳全部道具，并且可以使主持人有足够的活动区域。 24 多机位设置 通常虚拟摄像机和实际摄像机的数量是相同的，但虚拟背景生成器的数量与实际摄像机数量并不需要相同。一般用两个背景生成器和切换器、色键器配合即可完成任意多个摄像机机位之间的切换。 3 .虚拟演播室技术的优点 (1) 增加了节目的真实感 由于采用虚拟演播室技术制作的布景是合乎比例的立体设计，当摄像机移动时，虚拟的布景与前景画面都会出现相应的变化，从而增加了节目的真实感。 (2)通过虚拟演播室技术制成的节目能有效地表达新闻信息，增强信息的感染力。由于制作人员的选择余地大，不必过于受场景的限制，可以充分发挥其艺术的创造力与想象力，对于同一节目可采用不同的虚拟场景。虚拟场景可以是写实的，也可以是抽象的。 (3)效益显著 采用虚拟演播室技术具有及时更换场景的能力，可以不必移动和保留景物，减少演播室空间的占用。虚拟场景可