虚拟演播室系统

第9章虚拟演播室系统学习目标标了解虚拟拟现实技技术知道虚拟拟演播室室系统的的类型及及特点理解虚拟拟演播室室系统的的工作原原理了解虚拟拟演播室室系统采采用的关关键技术术掌握虚拟拟演播室室的布光光方法学会运用用虚拟演演播室制制作电视视节目一、虚拟拟现实技技术虚拟现实实技术：：是一系列列高新技技术的汇汇集，这这些技术术包括计计算机技技术、计计算机图图形学、、传感技技术、人人体工程程学、人人机交互互理论、、多媒体体技术等等。在美国一一家杂志志社评选选影响未未来十大大科技水水平时，，因特网网位居第第一，虚虚拟现实实技术名名列第二二。虚拟现实实技术，，又称为为“灵境境技术””、“虚虚拟环境境”、““赛伯空空间”等等一、虚拟拟现实技技术虚拟现实实（VR）：是一种高高端人机机接口，，包括通通过视觉觉、听觉觉、触觉觉、嗅觉觉和味觉觉等多种种感觉通通道的实实时模拟拟和实时时交互。。构成VR系统的五五个典型型组成部部分如下下图所示示：VR引擎软件和数据库任务用户I/O设备一、虚拟拟现实技技术三维空间间中的活活动对象象有六个个自由度度，其中中三个用用于平移移，三个个用于旋旋转。如如果在活活动对象象上捆绑绑一个笛笛卡儿坐坐标系（（如下图图所示）），那么么它平移移将沿着着X，Y和Z三个轴，，沿这些些轴的旋旋转分别别称为偏偏航、俯俯仰和滚滚动。当当对象高高速运动动时，需需要能迅迅速地测测量出由由这些参参数定义义的六维维数据集集。XZY偏航滚动俯仰一、虚拟拟现实技技术虚拟现实实系统：：是要创建建一个酷酷似客观观环境又又超越客客观时空空、能沉沉浸其中中又能驾驾驭其上上的和谐谐人机环环境，也也就是一一个由多多维信息息所构成成的可操操纵的空空间，其其目标就就是真实实的体验验和方便便自然的的人机交交互。能能够达到到或部分分达到这这样目标标的系统统就称为为虚拟现现实系统统。一、虚拟拟现实技技术任何一个个虚拟现现实系统统都可以以用三个个“I”来描述其其特性，，这就是是沉浸（（Immersion），交互互（Interaction）和想象象（Imagination）。（如如下图所所示）沉浸交互想象3I二、虚拟拟演播室室工作原原理虚拟演播播室：是一套由由计算机机系统、、电视摄摄像机（（装有跟跟踪器））、三维维场景发发生器、、色键器器以及视视音频切切换台等等构成的的电视节节目制作作系统。。其实质是是将计算算机产生生的虚拟拟三维场场景与摄摄像机现现场拍摄摄的演员员（或节节目主持持人）表表演的活活动图像像进行数数字化的的实时合合成，使使演员（（或节目目主持人人）的表表演（前前景）与与虚拟场场景（背背景）达达到同步步的变化化，从而而实现前前景与背背景的完完美结合合。二、虚拟拟演播室室工作原原理虚拟演播播室系统统结构：：一般有共用式结结构和独立式结结构两种共用式结结构：它是采用用共用虚虚拟场景景生成系系统的结结构方式式，多个个摄像机机机位共共用一套套虚拟场场景生成成系统，，在前景景机位切切换的同同时，在在虚拟场场景生成成系统中中完成场场景的切切换。但但有延时时现象。。独立式结结构：它是采用用一对一一的通道道化结构构方式，，每一个个摄像机机对应一一个图形形和图像像处理通通道，每每个通道道都包括括一套摄摄像机跟跟踪系统统、延时时器、虚虚拟场景景生成系系统、色色键混合合器，每每个通道道输出的的信号都都是前景景、虚拟拟场景已已经合成成好的视视频信号号，可以以直接在在特技切切换台上上与别的的通道输输出的视视频信号号之间作作特技切切换。杜杜绝了延延时现象象。二、虚拟拟演播室室工作原原理虚拟演播播室的组组成：主要由摄摄像机、、摄像机机跟踪系系统、计计算机图图形工作作站、色色键合成成器4个部分组组成。摄像机延时图像识别或机械跟踪图形工作站矩阵色键合成器控制信号合成图像FGMBG二、虚拟拟演播室室工作原原理二、虚拟拟演播室室工作原原理二、虚拟拟演播室室工作原原理二、虚拟拟演播室室工作原原理二、虚拟拟演播室室工作原原理虚拟演播播室工作作原理：：是把摄像像机拍摄摄到的以以蓝色幕幕布为背背景的画画面作为为前景，，用一台台超级实实时图形形计算机机中的三三维动画画软件生生成的三三维动作作图形作作为虚拟拟场景，，通过跟跟踪器系系统把采采集到的的摄像机机的运动动参数实实时传送送给计算算机图形形工作站站，计算算机图形形工作站站经大量量运算后后，产生生与实际际摄像机机拍摄的的实景画画面相匹匹配的虚虚拟场景景。再通通过深度度键和色色键将前前景与虚虚拟场景景合成为为一个图图像输出出。三、虚拟拟演播室室系统的的分类从硬件平平台分类类：可分为基基于PC平台的系系统和基基于UNIX平台的系系统。从工作原原理分类类：可分为二二维虚拟拟演播室室系统、、三维虚虚拟演播播室系统统、真三三维虚拟拟演播室室系统以以及为适适应高清清晰度电电视系统统而开发发的HD虚拟演播播室系统统。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术虚拟演播播室系统统关键技技术：摄像机跟跟踪技术术、计算算机虚拟拟场景生生成技术术、蓝箱箱技术、、灯光技技术和无无限蓝箱箱技术等等。摄像机跟跟踪技术术：摄像机跟跟踪技术术是虚拟拟演播室室中一项项关键技技术，它它可以获获取摄像像机在演演播室中中的实际际位置参参数和动动作参数数，从而而判断摄摄像机、、演员或或节目主主持人、、计算机机虚拟场场景之间间的相对对位置关关系，帮帮助系统统实现真真实摄像像机与虚虚拟摄像像机的锁锁定。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术摄像机跟跟踪技术术主要有有图形识识别、机机械传感感、红外外线传感感和超声声波传感感4种方式。。图形识别别方式：：是通过对对摄像机机所摄图图像的形形态识别别和分析析来间接接确定真真实摄像像机的各各种运动动参数。。它可以以对运动动画面进进行精确确的计算算，获得得摄像机机的各项项（多达达8个）运动动参数。。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术机械传感感方式：：是通过有有摄像机机的横摇摇、俯仰仰、变焦焦、聚焦焦、光圈圈的机械械转动位位置安装装咬合齿齿轮来测测量摄像像机的运运动参数数（一般般为4个参数）），当摄摄像机机机头运动动时，各各个传感感器可以以检测到到齿轮的的旋转角角度变化化，并对对变化量量进行编编码。编编码数据据通过接接口送到到主机，，主机根根据真实实摄像机机的机位位，在虚虚拟场景景中计算算出这一一机位的的虚拟背背景，并并在虚拟拟背景叠叠加真实实人物，，从而制制作出虚虚拟演播播室节目目。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术红外线传传感方式式：是通过在在摄像机机上面安安装红外外线接收收反射器器，在演演播室各各个控制制点安装装多个红红外线发发生器，，利用红红外线测测距原理理，实时时测量表表演者和和摄像机机在演播播室中的的位置，，获得机机位运动动参数，，红外发发射装置置可安装装于表演演者身上上和摄像像机上，，而接收收装置（（两个或或更多））可安装装于蓝色色幕布的的上方。。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术超声波传传感方式式：是通过在在摄像机机上面安安装超声声波接收收反射器器，在演演播室各各个控制制点安装装多个超超声波发发生器，，利用超超声波测测距原理理获得机机位运动动参数，，一般是是在演播播室顶部部安装超超声波发发射和接接收杆，，每根杆杆有多个个发射和和接收点点，向下下发射超超声波。。在摄像像机顶部部安装3个金属点点和陀螺螺仪，金金属点用用于反射射超声波波信号，，陀螺仪仪用于模模糊定位位，主要要是用在在摄像机机倾斜和和翻转时时的定位位。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术计算机虚虚拟场景景生成技技术：是产生虚虚拟演播播室中的的场景、、道具的的技术。。在常规规演播室室中不可可能做到到的复杂杂而宠大大的背景景，甚至至许多现现实生活活中人们们不可能能见到的的景观，，都可以以通过虚虚拟场景景生成技技术，在在虚拟演演播室中中实现。。一般来说说，三维维虚拟场场景可以以由预生成三三维方式式和真三维方方式来产生。。四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术蓝箱技术术：蓝箱也称称为蓝背背景，它它是主持持人活动动的实际际场景及及虚拟制制作的基基本依据据。蓝箱箱的好坏坏，直接接关系到到色键抠抠像的质质量。蓝蓝背景可可采用蓝蓝幕布，，但最好好采用蓝蓝背景漆漆。蓝箱箱的设计计，主要要应考虑虑以下三三个方面面的问题题：（1）空间结结构（2）制作工工艺（3）蓝背景景漆四、虚拟拟演播室室系统关关键技术术灯光技术术：虚拟演播播室灯光光系统是是建立在在新型的的三基色色柔光灯灯的基础础之上的的，这种种灯发光光均匀、、阴影小小、发热热少、色色温恒定定而均匀匀，光布布在主持持人脸上上自然而而逼真。。色键技术术：虚拟演播播室系统统的抠像像是由色色键器来来完成的的，色键键器的主主要作用用是把背背景生成成装置实实时生成成的、和和前景有有正确位位置及透透视关系系的背景景图像与与前景图图像合成成，使虚虚拟背景景与真实实前景达达到完美美结合。。无限蓝箱箱技术：：无限蓝箱箱技术通通过外部部生成的的键信号号，将前前景视频频图像中中非蓝箱箱内的景景物滤除除，使摄摄像机的的运动可可以不受受实际蓝蓝箱尺寸寸的限制制。五、大洋洋MagicSet真三维虚虚拟演播播室系统统五、大洋洋MagicSet真三维虚虚拟演播播室系统统五、大洋洋MagicSet真三维虚虚拟演播播室系统统五、大洋洋MagicSet真三维虚虚拟演播播室系统统光纤网HD矩阵多功能切换台视频延时器主掩膜控制色键器特技处理控制灯光控制物件编辑动画控制编辑传感器同步时基三维造型场景合成器同步时基传感器麦克风调音台放机录机内置调音台2路音频回放2路音频采集字幕系统视频输出视频输出主输出本地HD非线性回放非线性采集非线性编辑系统视频输出2路音频回放2路音频采集主机位参数主彩色场景主掩膜场景机位1机位2……RETTALLYV遥控P＆T,Z＆F键信号VVVVAAV大洋MagicSet虚拟演播室系统工作原理图五、大洋洋MagicSet真三维虚虚拟演播播室系统统功能特点点：主要特点点之一是是高度的的系统集集成性。。它把所所有功能能模块都都集成在在了一台台高性能能PC图形、图图像工作作站内。。系统所所需要的的外部信信号仅为为必需的的同步时时基和摄摄像机视视频。这这在组建建系统时时可以使使信号通通路连接接最为简简单，最最大限度度的减小小了信号号损失，，特别是是针对现现有演播播室改造造时，对对现有演演播室信信号通路路上的改改动和破破坏很小小。系统统内部的的视频信信号都是是以4:2::2的数据流流的方式式传递，，在保证证了不会会有任何何信号损损失的同同时也提提高了系系统的可可靠性，，再加上上系统采采用了非非线性方方式的视视频采集集和回放放，保证证了系统统在存储储媒介上上也不会会有信号号损失，，使整个个系统在在信号质质量上