虚拟演播室技术2

虚拟演播室技术一、虚拟演播室概述二、虚拟演播室系统构成三、虚拟演播室关键技术四、虚拟演播室运行流程五、虚拟演播室使用注意一、虚拟演播室概述虚拟演播室系统（TheVirtualStudioSystem，简称VSS）是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的一种新的电视节目制作系统，主要由计算机硬件、软件、现场摄像机、摄像机跟踪器、图形图像发生器、色键器以及视/音频切换台等组成。

1、虚拟演播室传统色键抠像过程：演员位于蓝色背景前，摄像机拍下前景信号(演员)并馈入色键器，然后与从录像机或者计算机输出的视频信号(背景)进行混合。特点：当摄像机位置移动或镜头推拉使前景变化时，背景不能随之变化，前景和背景互不关联，因此前景人物好象飘浮在背景上，合成画面生硬。2、与传统色键抠像区别虚拟演播室技术：背景画面的变化与前景的变化同步，甚至前景人物能穿插于背景物体之中，两者紧密联系形成有机的融合，即背景图像随摄像机镜头的运动而随之相应变化。因此系统中需图形计算机与摄像机的追踪系统相连，以实时得到摄像机的瞬时位置信息。有无摄像机追踪系统和图形计算机，是传统抠像和虚拟演播室的主要区别。

虚拟演播室技术的关键：用摄像机的位置和镜头等变化来控制计算机中的“虚拟摄像机”，使它的位置和镜头变化与“实际”同步，这样它所拍摄的"虚拟场景"的镜头变化和实际摄像机拍摄的主持人的镜头变化一致，将他们进行色键效果处理之后，得到的画面才真实自然。

3、虚拟演播室功能制景费用低廉、更换布景方便。虚拟演播室技术的应用使真实演播室可以变得非常简单，演播室面积无需太大，只要铺满兰幕就行，省去了复杂的搭景和灯光照明，而且换景便利、快捷，可大大缩短节目制作周期。3、虚拟演播室功能便于发挥主创人员的创意。虚拟演播室的背景画面可以是真实拍摄的场景，也可以是用计算机创作出的图像。节目人员可以充分发挥艺术想象力来构思场景而不受外景或搭景条件的限制，在有限的空间里实现无限的创意。实现其他技术难以完成的特技。例如物体可以不顾重力原理而悬浮在空间、一个物体可以从另一物体中往上升、视频图像可以在任一平面上显示出来、场景可由动态物质构成、分子大小的物体能立即变成巨大的物体、以数据为基础的所有信息可作为一层视频信号实时地进入演播室等。

应用举例英国EPO公司制作二战中被毁的一座大型教堂的建筑结构的录像。教堂尚未重建，但用超级计算机制作出教堂的立体画面，用一台虚拟的摄像机从各个角度做推拉、旋转等动作拍摄。30分钟画面用了6～8周时间，一座宏伟的教堂便“出现”了。

应用举例虚拟采访。利用从外地传来的被采访者在蓝色幕布前的信号，先经过一次抠像再进入虚拟演播系统。通过插入的视频可将被采访者与演播室中的播音员实时结合在一个虚拟背景中，两个人物可以面对面的交谈和表演，对观众来讲就好象真的把被采访者请到了演播室中一样。虚拟人物表表演。在真真人身上各各重要关节节处装传感感器，传感感器的各组组数据传到到工作站中中用于控制制已制成的的虚拟动画画人物的关关节活动，，使它完全全实时地模模仿表演者者的动作。。虚拟动画人人物与真人人同时出现现在同一个个虚拟背景景中，并相相互配合，，互换位置置和交谈。。这在已往往的演播室室制作过程程中是无法法想象的，，也会给节节目带来新新奇感和神神秘感，从从而最大程程度地娱乐乐观众。二、虚拟演演播室系统统构成虚拟演播室室与传统演演播室大不不相同，它它是以计算算机三维动动画“虚拟拟”出的场场景取代道道具实景为为主要特征征。摄像机机所拍摄的的现场已不不是一般意意义上的主主持人或演演员活动的的地方，而而是虚拟画画面应用空空间的组成成部分，它它的实际意意义仅仅是是其空间场场地尺寸的的大小。１、蓝场实实景现场现场所有布布景全部由由单一的蓝蓝色所取代代，以作为为将来抠像像的基准色色。图像的的前景是不不同机位的的摄像机拍拍摄到的主主持人的画画面素材。。主持人所所在的实景景现场的全全部蓝色区区域将被合合成到计算算机三维动动画生成的的虚拟场景景中。与传统的人人工搭建的的舞台或演演播场地相相比，虚拟拟三维场景景应用于演演播室可以以说是演播播室技术的的一次革命命。不仅制制作成本大大大降低，，制作周期期缩短，虚虚拟场景的的可随意更更改的特性性，极大地地满足了导导演的创作作需要。虚拟演播室室用的实景景现场虽然然简化成了了单一的蓝蓝色，但决决不是任何何东西都不不需要了。。如果节目目中要表现现主持人从从楼梯上走走下来，那那么现场也也必须设置置一些涂成成蓝色的几几何块状物物体作为““楼梯”,以便与电电脑中生成成的楼梯相相配合。２、摄像机机及跟踪系系统虚拟演播室室专用摄像像机数量通通常为二到到三个。专专用摄像机机区别于传传统摄像机机，除了镜镜头和云台台以外，均均配有运动动检测和识识别系统，，即摄像机机跟踪器。。虚拟演播室室能否正确确判断摄像像机、主持持人及虚拟拟背景之间间的相对位位置关系，是实现前、、背景图像像完全同步步联动、再再现起初的的透视关系系的关键。摄像机跟踪踪系统就是是用来检测测和提供摄摄像机运动动参数和演演员位置参参数的系统统。摄像机的运运动参数包包括镜头运运动参数(变焦、聚焦焦、光圈)、机头运动动参数(摇移、俯仰仰)以及空间位位置参数(地面位置X、Y和高度Z)等。这些参参数的获取取对虚拟演演播室系统统来说是至至关重要的的，它会直接影影响到合成成图像的效效果。在二二维虚拟演演播室中，一般只需要要跟踪摄像像机的镜头头运动参数数(变焦、聚焦焦)和镜头运动动参数(摇移、俯仰仰)，而在三维虚虚拟演播室室中，还需跟踪摄摄像机的空空间位置参参数(X、Y、Z)。目前常用用的摄像机机跟踪系统统主要有机机械传感器器和图形识识别方式。。虚拟演播室室系统配备备的计算机机既有基于于WindowsNT系统平台的的PC机，也有基基于Unix系统的图形形工作站。。它除了调调用和调整整事先做好好的三维虚虚拟场景外外，还负责责向图形发发生器传输输图像数据据及处理由由摄像机跟跟踪器传来来的摄像机机运动数据据。３、计算机机部分图形发生器器根据主机机传来的摄摄像机运动动数据实时时地计算出出虚拟的三三维电脑场场景的运动动，以保证证其输出的的虚拟背景景与真实的的前景同步步。有的图图形发生器器的运算需需要数帧左左右的时间间，因此，，摄像机拍拍摄的画面面也必须有有一个同样样帧数的延延时，这样样才能确保保真实场景景与虚拟场场景的吻合合。三、虚拟演演播室关键键技术１、摄像机机跟踪技术术要使真实前前景和虚拟拟背景之间间天衣无缝缝地结合，，摄像机追追踪系统的的精确度和和稳定性至至关重要。。如果传送送给图形工工作站的信信息没有正正确地反映映摄像机位位置和拍摄摄方向等参参数，前景景物体看起起来就像漂漂浮在背景景上。常见见的摄像机机跟踪方式式可分为机机械传感器器、图形识识别、位置置探测三种种，代表分分别是ThomaFilmtechnik的的Walkfinder、Xync的的X-pecto和和Orad的InfraTrack。。（１）机械械传感器该方式是通通过安装在在摄像机的的云台和镜镜头上的传传感器获取取摄像机的的动作参数数。从液压压摇摆头上上的编码器器得到上下下左右位置置参数。编编码器测量量摄像机上上下左右运运动的角度度得到其位位置参数，，并将数据据输入计算算机。位置置参数的确确定是将摄摄像机安装装在三角架架、云台或或升降臂上上，由三脚脚架、云台台或升降臂臂的参数决决定摄像机机的位置和和高度。RadamecEPO公司司生产专用用摄像头，，Orad等公司则则在摄像机机上安装传传感器。利用编码器器方式检测测摄像机运运动参数，具有处理速速度快、精精确度高(旋转角度可可精确到0.001°，移动距离可可精确到0.01mm)、工作稳定定等优点。缺点是每台台摄像机都都需配备1套跟跟踪踪系系统统，成本本高高，摄像像机机的的种种类类及及数数量量受受到到限限制制，另外外摄摄像像机机在在拍拍摄摄前前的的定定位位和和校校正正繁繁琐琐。。（２２））图图形形识识别别图形形识识别别方方式式是是对对通通过过摄摄像像机机拍拍摄摄的的图图像像的的形形态态识识别别和和分分析析来来确确定定摄摄像像机机的的各各种种运运动动参参数数。。要要求求在在演演播播室室的的背背景景幕幕布布上上用用不不同同色色度度(例例如如深深蓝蓝和和浅浅蓝蓝)绘绘制制出出特特定定的的图图案案。。当当摄摄像像机机的的运运动动参参数数发发生生变变化化时时，，它它所所拍拍摄摄到到的的背背景景图图案案的的特特征征也也将将发发生生相相应应的的变变化化。。通通过过对对此此图图案案的的识识别别、、分分析析和和运运算算，，从从而而可可检检测测出出摄摄像像机机的的各各种种运运动动参参数数，，包包括括水水平平转转动动参参数数、、垂垂直直转转动动参参数数、、变变焦焦参参数数以以及及位位置置参参数数(X、、Y、、Z)。。目前前使使用用较较多多的的是是网网格格图图案案（即在在深深蓝蓝色色的的幕幕布布上上用用浅浅蓝蓝色色绘绘制制出出特特定定的的格格子子图图），，并且且正正面面倾倾斜斜放放置置。。在在实实际际拍拍摄摄中中，人物物、、景景物物连连同同网网格格图图案案一一并并被被摄摄像像机机摄摄入入，系统统的的数数字字视视频频处处理理器器可可以以利利用用电电平平差差技技术术分分离离出出浅浅蓝蓝色色网网格格图图案案，经过过识识别别分分析析，并与与计计算算机机跟跟踪踪软软件件及及硬硬件件预预先先确确定定好好的的模模型型进进行行比比较较，从而而获获取取摄摄像像机机的的各各项项运运动动参参数数，然后后用用这这些些参参数数去去控控制制虚虚拟拟背背景景生生成成系系统统，，产产生生与与前前景景匹匹配配的的背背景景。。图形形识识别别方方式式最最主主要要的的优优点点是是免免除除了了编编码码器器方方式式繁繁琐琐的的安安装装和和调调校校，在拍拍摄摄过过程程中中可可以以随随意意移移动动摄摄像像机机，增加加了了摄摄像像师师的的创创作作自自由由度度。。另另外外这这种种方方式式可可直直接接使使用用演演播播室室原原有有的的摄摄像像机机，甚至至是是便便携携式式摄摄像像机机，降低低了了演演播播室室系系统统改改造造的的费费用用。。不不足足：：（1）由于该方方式要对对图案进进行分析析、计算算，数据处理理时间长长，加大了视视频延时时量(5～17帧左右)；（2）获得的摄摄像机运运动参数数精度比比编码器器方式低低；（3））当摄像机机散焦或或摄取画画面中图图案信息息量较少少时(至少要求求含有4个网格点点)，系统便无无法正常常工作，，对摄像像机的景景深以及及演员的的活动范范围造成成一定限限制。在位置探探测跟踪踪中，用用一些固固定的探探测器对对特定的的物体进进行跟踪踪，或通通过安装装在摄像像机上的的仪器进进行定位位，推拉拉和变焦焦参数也也要通过过传感器器来跟踪踪。这种种技术从从运动捕捕捉系统统衍生而而来，工工作原理理与网格格识别相相反，但但两者的的精确度度相近。。（３）位位置探测测蓝背景：：制作虚虚拟演播播室的蓝蓝背景要要求背景景平滑，，还要有有空间感感，一般般是两面面或三面面蓝色墙墙再加上上地面。。为保证证全景镜镜头的使使用，照照射在蓝蓝背景上上面的光光线要均均匀。为为了保证证色键效效果最好好，要使使用纯正正的色键键蓝色。。蓝背景景的空间间大小，，应该能能保证可可容纳全全部道具具并且可可以使主主持人有有足够的的活动区区域。2、蓝背景和和背景的的建立背景：虚虚拟演播播室的背背景图像像可以是是来自录录像机或或摄像机机的视频频图像，，也可以以是静止止图像，，但使用用最多的的是计算算机创作作的二维维或三维维图形CG(ComputerGraphics)，即虚虚拟场景景。虚拟拟场景可可分为二二维虚拟拟场景和和三维虚虚拟场景景。二维维虚拟场场景是指指景物没没有厚度度，只提提供一个个平面背背景。在在三维虚虚拟场景景中景物物是立体体的，具具有Z方方向的厚厚度，在在具有虚虚拟后景景的同时时，也提提供虚拟拟前景。。人物可可在前景景与后景景之间穿穿插运动动，从而而增强了了视觉效效果的纵纵深感和和真实感感。三维虚拟拟场景的的制作可可分为几几个步骤骤：首先先要对虚虚拟场景景中出现现的所有有物体按按自然尺尺寸比例例建成三三维模型型，然后后在模型型上添加加材质，，描绘纹纹理：其其次是将将模型在在虚拟场场景中定定位，制制作灯光光效果以以及阴影影：最后后是制作作在实际际拍摄过过程中虚虚拟场景景出现的的事件序序列和特特技效果果，目前前用于虚虚拟场景景制作的的主要软软件有Softimage，，Alias/wavefront,3Dmax等，，它们一一般都具具有建模模、描绘绘和特技技等功能能。实时背景景生成：：是指在在摄像机机运动参参数控制制下，背背景生成成系统对对预先制制作好的的虚拟场场景信号号进行处处理，实实时生成成与前景景有正确确透视关关系的背背景图像像。这就就意味着着背景生生成系统统必须要要以25帧/秒秒的速度度实时处处理数据据流。如如果生成成三维虚虚拟场景景，其计计算量是是非常大大的。在在不降低低图形照照明度、、阴影，，纹理和和建模结结构的前前提下，，提高图图形工作作站图形形刷新速速率成为为实时生生成虚拟拟背景的的关键。。目前一一般采用用的是美美国SGI公司司推出的的工作站站以及E&S公公司推出出的运用用在WindowsNT平平台上具具有动态态Z提示示功能的的图形工工作站。。３、键信号处处理与图图像合成成色键合成成器用于于完成前前景与后后背景的的混合，，色键制制作的质质量除了了与蓝背背景、制制作环境境灯光和和摄像机机有一定定关系之之外，色色键器本本身的质质量也会会影响节节目质量量。使用用清晰、、亮度平平坦的颜颜色，才才能使前前景和背背景分离离，然后后把演算算后的信信号用于于另一个个不同的的背景，，使用线线性键可可以把前前景的阴阴影取出出来并叠叠加到背背景上。。所以为为保证合合成准确确，拍摄摄视野中中的蓝色色幕布照照明必须须均匀。。一般来说说虚拟摄摄像机和和实际摄摄像机的的数量是是相同的的，但虚虚拟背景景信号源源的数量量与实际际摄像机机数量并并不一定定相同。。用两个个背景生生成器，，两个色色键器就就可以完完成任何何两个摄摄像机之之间叠化化效果制制作，硬硬切只需需要一个个虚拟背背景信号号源。为为了完成成叠化效效果制作作，计算算机通过过编辑接接口监视视切换器器的状态态或从预预演母线线上了解解下一个个切换的的摄像机机，并对对其进行行切换。。当虚拟拟摄像机机切换之之后，切切换器就就做好了了叠化的的准备。。虚拟演播播室系统统一般包包括两套套计算机机系统，，一套处处理摄像像机跟踪踪的数据据，一般般采用高高配置的的微机、、小型计计算机工工作站；；另一套套是进行行虚拟演演播室的的场景制制作，具具备以下下功能：：具有足足够的计计算能力力，包括括处理多多重任务务的能力力；可以以支持实实时操作作系统；；具有极极强的绘绘画能力力，甚至至达到高高标准三三维动画画制作水水平；能能够处理理音频信信号，并并具有控控制其他他视频和和音频设设备的能能力。４、计算机技技术参与与节目制制作四、虚拟拟演播室室运行流流程创意人员员拟出节节目制作作方案导演及创创意人员员为虚拟拟演播室室电脑虚虚拟三维维场景的的操作者者“说戏戏”；动画师或或模型师师在电脑脑中创建建模型及及贴图；；导演与虚虚拟演播播室操作作者合作作直播或或录像；；视频输出出、录制制及后期期制作。。１、导演演或美术术设计师师提出制制作方案案由美术设设计师将将导演思思路制作作成详细细的“剧剧本”，，具体体到每个个画面要要素怎么么动，主主持人的的位置怎怎么变化化，是否否有虚拟拟场景中中的特写写镜头等等。因为为镜头推推进，意意味着电电脑生成成的图像像放大。。这就必必须要求求事先生生成的图图像尺寸寸大到足足够镜头头推进也也不至于于产生像像素变大大的现象象。虚拟拟演播室室运作的的这种特特殊性，，要求导导演必须须就每个个镜头细细节与电电脑动画画场景的的制作者者事先沟沟通，使使负责实实施剧本本方案的的制作人人员能充充分理解解导演的的意图，，将三维维场景提提前做好好。２、动画画制作人人员创建建虚拟三三维演播播室动画制作作直接影影响着节节目制作作的质量量。虚拟拟演播室室就是一一个计算算机图像像产生与与合成系系统，是是用计算算机将演演播室的的观念物物化，在在制作手手段上突突破了传传统制作作手段的的一些束束缚，使使演播室室不再受受时间和和空间的的局限。。具体的的虚拟演演播室软软件操作作者称为为“动画画师”(animator)或“模模型师””(modeler)。他们们在整个个虚拟演演播室节节目制作作中对演演播室的的最终效效果起着着举足轻轻重的作作用，他他可以是是导演或或美工本本人，也也可以是是专业的的动画制制作者。。目前，几几乎所有有的虚拟拟演播室室软件本本身并不不带有建建模及绘绘画的软软件包，，多数是是利用已已有的三三维或二二维动画画、图形形图像制制作软件件来创建建模型及及模型中中需要的的贴图，，如3DStudioMAX、、Softimage3D、Lightscape和Photoshop等。。这些软软件中做做好的模模型和贴贴图有的的需经过过图像格格式的转转换，再再存入虚虚拟演播播室系统统的专用用目录下下，然后后才能从从虚拟演演播室软软件环境境中读出出。大量量的矢量量数据经经过生成成后产生生的标准准倍数位位图，作作为虚拟拟环境要要么直接接存入图图形发生生器中使使用，要要么贴在在简单的的几何矢矢量模型型上。３、动画画师与导导演的配配合制作人员员从传统统的单一一的执行行导演意意图的技技术员转转变成参参与节目目前期总总体方案案设计的的创作者者之一。。这种变变化无疑疑提高了了现代电电视节目目制作人人的业务务要求，，同时也也扩大了了导演的的工作职职能和范范围。动动画师与与导演应应密切配配合，例例如，导导演希望望虚拟场场景中的的某个部部分动起起来，如如标志从从墙上飞飞起来，，主持人人前的主主持台自自己移走走，地面面某个部部分腾空空而起等等，就必必须将这这些带有有“动作作”的物物体提前前与电脑脑模型师师讲明，，由模型型师将这这些有动动作的物物体用电电脑创建建时就将将它们分分别作为为单个文文件单独独储存。。这与导导演看着着监视器器指挥调调整现场场镜头中中的画面面的传统统方法是是不同的的，这也也正是虚虚拟演播播室制作作电视节节目的主主要特点点。４、虚拟拟演播室室控制员员与传统演演播室相相比，主主持人或或演员所所处的现现场已不不再是五五颜六色色的舞台台，取而而代之的的是一个个全部涂涂成蓝色色的房间间。摄像像师的拍拍摄对象象主体只只剩下了了主持人人或演员员。机位位的运动动取决于于电脑中中建立的的虚拟场场景。摄摄像师通通过监视视器看到到画面的的效果，，导演则则坐在电电脑终端端前与虚虚拟演播播室软件件的具体体操作者者来共同同控制整整个节目目。如果果画面““穿邦””，即现现场摄像像机摇到到蓝色背背景以外外，虚拟拟演播室室软件能能根据需需要自制制出虚拟拟蓝色背背景。虚拟演播播室电脑脑机位上上的操作作者（暂暂且称之之为“虚虚拟控制制”）已已不再是是一般意意义上的的电脑操操作人员员。虚拟拟演播室室系统是是一个计计算机图图像合成成系统，，其控制制中心是是虚拟演演播室的的系统软软件，它它也是虚虚拟演播播室节目目制作的的“导演演台”。。具体实实施操作作的系统统控制员员无疑成成了实施施导演意意图的最最直接执执行者，，他需要要既能熟熟练运用用虚拟演演播室软软件及其其相关的的三维动动画制作作软件，，同时又又要具有有一定的的镜头意意识和感感觉。这这样才能能更好地地与导演演配合，，做出理理想的节节目。５、视频频、音频频及灯光光的运用用虚拟演播播室主要要是针对对电脑中中的图像像，它仍仍旧离不不开传统统的视频频切换台台和调音音台等设设备。通通过视频频切换台台，导演演可根据据需要在在任何时时候切入入或叠加加进前期期拍摄的的画面素素材。有有的虚拟拟演播室室系统与与传统视视频在节节目制作作中略有有不同，，蓝色实实景现场场摄像机机所拍摄摄到的画画面需要要经过图图像发生生器的运运算生成成后再与与电脑中中的虚拟拟场景合合成，大大约需要要四帧左左右的延延长时间间，所以以现场同同期声也也需要相相应的延延时（大大约160ms），以以消除声声音与口口型差时时的现象象。有的的虚拟演演播室很很好地解解决了这这一问题题，画面面与声音音同步，，不需延延时。现场灯光光的使用用已不同同于传统统舞台灯灯光的调调整方法法，所有有光色必必须保证证蓝色空空间场地地基色以以适应色色键器抠抠像的技技术要求求。虚拟拟演播室室软件系系统有其其自身的的灯光参参数，可可根据需需要在软软件环境境里调整整。理想想的色键键器可以以很自然然地将实实景中的的投影在在虚拟的的场景中中表现出出来，使使拍摄的的前景画画面与虚虚拟的背背景画面面集成在在一个合合理的空空间中。。现场的的灯光还还有一个个特殊用用途，即即用于制制定控