虚拟演播室技术概述

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。虚拟拟人人物物表表演演。。在在真真人人身身上上各各重重要要关关节节处处装装传传感感器器，，传传感感器器的的各各组组数数据据传传到到工工作作站站中中用用于于控控制制已已制制成成的的虚虚拟拟动动画画人人物物的的关关节节活活动动，，使使它它完完全全实实时时地地模模仿仿表表演演者者的的动动作作。。虚拟拟动动画画人人物物与与真真人人同同时时出出现现在在同同一一个个虚虚拟拟背背景景中中，，并并相相互互配配合合，，互互换换位位置置和和交交谈谈。。这这在在已已往往的的演演播播室室制制作作过过程程中中是是无无法法想想象象的的，，也也会会给给节节目目带带来来新新奇奇感感和和神神秘秘感感，，从从而而最最大大程程度度地地娱娱乐乐观观众众。。二、、虚虚拟拟演演播播室室系系统统构构成成虚拟拟演演播播室室与与传传统统演演播播室室大大不不相相同同，，它它是是以以计计算算机机三三维维动动画画““虚虚拟拟””出出的的场场景景取取代代道道具具实实景景为为主主要要特特征征。。摄摄像像机机所所拍拍摄摄的的现现场场已已不不是是一一般般意意义义上上的的主主持持人人或或演演员员活活动动的的地地方方，，而而是是虚虚拟拟画画面面应应用用空空间间的的组组成成部部分分，，它它的的实实际际意意义义仅仅仅仅是是其其空空间间场场地地尺尺寸寸的的大大小小。。１、、蓝蓝场场实实景景现现场场现场场所所有有布布景景全全部部由由单单一一的的蓝蓝色色所所取取代代，，以以作作为为将将来来抠抠像像的的基基准准色色。。图图像像的的前前景景是是不不同同机机位位的的摄摄像像机机拍拍摄摄到到的的主主持持人人的的画画面面素素材材。。主主持持人人所所在在的的实实景景现现场场的的全全部部蓝蓝色色区区域域将将被被合合成成到到计计算算机机三三维维动动画画生生成成的的虚虚拟拟场场景景中中。。与传统的人工工搭建的舞台台或演播场地地相比，虚拟拟三维场景应应用于演播室室可以说是演演播室技术的的一次革命。。不仅制作成成本大大降低低，制作周期期缩短，虚拟拟场景的可随随意更改的特特性，极大地地满足了导演演的创作需要要。虚拟演播室用用的实景现场场虽然简化成成了单一的蓝蓝色，但决不不是任何东西西都不需要了了。如果节目目中要表现主主持人从楼梯梯上走下来，，那么现场也也必须设置一一些涂成蓝色色的几何块状状物体作为““楼梯”,以以便与电脑中中生成的楼梯梯相配合。２、摄像机及及跟踪系统虚拟演播室专专用摄像机数数量通常为二二到三个。专专用摄像机区区别于传统摄摄像机，除了了镜头和云台台以外，均配配有运动检测测和识别系统统，即摄像机机跟踪器。虚拟演播室能能否正确判断断摄像机、主主持人及虚拟拟背景之间的的相对位置关关系，是实现前、背背景图像完全全同步联动、、再现起初的的透视关系的的关键。摄像机跟踪系系统就是用来来检测和提供供摄像机运动动参数和演员员位置参数的的系统。摄像机的运动动参数包括镜镜头运动参数数(变焦、聚焦、、光圈)、机头运动参参数(摇移、俯仰)以及空间位置置参数(地面位置X、Y和高度Z)等。这些参数数的获取对虚虚拟演播室系系统来说是至至关重要的，它会直接影响响到合成图像像的效果。在在二维虚拟演演播室中，一般只需要跟跟踪摄像机的的镜头运动参参数(变焦、聚焦)和镜头运动参参数(摇移、俯仰)，而在三维虚拟拟演播室中，还需跟踪摄像像机的空间位位置参数(X、Y、Z)。目前常用的的摄像机跟踪踪系统主要有有机械传感器器和图形识别别方式。虚拟演播室系系统配备的计计算机既有基基于WindowsNT系统平台的PC机，也有基于于Unix系统的图形工工作站。它除除了调用和调调整事先做好好的三维虚拟拟场景外，还还负责向图形形发生器传输输图像数据及及处理由摄像像机跟踪器传传来的摄像机机运动数据。。３、计算机部部分图形发生器根根据主机传来来的摄像机运运动数据实时时地计算出虚虚拟的三维电电脑场景的运运动，以保证证其输出的虚虚拟背景与真真实的前景同同步。有的图图形发生器的的运算需要数数帧左右的时时间，因此，，摄像机拍摄摄的画面也必必须有一个同同样帧数的延延时，这样才才能确保真实实场景与虚拟拟场景的吻合合。三、虚拟演播播室关键技术术１、摄像机跟跟踪技术要使真实前景景和虚拟背景景之间天衣无无缝地结合，，摄像机追踪踪系统的精确确度和稳定性性至关重要。。如果传送给给图形工作站站的信息没有有正确地反映映摄像机位置置和拍摄方向向等参数，前前景物体看起起来就像漂浮浮在背景上。。常见的摄像像机跟踪方式式可分为机械械传感器、图图形识别、位位置探测三种种，代表分别别是ThomaFilmtechnik的Walkfinder、、Xync的的X-pecto和Orad的InfraTrack。（１）机械传传感器该方式是通过过安装在摄像像机的云台和和镜头上的传传感器获取摄摄像机的动作作参数。从液液压摇摆头上上的编码器得得到上下左右右位置参数。。编码器测量量摄像机上下下左右运动的的角度得到其其位置参数，，并将数据输输入计算机。。位置参数的的确定是将摄摄像机安装在在三角架、云云台或升降臂臂上，由三脚脚架、云台或或升降臂的参参数决定摄像像机的位置和和高度。RadamecEPO公公司生产专用用摄像头，Orad等公公司则在摄像像机上安装传传感器。利用编码器方方式检测摄像像机运动参数数，具有处理速度度快、精确度度高(旋转角度可精精确到0.001°，移动距离可精精确到0.01mm)、工作稳定等等优点。缺点是每台摄摄像机都需配配备1套跟踪系统，成本高，摄像机的种类类及数量受到到限制，另外摄像机在在拍摄前的定定位和校正繁繁琐。（２）图形识识别图形识别方式式是对通过摄摄像机拍摄的的图像的形态态识别和分析析来确定摄像像机的各种运运动参数。要要求在演播室室的背景幕布布上用不同色色度(例如深深蓝和浅蓝)绘制出特定定的图案。当当摄像机的运运动参数发生生变化时，它它所拍摄到的的背景图案的的特征也将发发生相应的变变化。通过对对此图案的识识别、分析和和运算，从而而可检测出摄摄像机的各种种运动参数，，包括水平转转动参数、垂垂直转动参数数、变焦参数数以及位置参参数(X、Y、Z)。目前使用较多多的是网格图图案（即在深蓝色的的幕布上用浅浅蓝色绘制出出特定的格子子图），并且正面倾斜斜放置。在实实际拍摄中，人物、景物连连同网格图案案一并被摄像像机摄入，系统的数字视视频处理器可可以利用电平平差技术分离离出浅蓝色网网格图案，经过识别分析析，并与计算机跟跟踪软件及硬硬件预先确定定好的模型进进行比较，从而获取摄像像机的各项运运动参数，然后用这些参参数去控制虚虚拟背景生成成系统，产生生与前景匹配配的背景。图形识别方式式最主要的优优点是免除了了编码器方式式繁琐的安装装和调校，在拍摄过程中中可以随意移移动摄像机，增加了摄像师师的创作自由由度。另外这这种方式可直直接使用演播播室原有的摄摄像机，甚至是便携式式摄像机，降低了演播室室系统改造的的费用。不足足：（1）由于该方式要要对图案进行行分析、计算算，数据处理时间间长，加大了视频延延时量(5～17帧左右)；（2）获得的摄像机机运动参数精精度比编码器器方式低；（3）当摄像机散焦焦或摄取画面面中图案信息息量较少时(至少要求含有有4个网格点)，系统便无法正正常工作，对对摄像机的景景深以及演员员的活动范围围造成一定限限制。在位置探测跟跟踪中，用一一些固定的探探测器对特定定的物体进行行跟踪，或通通过安装在摄摄像机上的仪仪器进行定位位，推拉和变变焦参数也要要通过传感器器来跟踪。这这种技术从运运动捕捉系统统衍生而来，，工作原理与与网格识别相相反，但两者者的精确度相相近。（３）位置探探测蓝背景：制作作虚拟演播室室的蓝背景要要求背景平滑滑，还要有空空间感，一般般是两面或三三面蓝色墙再再加上地面。。为保证全景景镜头的使用用，照射在蓝蓝背景上面的的光线要均匀匀。为了保证证色键效果最最好，要使用用纯正的色键键蓝色。蓝背背景的空间大大小，应该能能保证可容纳纳全部道具并并且可以使主主持人有足够够的活动区域域。2、蓝背景和背景景的建立背景：虚拟演演播室的背景景图像可以是是来自录像机机或摄像机的的视频图像，，也可以是静静止图像，但但使用最多的的是计算机创创作的二维或或三维图形CG(ComputerGraphics)，即虚拟拟场景。虚拟拟场景可分为为二维虚拟场场景和三维虚虚拟场景。二二维虚拟场景景是指景物没没有厚度，只只提供一个平平面背景。在在三维虚拟场场景中景物是是立体的，具具有Z方向的的厚度，在具具有虚拟后景景的同时，也也提供虚拟前前景。人物可可在前景与后后景之间穿插插运动，从而而增强了视觉觉效果的纵深深感和真实感感。三维虚拟场景景的制作可分分为几个步骤骤：首先要对对虚拟场景中中出现的所有有物体按自然然尺寸比例建建成三维模型型，然后在模模型上添加材材质，描绘纹纹理：其次是是将模型在虚虚拟场景中定定位，制作灯灯光效果以及及阴影：最后后是制作在实实际拍摄过程程中虚拟场景景出现的事件件序列和特技技效果，目前前用于虚拟场场景制作的主主要软件有Softimage，，Alias/wavefront,3Dmax等，它们们一般都具有有建模、描绘绘和特技等功功能。实时背景生成成：是指在摄摄像机运动参参数控制下，，背景生成系系统对预先制制作好的虚拟拟场景信号进进行处理，实实时生成与前前景有正确透透视关系的背背景图像。这这就意味着背背景生成系统统必须要以25帧/秒的的速度实时处处理数据流。。如果生成三三维虚拟场景景，其计算量量是非常大的的。在不降低低图形照明度度、阴影，纹纹理和建模结结构的前提下下，提高图形形工作站图形形刷新速率成成为实时生成成虚拟背景的的关键。目前前一般采用的的是美国SGI公司推出出的工作站以以及E&S公公司推出的运运用在WindowsNT平台上上具有动态Z提示功能的的图形工作站站。３、键信号处理与与图像合成色键合成器用用于完成前景景与后背景的的混合，色键键制作的质量量除了与蓝背背景、制作环环境灯光和摄摄像机有一定定关系之外，，色键器本身身的质量也会会影响节目质质量。使用清清晰、亮度平平坦的颜色，，才能使前景景和背景分离离，然后把演演算后的信号号用于另一个个不同的背景景，使用线性性键可以把前前景的阴影取取出来并叠加加到背景上。。所以为保证证合成准确，，拍摄视野中中的蓝色幕布布照明必须均均匀。一般来说虚拟拟摄像机和实实际摄像机的的数量是相同同的，但虚拟拟背景信号源源的数量与实实际摄像机数数量并不一定定相同。用两两个背景生成成器，两个色色键器就可以以完成任何两两个摄像机之之间叠化效果果制作，硬切切只需要一个个虚拟背景信信号源。为了了完成叠化效效果制作，计计算机通过编编辑接口监视视切换器的状状态或从预演演母线上了解解下一个切换换的摄像机，，并对其进行行切换。当虚虚拟摄像机切切换之后，切切换器就做好好了叠化的准准备。虚拟演播室系系统一般包括括两套计算机机系统，一套套处理摄像机机跟踪的数据据，一般采用用高配置的微微机、小型计计算机工作站站；另一套是是进行虚拟演演播室的场景景制作，具备备以下功能：：具有足够的的计算能力，，包括处理多多重任务的能能力；可以支支持实时操作作系统；具有有极强的绘画画能力，甚至至达到高标准准三维动画制制作水平；能能够处理音频频信号，并具具有控制其他他视频和音频频设备的能力力。４、计算机技术参参与节目制作作四、虚拟演播播室运行流程程创意人员拟出出节目制作方方案导演及创意人人员为虚拟演演播室电脑虚虚拟三维场景景的操作者““说戏”；动画师或模型型师在电脑中中创建模型及及贴图；导演与虚拟演演播室操作者者合作直播或或录像；视频输出、录录制及后期制制作。１、导演或美美术设计师提提出制作方案案由美术设计师师将导演思路路制作成详细细的“剧本””，具体到到每个画面要要素怎么动，，主持人的位位置怎么变化化，是否有虚虚拟场景中的的特写镜头等等。因为镜头头推进，意味味着电脑生成成的图像放大大。这就必须须要求事先生生成的图像尺尺寸大到足够够镜头推进也也不至于产生生像素变大的的现象。虚拟拟演播室运作作的这种特殊殊性，要求导导演必须就每每个镜头细节节与电脑动画画场景的制作作者事先沟通通，使负责实实施剧本方案案的制作人员员能充分理解解导演的意图图，将三维场场景提前做好好。２、动画制作作人员创建虚虚拟三维演播播室动画制作直接接影响着节目目制作的质量量。虚拟演播播室就是一个个计算机图像像产生与合成成系统，是用用计算机将演演播室的观念念物化，在制制作手段上突突破了传统制制作手段的一一些束缚，使使演播室不再再受时间和空空间的局限。。具体的虚拟拟演播室软件件操作者称为为“动画师””(animator)或“模型师师”(modeler)。他们在整整个虚拟演播播室节目制作作中对演播室室的最终效果果起着举足轻轻重的作用，，他可以是导导演或美工本本人，也可以以是专业的动动画制作者。。目前，几乎所所有的虚拟演演播室软件本本身并不带有有建模及绘画画的软件包，，多数是利用用已有的三维维或二维动画画、图形图像像制作软件来来创建模型及及模型中需要要的贴图，如如3DStudioMAX、Softimage3D、Lightscape和Photoshop等。。这些软件中中做好的模型型和贴图有的的需经过图像像格式的转换换，再存入虚虚拟演播室系系统的专用目目录下，然后后才能从虚拟拟演播室软件件环境中读出出。大量的矢矢量数据经过过生成后产生生的标准倍数数位图，作为为虚拟环境要要么直接存入入图形发生器器中使用，要要么贴在简单单的几何矢量量模型上。３、动画师与与导演的配合合制作人员从传传统的单一的的执行导演意意图的技术员员转变成参与与节目前期总总体方案设计计的创作者之之一。这种变变化无疑提高高了现代电视视节目制作人人的业务要求求，同时也扩扩大了导演的的工作职能和和范围。动画画师与导演应应密切配合，，例如，导演演希望虚拟场场景中的某个个部分动起来来，如标志从从墙上飞起来来，主持人前前的主持台自自己移走，地地面某个部分分腾空而起等等，就必须将将这些带有““动作”的物物体提前与电电脑模型师讲讲明，由模型型师将这些有有动作的物体体用电脑创建建时就将它们们分别作为单单个文件单独独储存。这与与导演看着监监视器指挥调调整现场镜头头中的画面的的传统方法是是不同的，这这也正是虚拟拟演播室制作作电视节目的的主要特点。。４、虚拟演播播室控制员与传统演播室室相比，主持持人或演员所所处的现场已已不再是五颜颜六色的舞台台，取而代之之的是一个全全部涂成蓝色色的房间。摄摄像师的拍摄摄对象主体只只剩下了主持持人或演员。。机位的运动动取决于电脑脑中建立的虚虚拟场景。摄摄像师通过监监视器看到画画面的效果，，导演则坐在在电脑终端前前与虚拟演播播室软件的具具体操作者来来共同控制整整个节目。如如果画面“穿穿邦”，即现现场摄像机摇摇到蓝色背景景以外，虚拟拟演播室软件件能根据需要要自制出虚拟拟蓝色背景。。虚拟演播室电电脑机位上的的操作者（暂暂且称之为““虚拟控制””）已不再是是一般意义上上的电脑操作作人员。虚拟拟演播室系统统是一个计算算机图像合成成系统，其控控制中心是虚虚拟演播室的的系统软件，，它也是虚拟拟演播室节目目制作的“导导演台”。具具体实施操作作的系统控制制员无疑成了了实施导演意意图的最直接接执行者，他他需要既能熟熟练运用虚拟拟演播室软件件及其相关的的三维动画制制作软件，同同时又要具有有一定的镜头头意识和感觉觉。这样才能能更好地与导导演配合，做做出理想的节节目。５、视频、音音频及灯光的的运用虚拟演播室主主要是针对电电脑中的图像像，它仍旧离离不开传统的的视频切换台台和调音台等等设备。通过过视频切换台台，导演可根根据需要在任任何时候切入入或叠加进前前期拍摄的画画面素材。有有的虚拟演播播室系统与传传统视频在节节目制作中略略有不同，蓝蓝色实景现场场摄像机所拍拍摄到的画面面需要经过图图像发生器的的运算生成后后再与电脑中中的虚拟场景景合成，大约约需要四帧左左右的延长时时间，所以现现场同期声也也需要相应的的延时（大约约160ms），以消除除声音与口型型差时的现象象。有的虚拟拟演播室很好好地解决了这这一问题，画画面与声音同同步，不需延延时。现场灯光的使使用已不同于于传统舞台灯灯光的调整方方法，所有光光色必须保证证蓝色空间场场地基色以适适应色键器抠抠像的技术要要求。虚拟演演播室软件系系统有其自身身的灯光参数数，可根据需需要在软件环环境里调整。。理想的色键键器可以很自自然地将实景景中的投影在在虚拟的场景景中表现出来来，使