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虛擬演播室系統(tǒng)分析
虛擬演播室系統(tǒng)分析
`99中國西部地區(qū)電視技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)論文一等獎(jiǎng)虛擬演播室系統(tǒng)誕生的時(shí)間不長，但它的發(fā)展卻比當(dāng)初人們預(yù)料的要快，并迅速成為電視領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。近年來，隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，業(yè)界人士都在為如何在更短的時(shí)間里，花更少的錢，做出更多的節(jié)目而絞盡腦汁。因此，電視節(jié)目制作的效率和產(chǎn)出率必須提高，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。而虛擬演播室技術(shù)正是在這一領(lǐng)域進(jìn)入角色。虛擬演播室(Virtual Studio)技術(shù)，簡稱VS，又稱虛擬布景技術(shù)。它將攝像機(jī)拍攝的圖像實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)三維圖形進(jìn)行合成，從而形成一種新的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。它具有一些傳統(tǒng)演播室無法達(dá)到的功能和優(yōu)點(diǎn)，它可以更為有效的利用演播室資源，節(jié)省大量的制景費(fèi)用及裝、拆布景所耗費(fèi)的時(shí)間和人力，這一技術(shù)還使編導(dǎo)、美工人員擺脫了時(shí)間、空間及道具制作方面的限制，充分發(fā)揮其想象力進(jìn)行自由創(chuàng)造，并能完成一些其它技術(shù)做不到的特技效果，為電視制作開辟了一個(gè)嶄新的空間。
一．虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)
色鍵技術(shù)是電視節(jié)目制作中常用的技術(shù)。站在藍(lán)色幕布前面的演播室主持人由前景攝像機(jī)拍攝，在特技機(jī)的色鍵電路中，由主持人的畫面產(chǎn)生鍵信號(hào)，在主持人畫面與背景畫面進(jìn)行疊加時(shí)，由鍵信號(hào)挖去背景中藍(lán)色以外的畫面，而把主持人的圖像嵌插在背景畫面中，形成了主持人置身于背景畫面的圖像，這種技術(shù)俗稱為“摳像”，在普通的色鍵技術(shù)中，背景畫面往往是已經(jīng)錄制好的節(jié)目。
虛擬演播室技術(shù)與色鍵技術(shù)十分相像，它也是由前景的主持人為主的畫面和背景畫面，采用色鍵的方法構(gòu)成一體，產(chǎn)生人物置身于背景的組合畫面。然而，在真正的虛擬演播室技術(shù)中，背景是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的，計(jì)算機(jī)接受攝像機(jī)的控制，隨著攝像機(jī)的推拉搖移，改變俯仰角度，計(jì)算機(jī)相應(yīng)改變畫面的大小和角度，并且為了正確再現(xiàn)前景與背景的空間透視關(guān)系，還需對(duì)前景和背景實(shí)施空間鎖定， 這種空間鎖定是通過精確測(cè)定攝像機(jī)的所有定位參數(shù)(包括鏡頭調(diào)整參數(shù))來實(shí)現(xiàn)的。
二、虛擬演播室的原理
虛擬演播室的原理如圖(1)所示，主持人一般是在呈“U”型或“L”型的藍(lán)箱里做著各種表演，實(shí)際的、或“真實(shí)”的前景攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝，背景圖像(畫面裝飾、道具和風(fēng)光布景)大都是三維立體圖，由制作人員預(yù)先用計(jì)算機(jī)生成(即預(yù)先著色好)，前景與背景圖像在傳輸或錄制過程中混合。這種合成圖像的制作方式即被稱為“虛擬”。故此，這種圖像攝錄系統(tǒng)也被稱為“虛擬攝像機(jī)”，與傳統(tǒng)的藍(lán)幕色鍵技術(shù)截然不同的是，虛擬演播室技術(shù)中的真實(shí)攝像機(jī)(前景圖像)與虛擬攝像機(jī)(產(chǎn)生背景圖像)始終保持同步互鎖，為此，必須對(duì)真實(shí)攝像機(jī)的以下參數(shù)進(jìn)行確定：
(1)藍(lán)幕背景的X、Y、Z坐標(biāo)值。
(2)攝像機(jī)的俯仰、搖移以及可旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值。
(3)鏡頭的焦距和聚焦。
然后，真實(shí)攝像機(jī)的所有上述參數(shù)都送入計(jì)算機(jī)分析，系統(tǒng)對(duì)與前景圖像相關(guān)的虛擬背景圖像發(fā)出控制指令。最后，錄有表演者和真實(shí)道具的前景圖像與計(jì)算機(jī)生成的背景圖像在色鍵控制器里合成為一幅畫面，傳送至視頻切換臺(tái)輸出。
由此可見，虛擬演播室系統(tǒng)可分解為三個(gè)部分：攝像機(jī)跟蹤部分、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景生成部分及視頻合成部分。
1.攝像機(jī)跟蹤部分。
攝像機(jī)在拍攝過程中有平移X、縱移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS等變化，這些參數(shù)的改變會(huì)引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環(huán)境，計(jì)算機(jī)必須根據(jù)這些參數(shù)不斷調(diào)整三維視圖。而攝像機(jī)跟蹤部分的作用正是收取攝像機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的跟蹤真實(shí)攝像機(jī)，以保證前景與計(jì)算機(jī)背景“聯(lián)動(dòng)”。由于這種“聯(lián)動(dòng)”是以高速計(jì)算機(jī)運(yùn)算的結(jié)果，而這種運(yùn)算永遠(yuǎn)是存在著一個(gè)運(yùn)算時(shí)間，所以這種“聯(lián)動(dòng)”是有時(shí)間差的。只是設(shè)計(jì)者保證使這種時(shí)間差在一個(gè)人眼不易察覺的范圍之內(nèi)，因此要求前景攝象機(jī)只能在一個(gè)有限的速率內(nèi)改變位置參數(shù)。 目前虛擬演播室的攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)主要有以下幾種方式。
(1) 基于傳感器的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)通過安裝在攝像機(jī)各部分的機(jī)械傳感器來獲取各種信號(hào)參數(shù)， 平面X、Y位移傳感器，一般有光電式、機(jī)械式和導(dǎo)軌式等幾種，光電式屬非接觸型，誤碼率低，連續(xù)性好，且攝像機(jī)移動(dòng)不受限制，但必須在攝像機(jī)移動(dòng)通道地面畫上格點(diǎn)，以便識(shí)別。機(jī)械式屬接觸型，由一個(gè)與地面相摩擦的圓球帶動(dòng)水平、垂直兩個(gè)方向的光電碼盤，光電碼盤送出X、Y數(shù)據(jù)，此方式攝像機(jī)移動(dòng)也不受限制，但使用時(shí)間長了易產(chǎn)生誤差。導(dǎo)軌式誤碼率低，且必須鋪設(shè)軌道，使攝像機(jī)的移運(yùn)受到一定的限制。 高度位移Z傳感器，一般安裝在升降機(jī)上，隨升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)Z信號(hào)。 水平角度和俯仰角度傳感器安裝在攝像機(jī)云臺(tái)上，并分別與云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸連動(dòng)。 聚焦Focus和變焦Z00M傳感器，則附于鏡頭的聚焦齒輪和變焦齒輪處。 該系統(tǒng)速度很快，方法較為簡便直接，是目前虛擬演播室最常用的攝像機(jī) 跟蹤方式，但該方式有其固有的缺點(diǎn)，比如得到的攝像機(jī)參數(shù)精度不高，限制了攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的標(biāo)定很麻煩等等。
(2)基于圖形分析系統(tǒng) 該方式需要把一個(gè)精確的網(wǎng)絡(luò)圖案以兩種不同的藍(lán)色形狀繪制于藍(lán)背景上，通過攝像機(jī)識(shí)別這種圖案并與計(jì)算機(jī)跟蹤軟件及硬件，預(yù)先確定的模型進(jìn)行對(duì)比，以確定物體與虛擬背景的透視關(guān)系及距離。 該系統(tǒng)精度較高，無需鏡頭校準(zhǔn)，同時(shí)攝像機(jī)可以不同軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但該系統(tǒng)在對(duì)藍(lán)色網(wǎng)格圖案制作色鍵過程中的陰影很難處理，很難保持良好的鍵的質(zhì)量，攝像機(jī)拍攝不能垂直于藍(lán)色網(wǎng)格圖案，必須偏離30度角以上，否則不能準(zhǔn)確定位，而且攝像機(jī)必須同時(shí)觀察4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以保持跟蹤，這就不可能對(duì)人物進(jìn)行特寫鏡頭的拍攝，攝像機(jī)必須緩慢移動(dòng)以避免跟蹤混淆引起跳幀。還有一點(diǎn)，此系統(tǒng)需要額外的工作站把網(wǎng)格坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為搖移，俯仰及
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