虚拟演播系统

系统概况

虚拟演播室系统应用摄像机跟踪技术，获得真实摄像机数据，并与计算机生成的背景结合在一起，背景成像依据的是真实的摄像机拍摄所得到的镜头参数，因而和演员的三维透视关系完全一致，避免了不真实、不自然的感觉。由于背景大多是由计算机生成的，可以迅速变化，这使得丰富多彩的演播室场景设计可以用非常经济的手段来实现，由于它本身所具有的无穷魅力以及其不可低估的发展前景，迄今已被越来越多的节目制作及有关人员所关注。

虚拟演播室是一种全新的电视节目制作工具，虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计、色键技术、灯光技术等。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的主持人看起来完全浸尽于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

采用虚拟演播室技术，可以制作出任何想象中的布景和道具。无论是静态的，还是动态的，无论是现实存在的，还是虚拟的。这只依赖于设计者的想象力和三维软件设计者的水平。许多真实演播室无法实现的效果，对于虚拟演播室来说，确是“小菜一碟”。例如，在演播室内搭建摩天大厦，演员在月球进行“实况”转播，演播室里刮起了龙卷风等等。现在有的电视台已经起用了虚拟主持人，并且成为了明星，他们不仅可以配合真人的主持人主持节目，而且还可以单独主持节目。这些都是虚拟演播室创造性的体现。

虚拟演播室的产生，给视频节目制作、电视广播带来了一场革命。

三维虚拟演播室的跟踪技术有4种方式可以实现，网格跟踪技术、传感器跟踪技术、红外跟踪技术、超声波跟踪技术，其基本原理都是采用图形或者机械的方法，获得摄像机的参数，包括摄像机的X、Y、Z、（位置参数）Pan、Till、（云台参数）Zoom、Focus（镜头参数） 由于每一帧虚拟背景只有20ms的绘制时间，所以要求图形工作站实时渲染能力非常强大，对摄像机的运动没有更多的限制，一般适合专业电视台，对节目制作要求较高的用户使用。

另一种方法是预生成三维背景，即要首先制作好背景的三维模型，然后预先定义好摄像机的运动和参数设置，根据这些数据生成每台虚拟摄像机的视图画面，最后运用色健将前景和相应的虚拟背景结合起来。这种方式可以生成比较真实的虚拟背景，对图形工作站实时渲染能力要求不高，摄像机只可以切换机位（摄像机机位必须事先与背景调整好比例和透视关系），不可以做其他的运动，这样的虚拟演播室适合学校以及电教中心，投资较小，要求不高的用户使用。

虚拟演播室系统特点

虚拟演播室系统是近年来随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进而出现的一种新的电视节目制作系统。在虚拟演播室系统中，摄像机的工作状态信息传送给图形工作站，计算机依此得到前景物体与摄像机之间的距离和相对位置，从而计算出虚拟场景最适宜的大小、位置，并按要求计算生成虚拟场景的三维模型。现场视频采用色键原理，将主持人或演员置身于蓝色背景幕布前表演，然后利用切换台上的色键功能将主持人从蓝色背景中分离出来，实时地与计算机产生的三维模型完美无缺地集成在一起，构成一个现实中不存在的，但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛，最终得到把将实拍的人物与虚拟景物无缝地融合起来的画面。

虚拟演播室优点

虚拟演播室的优势是显而易见的，从画面可以明显看出，电脑生成的背景与演员之间的融合简直是天衣无缝。虚拟演播室系统用软件来生成背景和道具，它可制作出实际不存在的或难以制作的场景，并可以在瞬间改变场景，可以制作出真实演播室无法实现的效果，其空间不受物理空间限制，摄像机可以以360゜旋转；还可以引人大量虚拟特殊环境与道具，因此可创作出更丰富、更吸引人的节目,使导演在很大程度上摆脱了时间、空间和道具制作方面的限制，获得了更大的创作的想象空间，能够以低廉的成本产生新奇的视觉效果。另外，由于场景的制作、修改、保存等都在计算机上进行，制作和更换电子布景快捷简便，节省了大量的人力、物力、财力，而且缩短了节目制作周期，提高演播室的利用率等等。虚拟演播室虽然具有诸多的优越性，但它由于价格昂贵，普及和推广有一定的难度。

【系统关键技术】

①摄像机的跟踪与定位

在虚拟演播室节目制作过程中，确定摄像机的状态信息非常关键。虚拟演播室专用数字摄像机通常为二到三个，摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其跟踪方式有光学识别系统和机械传感式系统两种。其原理是将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦乃至升降等传感部位的运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“校准器”，这样，理想情况下，现场摄像机与虚拟演播室中“虚拟”的摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机运动时，虚拟摄像机受跟踪器的控制可以实时地与现场摄像机保持同步。

②摄像机的锁定

虚拟演播室的另一重要而独有的问题是摄像机之间的位置关系。虚拟摄像机与真实摄像机的初始位置并无直接关系，它可以放在虚拟空间的任意位置，当演播室有两台以上摄像机进行切换时，必须保持实际演员和景物在虚拟演播室中的位置不变，也就是与虚拟景物的关系不变。否则在切换时，观众会看到演员从背景中某个地方跳到另一个地方，在视觉上会造成不真实的效果。由于真实物体与演员是由真实摄像机给出，背景由虚拟摄像机给出，所以必须对虚拟摄像机进行位置锁定，即虚拟摄像机之间的距离必须与真实摄像机之间的距离相等，且推拉、摇移的初始量（原位矢量）与真实摄像机的位置方向关系保持一致，才能进行切换。

③变焦、聚焦与景深

实际拍摄时，摄像机的聚焦点一般都跟踪主持人，如果此时前景和背景都聚焦得十分清楚，会产生景深的不自然感。尤其在特写镜头时，背景应该是虚焦的，使前景、背景如同出自同一摄像机，否则，这种虚拟演播室是不成功的。

④色键与蓝箱

抠像，蓝箱主要有一墙一、三墙一底式蓝箱、三墙一底式蓝箱、底式、两墙一底（一角）式和三墙一底式3种。其中三墙一底式能给出更大空间，摄像机机位限制小，摇摄范围大。蓝箱必须保证均匀的蓝色背景，特别是在墙墙、墙地交接处不能有接缝的痕迹。同时，由于节目制作过程中采用了色键技术，演员及真实道具在蓝室中投下的影子也要随演员及道具一起进入虚拟空间，人物和环境景物在演播室灯光下的影子会被抠掉，造成一种不真实感。由于色键技术的使用，因此会产生延时，不仅要求系统增加前景视频延时单元，而且必须考虑其它问题。一个是声音，由于前景视频被延时，为了保证声画同步，需要增加视频帧同步器。另外，由于延时，给演员观看反馈监视器上的合成图像以确定动作增加了难度。

抠像功能，可以抠除蓝色，红色和黄色背景，实现虚拟演播厅的效果。启动软件后，打开“系统”->“抠像和颜色调整”。根据实际情况，选择需要进行抠像的通道，并且勾上启动抠像的复选项，然后选择作为背景的通道或者图片。最后，根据实际情况，稍微调节抠像的颜色范围，达到最佳抠像效果。

⑤计算机技术

虚拟演播室系统配备的计算机是一个小型计算机网络，主机为网络中心，它是虚拟演播室的控制中心，是虚拟演播室节目制作的“导演台”。它除了调用和调整事先做好的三维虚拟场景外，还负责向图形发生器传输图像数据及处理由摄像机跟踪器传来的摄像机运动数据。根据主机传来的摄像机运动数据实时地计算出虚拟的三维电脑场景的运动，以保证其输出的虚拟背景与真实的前景同步。

在虚拟节目准备中的一个重要任务就是建立三维模型。虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的活动视频，也可以是静止图像等，但使用最多的是由计算机创作的二维或三维模型CG（Computer Graphics），即虚拟场景。虽然虚拟演播室的背景原则上说可以无穷地转换变化，但是背景的创意、三维建模等工作相当复杂，不再是一两个人就能充分使用好的系统，它需要导演、创意者、美术设计、二维建模者、三维建模者、演员及虚拟系统的操作者等人员的通力配合。因此，对于一次性节目背景的制作而言，虚拟演播室并没有效率上的优势，而除了可以制造出不同凡响的特技效果外，能否真正发挥虚拟演播室的功能，创造出高质量的特技效果，还在于制作者的想像力和它们之间的配合。