浅谈虚拟技术在演播室中的应用与发展.docx

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浅谈虚拟技术在演播室中的应用与发展

浅谈虚拟技术在演播室中的应用与发展

人类已进入信息时代，而电视作为信息的创造、加工、传输的主要工具，近十年来发展迅猛，各电视台都试图占领本地区的电视传媒市场。

由于上星频道增多，一般大、中城市观众通过有线电视网都能接收到数十套电视节目，因而仅仅依靠增加频道、增设栏目和扩大覆盖面等手段来提高收视率已远远不够。

提高电视节目质量、降低电视节目制作成本将成为各电视台竞争的最大筹码。

为电视制作提供无限想象和表现空间的虚拟演播室技术，适应这一需求，应运而生。

　　一、从传统演播室到虚拟演播室

在传统的电视节目制作中，为有一个美观多样的演播室布景，制作人员必须精心设计和搭建表演区和场景，需要消耗大量的人力、财力用在道具的购买、场景的布置和维护上，如价格昂贵又难以维护的大屏幕电视墙等，而且置成的场景无法即时更新和变换，如要改换只能重建，资源利用率低且工作周期长，即使如此，许多场景、舞台效果仍无法实现。

　　色键制作技术是用摄像机拍摄均匀蓝色幕布之前的人物或道具〔前景〕，然后通过色键设备把蓝背景抠掉，换成其它背景图像。

显然，前景和背景只是简单地叠加在一起。

为保证色键效果的真实性，要求拍摄前景的摄像机不能移动、变化，因为背景不能随之跟踪变换；当然也不能完成摄像机之间的切换，因为背景不能保持恰当的透视效果；如果背景是活动画面，即使保持拍摄前景的摄像机不变化，仍会产生主持人好象在背景上飘浮的感觉，缺乏真实感，可见色键制作技术是有很大局限性的。

为了产生出逼真视觉的场景效果，用电脑场景工作站生成的三维图像代替简单的二维图像作为演播室的“虚拟”背景，并跟踪摄像机运动实时调整和“移动”该背景，使之与拍摄的主持人图像〔前景〕同步变换，实现三维场景的移动变换与真实摄像机相一致的模拟效果，这就是三维图形学、人工智能、模式识别与电脑图形图像处理相结合的虚拟演播室技术

一般虚拟演播室系统的组成框图如图1所示。

摄像机拍摄的主持人在带识别标志的蓝屏前表演的视频图像一路送数字图像处理部分，实时获取运动摄像的内外参数，另一路送视频延时器，以保证前景与虚拟背景在合成时严格同步；其输出送数字色键器，从带识别标志的主持人图像中去掉识别标志和蓝背景部分，并给出描述前景与虚拟背景融合比例的键信号。

三维虚拟场景制作、发生工作站既能根据节目需要制作虚拟场景，又能借助三维加速卡在摄像机运动参数控制下实现变换场景；视频源1送入虚拟场景发生器，显示在虚拟场景中的虚拟大屏幕电视墙上，视频源2送入多层图像合成器，可以制作出众多的特殊效果。

从以上系统结构中可以看出，虚拟演播室主要包括三个部分：

摄像机运动参数的获取和实时计算、实时色键计算、三维虚拟场景实时生成和输出。

多层图象合成器

视频延时器

视频切换台

视频源2

色键器

1三维虚拟场景制作。

发生工作站。

2三维图形加速硬件

视频源1

数字图象处理器

通用虚拟演播室系统结构框图

　　二、以跟踪方式区分的虚拟演播室两大类别

　　虚拟演播室中的一项关键技术是如何判断摄像机、主持人、电脑“虚拟”背景之间的相对位置关系，使之实现“同步”。

实现“同步”的关键是连续跟踪获得摄像机的运动参数。

这些参数包括镜头运动参数〔变焦、聚焦、光圈〕、机头运动参数〔摇移、俯仰〕及空间位置参数〔地面位置X、Y和高度Z〕等。

目前，成熟的跟踪技术主要有图形识别〔PatternRecognition〕和以传感器为基础的跟踪系统〔Sensor-basedCameraTrackingSystem〕两种方式。

同时这也是虚拟演播室两大类别的主要区别之处。

图形识别方式需要一个画有特殊网格的蓝色背景幕布，它将摄像机所拍摄的画面送到数字视频处理器〔DVP〕中进行处理，通过对该画面中网格各具的不同特征和透视关系进行计算，得出有关摄像机的运动参数，机械传感器方式则是通过安装在摄像机云台及镜头上的传感器获得有关参数。

两种方式各有其优缺点。

图形识别方式的优点是对摄像机不加限制，也给予摄像师最大的自由度。

缺点是要对所拍画面进行复杂的大量的数据计算，会造成较大的延时；由于只有当被摄画面包含一定数量的网格时才能进行测量计算，使主持人的活动范围受到一定的限制；为了精确跟踪计算，必须保持用于识别背景网格始终清晰，这使得摄像机景深范围受到限制，无法拍摄特写镜头；由于背景采用深浅两种蓝色，对灯光布置的要求比较严格，而且要使用较高质量的色键进行抠像。

机械传感的方式可以弥补图形识别方式的不足，但其缺点是摄像机位置必须固定，每换一个位置都要重新进行定位调整，需要投入更多的资金购置额外的设备。

为给用户提供更大的选择余地，在以某种跟踪方式为主的同时还融入了另外一种。

三．虚拟演播室的未来与发展

　　虚拟演播室技术经过数年的发展之后，已从初创阶段走向实用阶段。

目前的虚拟演播室系统不仅在关键技术上有了很大改善，而且还在系统类型上得到了完善，在应用领域上也有了较大扩展。

1.关键技术的进步

〔1〕红外线跟踪技术红外线跟踪技术是一种新颖的摄像机跟踪技术，它是利用红外线收发装置来检测表演者和摄像机在演播室中的位置，红外线的发射装置可安装于表演者和摄像机身上，而接收装置〔通常需要两个〕可安装于蓝色幕布的上方。

采用这种技术可实现360°的拍摄扇区，使摄像机在蓝色演播室的真实场景中的运动不受任何限制。

红外线装置可安装在任何种类的摄像机上，包括手持式和固定式，而且它与图形识别系统及机械传感器系统相兼容。

红外线跟踪技术配合“象素级”深度键之后，表演者可处于虚拟场景中任何一个合适的位置，而且可以走到虚拟物体之前或之后，甚至可以处于虚拟物体的内部。

〔2〕辅助摄像机技术辅助摄像机技术是以图形识别技术为基础，可以说是图形识别系统的一种扩展。

辅助摄像机是一种专用的小型摄像机，它可安装在任何一个演播室摄像机的顶部。

而格子图案可以是任意颜色的，可安装于摄像师的后部、侧墙或天花板上。

当演播室摄像机拍摄表演者时，辅助摄像机就会拍摄到格子图案，通过对格子图案的视频图像信号进行分析，就可得到演播室摄像机的各种运动参数。

使用辅助摄像机技术后，演播室摄像机的拍摄可不受任何限制，可实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作及非蓝演播室应用等。

〔3〕“象素级”深度键技术在处理演员在虚拟场景中的位置方面，原先使用的是“分层级”深度键技术，在这种情况下，物体被分别归类到数目有限的几个深度层中，因此演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。

而在目前出现的“象素级”深度键技术中，构成虚拟场景的每一个象素都有相应的Z轴深度值，因此演员在虚拟场景中的位置可以连续变化。

使用这种技术后，虚拟物体、真实物体及表演者可在节目中动态地相互遮挡，从而增加了虚拟场景的真实感。

〔4〕“垃圾色块”技术使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。

为了克服这一现象，出现了“垃圾色块”技术，或称为“填补彩底”技术。

使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，因此它具有“背景保护”功能，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围。

另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。

〔5〕其它新技术其它新技术还包括虚拟阴影及反射、虚拟散焦、高速数字视频处理等等。

利用虚拟阴影及反射技术可进一步增强场景的真实感。

虚拟散焦功能可模仿几何光学的原理，对虚拟场景中的远处景物进行散焦处理，从而增强场景的纵深感。

新的数字视频处理器可完成高达每秒30亿次的操作，可建立逼真的3D环境。

随着虚拟演播室技术的发展，虚拟演播室的系统类型也得到不断的完善。

目前已出现了能满足各种需要、适应各个阶层的系统类型。

从功能上看，除了最基本的三维系统和二维系统之外，还出现了一些能实现特殊功能的系统类型，如虚拟出席、移动场景以及为适应高清晰度电视系统而开发的HD虚拟演播室系统等。

〔1〕三维系统这类系统属于高档虚拟演播室系统，其特点是可创建全三维的虚拟场景。

由于三维场景的实时描绘需要非常大的计算量，所以，这类系统必须采用功能强大的图形工作站或专用的高速图形处理器作为背景生成装置。

在摄像机运动参数的获取方面，可使用图形识别方式，也可以使用机械传感器方式等。

用摄像机运动参数来控制背景生成装置就可得到与前景图像成正确透视关系的三维虚拟场景，然后通过色键合成技术将前景与背景合成后输出。

这类系统配合以虚拟阴影及反射、象素级深度键等新技术后，可到达非常逼真的全三维虚拟场景效果，是节目制作的最正确选择。

〔2〕二维系统这类系统的出现是为了迎合某些用户的愿望，即能在较低的价位上建立一个简单、实用而且图像质量高的二维虚拟演播室系统。

这类系统的背景生成装置一般采用图像处理器硬件，可生成类似于二维DVE效果的背景图像。

与一般DVE系统所不同的是，在这里各种数字视频效果的生成是在摄像机运动参数的控制下进行的。

例如，当摄像机推近前景图像时，在相应运动参数的控制下，图像处理器会产生一个放大的图像，与前景配合。

合成之后，前景看上去就好似确实处于图像处理器产生的虚拟背景之中。

此系统由于是二维系统，所以摄像机不需移动。

〔3〕虚拟出席虚拟出席是在基本系统的基础上增加的一个特殊功能，它能将远地传来的实况视频无缝地组合入本地演播室。

也就是说，虚拟出席可将远地演播室中的表演者与本地演播室中的表演者实时地结合在一个虚拟场景中，而不需要通过视频窗口。

两个表演者可以在虚拟场景中面对面地相互交谈、表演，观众觉察不到他们是身处异地。

这一功能的好处是远地的节目嘉宾可以不必再亲临本地演播室参与节目制作，他们只需到最近的蓝幕演播室处，便可实时且无缝地进入到节目中。

〔4〕移动场景移动场景也是一种具有特殊功能的系统，它可将视频及动画插入到室内和室外的节目中。

这里使用的是一块绘有格子图案的小型面板，拍摄节目时将它放置在需要插入视频或动画的场景位置上。

摄像机可从任意角度拍摄，得到的格子图案信息可控制生成装置生成与面板透视关系一致的视频或动画。

最后经色键合成后，在相应于面板的位置就会出现视频或动画，且其透视关系与面板完全一致。

移动场景功能非常适合于体育报道、实况采访、天气预报、现场新闻报道等节目，它可给节目增添活力，带来耳目一新的感觉。

〔5〕HD系统目前，高清晰度电视技术发展很快，它已成为广播电视的热点，正在或即将走进人们的生活。

为了适应这一变化，在虚拟演播室系统中也开发了适合于高清晰度电视的系统，即HD虚拟演播室系统。

3．应用范围的扩展

虚拟演播室技术最初只是用于演播室节目的制作，但现在它的应用范围有了很大的扩展，特别是在体育节目的报道及广告方面，出现了以虚拟演播室技术为基础的一些新技术，如虚拟重放系统、数字重放系统及虚拟广告系统等，利用这些技术制作的节目可得到非常好的效果。

〔1〕虚拟重放系统虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评论节目。

它可提供球场、队员及球的动态三维图形画像，同时可连续改变虚拟摄像机的拍摄视点。

虚拟重放系统的工作过程是这样的：

首先选择一帧要分析的视频图像，画面在这一帧冻结起来。

接着冻结起来的二维视频图像渐渐变成一幅动画形式的三维场景，即球场、队员及球等都变成了相应的三维图形画像。

虚拟摄像机可围绕这一场景进行自由的“飞绕”拍摄，因此观众可从任意角度观看这一瞬间的比赛情况。

这套系统需要事先存储体育场的三维模型。

另外，准备素材需要几分钟的时间。

虚拟重放系统将逐步改变体育节目的转播方式，它可部分代替慢速重放，可从各个角度模仿真实比赛的情况，因此呈现在观众面前的将不再是“有争议”的或是难以判断的情况。

目前，虚拟重放系统可用于美式足球、足球、冰球等比赛项目。

〔2〕数字重放系统数字重放系统主要应用于体育比赛的报道及评述节目。

它能迅速重放各种精彩场面，在重放时，通过使用先进的视频跟踪技术，可突出显示并自动追踪关键运发动或球，显示他们的运动轨迹或路线，测量并显示运发动和球的速度以及两物体之间的距离，可在视频图像上直接描画各种箭头、轨迹、路线和标志。

对于观众来说，数字重放系统可使他们更清楚地了解比赛中的每一个细节，从而能更好地欣赏比赛。

对于体育评论员和球队教练来说，数字重放系统是一个理想的分析工具。

〔3〕虚拟广告系统虚拟广告系统可在体育节目或文艺节目的直播期间，将演播室制作的虚拟广告牌插入到赛场或表演场的空地上，或用虚拟广告牌替换掉场地上原有的广告牌，合成后可到达以假乱真的效果，观众丝毫不会觉察。

利用虚拟广告系统有很多优点。

首先，在对不同的地区进行转播时，可插入不同的广告，增强广告的有效性，提高资源利用率。

另外，赛场上的广告可以不再是静止的，可以将插入的虚拟广告作成动画形式，各种二维或三维的动画广告更能吸引观众的注意力。

此外，使用虚拟广告后，广告位置不再局限于场地的边边角角，如果愿意，整个场地都可以放置虚拟广告，广告尺寸也不会有任何限制。

而且，虚拟广告可插入到以前无法利用的空间，如水面、沙滩、雪地或非常高的地方。

结束语

虚拟演播室技术的发展很快，也包括很多方面，本文只介绍了其中的几个主要方面。

虚拟演播室技术的发展是和数字视频技术、电脑技术以及其它相关技术的发展息息相关的，随着这些技术的发展，虚拟演播室技术也在不断地发展和完善。

另外，虚拟演播室技术的应用也扩展到了互联网上，目前已有了具有虚拟实况和网络重放功能的互联网节目，观众不仅可以通过互联网即时欣赏到全运动的三维比赛精彩场面，还可以在互联网上分析关键的比赛瞬间。

近年来提出的MPEG-4压缩技术是一种基于对象的编码方式，非常适合于虚拟演播室系统，它的出现必将对虚拟演播室技术的发展及应用起很大的推动作用。

虚拟演播室技术的发展方兴未艾，相信它终将会成为一种最为有力的节目制作工具.