淺談虛擬演播室技術(shù)

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1、淺談虛擬演播室技術(shù)摘要:本文敘述虛擬演播室技術(shù)基本原理,系統(tǒng)構(gòu)成,使用時應(yīng)注意的問題并介紹了一些公司產(chǎn)品系統(tǒng)的特點。關(guān)鍵詞:〖ＨＴＫ〗虛擬演播室,前景圖像,虛擬背景,跟蹤系統(tǒng)1概述虛擬演播室(VirtualStudio)是近年發(fā)展起來的一種新興電視制作技術(shù),是傳統(tǒng)演播室色鍵摳像技術(shù)與計算機虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的產(chǎn)物。它將攝像機拍攝的圖像與計算機制作的虛擬場景完美地結(jié)合起來,創(chuàng)造出令人異想天開的虛擬世界。這一技術(shù)的應(yīng)用,使得電視工作者擺脫了時間、空間及道具制作方面的限制,能夠自由地遨游在廣闊的想象空間之中,極大地提高了電視臺的節(jié)目創(chuàng)作及

2、制作能力。并且由于虛擬場景的制作、修改、保存都是在計算機中進行,省去了真實場景的搭建、拆卸、儲藏等環(huán)節(jié),降低了節(jié)目制作的費用,提高了演播室的效率。2虛擬演播室的基本原理在虛擬演播室中,把攝像機拍攝到的人物、景物稱為前景圖像,而把通過計算機動畫軟件制作的二維或三維動畫圖形,稱為虛擬背景或虛擬場景。在圖1中可以看到,雖然虛擬演播室前景、背景圖像也是靠色鍵技術(shù)合成的,但二者之間卻有"同步聯(lián)動"關(guān)系,即將拍攝前景的攝像機進行搖移、俯仰、變焦、聚焦動作時,可以通過獲取攝像機的各種運動參數(shù)(搖移、俯仰、變焦、聚焦、攝像機空間位置等),去控制背景

3、圖像生成裝置,使之生成與前景圖像保持正確透視關(guān)系的背景圖像,最后通過色鍵將前景、背景圖像合成輸出。3虛擬演播室的系統(tǒng)構(gòu)成1套典型的虛擬演播室系統(tǒng)主要由攝像機跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)及視頻合成系統(tǒng)組成。31攝像機跟蹤系統(tǒng)虛擬演播室中如何正確判斷攝像機、主持人及虛擬背景之間的相對位置關(guān)系,是實現(xiàn)前、背景圖像完全同步聯(lián)動、再現(xiàn)起初的透視關(guān)系的關(guān)鍵所在,因此就需要有1個能夠隨時檢測和提供攝像機運動參數(shù)和演員位置參數(shù)的系統(tǒng),這就是攝像機跟蹤系統(tǒng)。攝像機的運動參數(shù)包括鏡頭運動參數(shù)(變焦、聚焦、光圈)、機頭運動參數(shù)(搖移、俯仰)以及空間位置參

4、數(shù)(地面位置X、Y和高度Z)等。這些參數(shù)的獲取對虛擬演播室系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的,它會直接影響到合成圖像的效果。在二維虛擬演播室中,一般只需要跟蹤攝像機的鏡頭運動參數(shù)(變焦、聚焦)和鏡頭運動參數(shù)(搖移、俯仰),而在三維虛擬演播室中,還需跟蹤攝像機的空間位置參數(shù)(X、Y、Z)。目前常用的攝像機跟蹤系統(tǒng)主要有編碼器和圖形識別方式。311編碼器方式這種方式是在攝像機鏡頭上安裝傳感器和有關(guān)電子裝置,即鏡頭運動參數(shù)編碼器。鏡頭編碼器是通過托架與鏡頭上的變焦環(huán)、聚焦環(huán)齒輪緊密咬合,當(dāng)變焦環(huán)和聚焦環(huán)位置發(fā)生變化時,編碼器就能檢測出其變化,并將數(shù)

5、據(jù)編碼輸出。攝像機的機頭運動參數(shù)可通過安裝在基座上的機頭運動參數(shù)編碼器來測量。它能測出上下左右擺動的細(xì)微角度變化并將其編碼輸出。鏡頭編碼器和機頭編碼器均采用高分辨率的光學(xué)編碼器,其輸出的4路數(shù)據(jù)(變焦、聚焦、搖移、俯仰)可通過1個高速的串行位置接口(SPI)混合成1路串行數(shù)據(jù)送給控制背景變化的計算機。攝像機的地面位置X、Y及高度Z也可用類似的編碼器方式測量。即用相應(yīng)的傳感器檢測攝像機的升降和云臺腳的轉(zhuǎn)動,并對其參數(shù)進行編碼。不過用此方法測得的參數(shù)精確度偏低,存在累積誤差,被稱為無基準(zhǔn)方式。另一種方法是讀條形碼法,即在云臺上安裝1個專用

6、廣角攝像機,另外在演播室的1面墻的底邊安裝有條形碼板。通過廣角攝像機掃描條形碼板,便可確定攝像機在演播室中的絕對位置,這被稱為有基準(zhǔn)方式。這種方式精確度高,其缺點是必須保證條形碼處于廣角攝像機的拍攝范圍內(nèi),否則無法正常工作。有些系統(tǒng)采用2種方式并用,當(dāng)廣角攝像機取到條形碼時,采用有基準(zhǔn)方式:當(dāng)廣角攝像機無法攝取條形碼時則自動轉(zhuǎn)到無基準(zhǔn)方式。利用編碼器方式檢測攝像機運動參數(shù),具有處理速度快、精確度高(旋轉(zhuǎn)角度可精確到0.001°,移動距離可精確到0.01mm)、工作穩(wěn)定等優(yōu)點;缺點是每臺攝像機都需配備1套跟蹤系統(tǒng),增加了系統(tǒng)的成本,限

7、制了攝像機的種類及數(shù)量,另外攝像機在拍攝前的定位和校正也是一件非常繁瑣的事情。312圖形識別方式圖形識別方式是對通過攝像機拍攝的圖像的形態(tài)識別和分析來確定攝像機的各種運動參數(shù)。這種方式要求在演播室的背景幕布上用不同色度(例如深藍(lán)和淺藍(lán))繪制出特定的圖案。當(dāng)攝像機的運動參數(shù)發(fā)生變化時,它所拍攝到的背景圖案的特征也將發(fā)生響應(yīng)的變化。通過對此圖案的識別、分析和運算,從而可檢測出攝像機的各種運動參數(shù),包括水平轉(zhuǎn)動參數(shù)、垂直轉(zhuǎn)動參數(shù)、變焦參數(shù)以及位置參數(shù)(X、Y、Z)。目前已在使用的一種圖案是網(wǎng)格圖案,即在深藍(lán)色的幕布上用淺藍(lán)色繪制出特定的

8、格子圖,并且正面傾斜放置。由于背景幕布整體采用的是與傳統(tǒng)演播室相同的藍(lán)色,因此仍可利用色鍵技術(shù)進行"摳像"合成。在實際拍攝中,人物、景物連同網(wǎng)格圖案一并被攝像機攝入,由于網(wǎng)格圖案的設(shè)計確保了攝像機在任何位置、任何角度所拍