虚拟演播室及数字视频系统的设计

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1、第九章虚拟演播室及数字视频系统的设计9.1虚拟演播室技术一、、从传统演播室到虚拟演播室在传统的电视节目制作中，制作人员需要精心设计和搭建表演区和场景，为此要耗费大量的人力、物力、财力，而且建成的场景无法即时更新和变换，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。前面介绍的特技技术中的色键技术是用摄像机拍摄均匀蓝色幕布之前的人物或道具（前景图象），然后通过特技设备把蓝背景抠掉，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。这种抠像技术要求拍摄前景的摄像机不能移动、变化，因为一旦前景变化而背景不能随之变化，会

2、使画面失去真实感；当然不同机位的摄像机之间也不能切换，因为背景不能变化适合的空间角度；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，用计算机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”该虚拟背景，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、人工智能技术、模式识别与计算机图形图像处理技术相结合的

3、虚拟演播室技术。二、虚拟演播室系统的构成典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景素材库和图像合成等设备组成。系统构成的简单框图如图1所示。图1虚拟演播室节目制作系统构成　　在蓝幕背景中的主持人由前景摄像机（真实摄像机）拍摄，而如图1所示的背景图像记录及生成系统称为虚拟摄像机。为了使真实的和虚拟的画面保持空间的对应关系，需要确定真实摄像机的位置参数，包括摄像机在演播室中的空间位置，摄像机的运动参数（倾斜、转动、翻转），摄像机镜头设置参数（变焦、聚焦、光圈）。所有这些数据都被送入计算机中进行分析，实时

4、生成与前景图像保持正确空间透视关系的背景图像。然后，前景图像（包括主持人和真实场景、道具）与计算机生成的虚拟背景图像通过色键控制器进行天衣无缝的键控合成，由于图形计算机的运算需要几帧左右的时间，因此，摄像机拍摄的真实画面也必须有一个时间的延时，这样才能确保真实场景与虚拟场景的吻合。最后输出的图像可以直接播出或记录在存储媒介上。三、虚拟演播室的关键技术虚拟演播室的关键技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和色键技术等。1．摄像机跟踪技术虚拟演播室中的一项关键技术是如何判断摄像机、主持人、计算机“虚拟”背景之

5、间的相对位置关系，使之实现“同步”变换。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（机位的X、Y和高度Z坐标）等。目前，成熟的跟踪技术主要有图形识别法（PatternRecognition）和以传感器为基础的机械传感法（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。(1)图形识别法图形识别实际上是一种"运动估测算法"，它可以对运动画面进行精确的计算，获得摄像机的各项运

6、动参数。实际应用一般采用有浅蓝色网格图案的深蓝色背景板，如图2。拍摄时，系统会对网格进行定位追踪，通过对所拍摄画面中网格的旋转和透视关系进行计算，得到有关摄像机的动作参数，以控制虚拟背景的生成。为了减少计算误差，可以选择一个基准帧，以此为基准对每幅画面进行计算。为了避免摄像机快速进行左右、俯仰摇动时，画面中网格图案变得模糊而影响跟踪效果，摄像机应使用电子快门。电子快门的速度越快，允许摄像机运动的速度就越快。同时，演播室整个蓝色幕布（蓝箱）的布光要尽量均匀。当摄像机的光圈为5.6，电子快门速度为1/120时，网格图案的信号电平应达到70

7、%左右，这样可获得最稳定的跟踪效果。(2)机械传感法基于传感器的摄像机跟踪系统最精确，传感器被安装在摄像机三角架、基座、升降摇臂的摇摄轴、俯仰轴上以及镜头的变焦、聚焦环上以及滑轨、推车上。它采集摄像机的位置和空间透视数据，编码量化后通过数据端口传送给计算机。图形计算机将根据数据产生与之“同步”的虚拟背景。2、虚拟场景与蓝背景技术虚拟演播室中除主持人外的场景、道具等一般都由计算机产生。在常规演播室中不可能做到的复杂而庞大的背景，甚至许多现实生活中人们不可能见到的景观，都可以在虚拟演播室中得以实现。虚拟演播室中的背景图像可以是动态的，也可

8、以是静止的。利用最多的是虚拟场景，也就是由计算机创作的二维或三维图形。在虚拟演播室中，首先要对场景中的所有物体进行计算机建模，也就是设计物体的外形和尺寸，这与计算机辅助设计很相似：在建立一个模型的同时，计算