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1、浅谈虚拟演播室技术摘要:本文叙述虚拟演播室技术基本原理,系统构成,使用时应注意的问题并介绍了一些公司产品系统的特点。关键词:〖ＨＴＫ〗虚拟演播室,前景图像,虚拟背景,跟踪系统1概述虚拟演播室(VirtualStudio)是近年发展起来的一种新兴电视制作技术,是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的产物。它将摄像机拍摄的图像与计算机制作的虚拟场景完美地结合起来,创造出令人异想天开的虚拟世界。这一技术的应用,使得电视工作者摆脱了时间、空间及道具制作方面的限制,能够自由地遨游在广阔的想象空间之中,极大地提高了电视台的节目创作及
2、制作能力。并且由于虚拟场景的制作、修改、保存都是在计算机中进行,省去了真实场景的搭建、拆卸、储藏等环节,降低了节目制作的费用,提高了演播室的效率。2虚拟演播室的基本原理在虚拟演播室中,把摄像机拍摄到的人物、景物称为前景图像,而把通过计算机动画软件制作的二维或三维动画图形,称为虚拟背景或虚拟场景。在图1中可以看到,虽然虚拟演播室前景、背景图像也是靠色键技术合成的,但二者之间却有"同步联动"关系,即将拍摄前景的摄像机进行摇移、俯仰、变焦、聚焦动作时,可以通过获取摄像机的各种运动参数(摇移、俯仰、变焦、聚焦、摄像机空间位置等),去控制背景
3、图像生成装置,使之生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像,最后通过色键将前景、背景图像合成输出。3虚拟演播室的系统构成1套典型的虚拟演播室系统主要由摄像机跟踪系统、虚拟背景生成系统及视频合成系统组成。31摄像机跟踪系统虚拟演播室中如何正确判断摄像机、主持人及虚拟背景之间的相对位置关系,是实现前、背景图像完全同步联动、再现起初的透视关系的关键所在,因此就需要有1个能够随时检测和提供摄像机运动参数和演员位置参数的系统,这就是摄像机跟踪系统。摄像机的运动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)以及空间位置参
4、数(地面位置X、Y和高度Z)等。这些参数的获取对虚拟演播室系统来说是至关重要的,它会直接影响到合成图像的效果。在二维虚拟演播室中,一般只需要跟踪摄像机的镜头运动参数(变焦、聚焦)和镜头运动参数(摇移、俯仰),而在三维虚拟演播室中,还需跟踪摄像机的空间位置参数(X、Y、Z)。目前常用的摄像机跟踪系统主要有编码器和图形识别方式。311编码器方式这种方式是在摄像机镜头上安装传感器和有关电子装置,即镜头运动参数编码器。镜头编码器是通过托架与镜头上的变焦环、聚焦环齿轮紧密咬合,当变焦环和聚焦环位置发生变化时,编码器就能检测出其变化,并将数
5、据编码输出。摄像机的机头运动参数可通过安装在基座上的机头运动参数编码器来测量。它能测出上下左右摆动的细微角度变化并将其编码输出。镜头编码器和机头编码器均采用高分辨率的光学编码器,其输出的4路数据(变焦、聚焦、摇移、俯仰)可通过1个高速的串行位置接口(SPI)混合成1路串行数据送给控制背景变化的计算机。摄像机的地面位置X、Y及高度Z也可用类似的编码器方式测量。即用相应的传感器检测摄像机的升降和云台脚的转动,并对其参数进行编码。不过用此方法测得的参数精确度偏低,存在累积误差,被称为无基准方式。另一种方法是读条形码法,即在云台上安装1个专用
6、广角摄像机,另外在演播室的1面墙的底边安装有条形码板。通过广角摄像机扫描条形码板,便可确定摄像机在演播室中的绝对位置,这被称为有基准方式。这种方式精确度高,其缺点是必须保证条形码处于广角摄像机的拍摄范围内,否则无法正常工作。有些系统采用2种方式并用,当广角摄像机取到条形码时,采用有基准方式:当广角摄像机无法摄取条形码时则自动转到无基准方式。利用编码器方式检测摄像机运动参数,具有处理速度快、精确度高(旋转角度可精确到0.001°,移动距离可精确到0.01mm)、工作稳定等优点;缺点是每台摄像机都需配备1套跟踪系统,增加了系统的成本,限
7、制了摄像机的种类及数量,另外摄像机在拍摄前的定位和校正也是一件非常繁琐的事情。312图形识别方式图形识别方式是对通过摄像机拍摄的图像的形态识别和分析来确定摄像机的各种运动参数。这种方式要求在演播室的背景幕布上用不同色度(例如深蓝和浅蓝)绘制出特定的图案。当摄像机的运动参数发生变化时,它所拍摄到的背景图案的特征也将发生响应的变化。通过对此图案的识别、分析和运算,从而可检测出摄像机的各种运动参数,包括水平转动参数、垂直转动参数、变焦参数以及位置参数(X、Y、Z)。目前已在使用的一种图案是网格图案,即在深蓝色的幕布上用浅蓝色绘制出特定的
8、格子图,并且正面倾斜放置。由于背景幕布整体采用的是与传统演播室相同的蓝色,因此仍可利用色键技术进行"抠像"合成。在实际拍摄中,人物、景物连同网格图案一并被摄像机摄入,由于网格图案的设计确保了摄像机在任何位置、任何角度所拍
