虚拟演播室系统分析

虚拟演播室系统分析

    虚拟演播室系统诞生的时间不长，但它的发展却比当初人们预料的要快，并迅速成为电视领域中的一个热点。近年来，随着社会竞争的日趋激烈，业界人士都在为如何在更短的时间里，花更少的钱，做出更多的节目而绞尽脑汁。因此，电视节目制作的效率和产出率必须提高，以适应社会发展的需要。而虚拟演播室技术正是在这一领域进入角色。虚拟演播室(Virtual Studio)技术，简称VS，又称虚拟布景技术。它将摄像机拍摄的图像实时地与计算机三维图形进行合成，从而形成一种新的电视节目制作系统。它具有一些传统演播室无法达到的功能和优点，它可以更为有效的利用演播室资源，节省大量的制景费用及装、拆布景所耗费的时间和人力，这一技术还使编导、美工人员摆脱了时间、空间及道具制作方面的限制，充分发挥其想象力进行自由创造，并能完成一些其它技术做不到的特技效果，为电视制作开辟了一个崭新的空间。

一．虚拟演播室技术与色键技术

    色键技术是电视节目制作中常用的技术。站在蓝色幕布前面的演播室主持人由前景摄像机拍摄，在特技机的色键电路中，由主持人的画面产生键信号，在主持人画面与背景画面进行叠加时，由键信号挖去背景中蓝色以外的画面，而把主持人的图像嵌插在背景画面中，形成了主持人置身于背景画面的图像，这种技术俗称为“抠像”，在普通的色键技术中，背景画面往往是已经录制好的节目。

    虚拟演播室技术与色键技术十分相像，它也是由前景的主持人为主的画面和背景画面，采用色键的方法构成一体，产生人物置身于背景的组合画面。然而，在真正的虚拟演播室技术中，背景是由计算机产生的，计算机接受摄像机的控制，随着摄像机的推拉摇移，改变俯仰角度，计算机相应改变画面的大小和角度，并且为了正确再现前景与背景的空间透视关系，还需对前景和背景实施空间锁定， 这种空间锁定是通过精确测定摄像机的所有定位参数(包括镜头调整参数)来实现的。

二、虚拟演播室的原理

    虚拟演播室的原理如图(1)所示，主持人一般是在呈“U”型或“L”型的蓝箱里做着各种表演，实际的、或“真实”的前景摄像机对其进行拍摄，背景图像(画面装饰、道具和风光布景)大都是三维立体图，由制作人员预先用计算机生成(即预先着色好)，前景与背景图像在传输或录制过程中混合。这种合成图像的制作方式即被称为“虚拟”。故此，这种图像摄录系统也被称为“虚拟摄像机”，与传统的蓝幕色键技术截然不同的是，虚拟演播室技术中的真实摄像机(前景图像)与虚拟摄像机(产生背景图像)始终保持同步互锁，为此，必须对真实摄像机的以下参数进行确定：

(1)蓝幕背景的X、Y、Z坐标值。

(2)摄像机的俯仰、摇移以及可旋转角度的数值。

(3)镜头的焦距和聚焦。

然后，真实摄像机的所有上述参数都送入计算机分析，系统对与前景图像相关的虚拟背景图像发出控制指令。最后，录有表演者和真实道具的前景图像与计算机生成的背景图像在色键控制器里合成为一幅画面，传送至视频切换台输出。

    由此可见，虚拟演播室系统可分解为三个部分：摄像机跟踪部分、计算机虚拟场景生成部分及视频合成部分。

1.摄像机跟踪部分。

    摄像机在拍摄过程中有平移X、纵移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、镜头变焦Z00M，聚焦FOCUS等变化，这些参数的改变会引起所摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，计算机必须根据这些参数不断调整三维视图。而摄像机跟踪部分的作用正是收取摄像机的位置信息和运动数据，实时的跟踪真实摄像机，以保证前景与计算机背景“联动”。由于这种“联动”是以高速计算机运算的结果，而这种运算永远是存在着一个运算时间，所以这种“联动”是有时间差的。只是设计者保证使这种时间差在一个人眼不易察觉的范围之内，因此要求前景摄象机只能在一个有限的速率内改变位置参数。 目前虚拟演播室的摄像机跟踪系统主要有以下几种方式。

     (1) 基于传感器的系统。 该系统通过安装在摄像机各部分的机械传感器