虛擬演播室技術(shù)及其在電視節(jié)目制作中的應(yīng)用

王金香

摘 要：在介紹虛擬演播室技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例對U-Set 3D全景虛擬演播室的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及虛擬演播室在電視節(jié)目制作方面的優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬演播室 攝像機(jī)跟蹤技術(shù) 虛擬場景 色鍵混合器

引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越多地滲透進(jìn)我們的生活，除了三維仿真、漫游、游戲這些傳統(tǒng)應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在電視節(jié)目制作領(lǐng)域嶄露頭腳。虛擬演播室就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)演播室色鍵摳像技術(shù)相結(jié)合，它將真實(shí)攝像機(jī)所拍攝的畫面與計(jì)算機(jī)制作的虛擬場景實(shí)時、完美地結(jié)合起來，創(chuàng)造出令人異想天開的虛擬世界。虛擬演播室的應(yīng)用，使得電視節(jié)目制作擺脫了時間、空間及道具制作方面的限制，極大地提高了電視節(jié)目創(chuàng)作與制作能力。并且由于虛擬場景的制作、修改、保存都是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，省去了真實(shí)場景的搭建、拆卸、儲藏等環(huán)節(jié)，降低了節(jié)目制作費(fèi)用，縮短了節(jié)目制作周期，提高了演播室效率。

一、虛擬演播室技術(shù)介紹

一套虛擬演播室主要由攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、虛擬背景生成系統(tǒng)及視頻合成系統(tǒng)構(gòu)成。虛擬演播室的工作原理如圖1所示。

（一）攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)

虛擬演播室能否將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界完美結(jié)合起來，關(guān)鍵問題是能否正確判斷攝像機(jī)、主持人、計(jì)算機(jī)所制作布景三者之間的相對位置和關(guān)系，讓計(jì)算機(jī)知道攝像機(jī)的位置和拍攝范圍。因此就需要有一個能夠?qū)崟r檢測和提供攝像機(jī)運(yùn)動參數(shù)的系統(tǒng)，這就是攝像機(jī)的跟蹤系統(tǒng)。攝像機(jī)的動作參數(shù)包括俯仰、左右搖、Z軸旋轉(zhuǎn)、左右移動、上下移動、前后移動和攝像機(jī)鏡頭的變焦、聚焦、光圈共九個參數(shù)。跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時測出這些參數(shù)，傳送給著色系統(tǒng)。目前在虛擬演播室系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的跟蹤技術(shù)，主要分為機(jī)械傳感器跟蹤、圖形識別跟蹤、紅外跟蹤三種。

（二）虛擬背景生成系統(tǒng)

虛擬演播室中的背景圖像可以是來自錄像機(jī)或其他節(jié)目源的活動圖像，也可以是靜止的圖像或圖片，利用最多的是虛擬場景，也就是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的二維或三維圖形。虛擬場景的制作可分為幾個步驟：首先要對場景中的所有物體進(jìn)行建模，也就是設(shè)計(jì)物體的外形和尺寸，在建立一個模型的同時，計(jì)算機(jī)將他們分解成許多個多邊形，一般是三角形，然后定義一個輪廓；在每個多邊形上施加材質(zhì)，可以是簡單的顏色，也可以材料；再把圖像或照片施加在多邊形上，以產(chǎn)生逼真的效果。其次是將模型在虛擬場景中定位，使用虛擬燈光產(chǎn)生所需要的燈光效果如陰影、高光、反射和折射。最后是制作在實(shí)際拍攝過程中虛擬場景出現(xiàn)的事件序列和特技效果。

二、虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)例介紹

（一）系統(tǒng)簡介

勵得公司U-Set 3D虛擬演播室系統(tǒng)是一款支持三機(jī)位同步切換、采用計(jì)算機(jī)圖形跟蹤系統(tǒng)與攝像機(jī)機(jī)電傳感跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合、渲染系統(tǒng)根據(jù)場景虛擬攝像機(jī)軌跡或者采集攝像機(jī)平搖（Pan）、俯仰（Tilt）和變焦（Zoom）的參數(shù)，實(shí)時生成與前景運(yùn)動一致并經(jīng)色鍵摳像合成以及添加字幕層輸出的新一代創(chuàng)新型虛擬演播室系統(tǒng)；其貼近虛擬節(jié)目制作實(shí)際的多跟蹤模式機(jī)位系統(tǒng)構(gòu)架，極大提升了虛擬演播室產(chǎn)品的性價(jià)比和易用性。

（二）系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

（1）切換器：完成攝像機(jī)前景信號的切換工作，受控于圖形工作站串口信號。

（2）同步信號分配器：完成外來同步型號的分配，分別將同步信號分配給U-Set 3D圖形工作站、切換器以及預(yù)留給用戶攝像機(jī)的3個同步信號輸出口。

（3）視頻輸入模塊：將切換器輸出攝像機(jī)前景視頻信號進(jìn)行廣播級數(shù)字處理。

（4）色鍵1和2：運(yùn)用領(lǐng)先的色鍵摳像算法，將兩路前景數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時的摳像處理并產(chǎn)生相應(yīng)前景畫面的鍵和填充數(shù)據(jù)信息。

（5）傳感信息采集處理模塊：采用機(jī)械光電傳感跟蹤方式，采集攝像機(jī)平搖、俯仰、變焦6個方位的動作信息。

（6）活動視頻采集模塊：實(shí)時采集輸入的活動視頻信號，并做10bit廣播級數(shù)字處理，以用于建立虛擬場景視頻窗口。

（7）活動機(jī)位背景渲染及前背景疊加模塊：采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形運(yùn)動跟蹤算法，根據(jù)預(yù)設(shè)的虛擬攝像機(jī)軌跡關(guān)鍵幀，實(shí)時渲染生成動態(tài)虛擬背景和動態(tài)鍵遮罩信息，并與前景鍵和填充數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合成處理，實(shí)現(xiàn)前景摳像人物與虛擬場景具備合理空間透視關(guān)系的完美結(jié)合；此外，該模塊還需要控制攝像機(jī)切換模塊，當(dāng)虛擬背景進(jìn)行不同視角背景切換的時候，同時發(fā)出控制信號給攝像機(jī)切換模塊，切換至相應(yīng)視角的前景攝像機(jī)。

結(jié) 語

虛擬演播室技術(shù)發(fā)展很快，它與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，隨著這些技術(shù)的發(fā)展，虛擬演播室技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善?？梢韵嘈?，虛擬演播室技術(shù)終將成為一種最有力的電視節(jié)目制作工具。