電視虛擬演播室的跟蹤技術(shù)及選擇路徑

賈栩淳

【摘要】虛擬演播室是先在計(jì)算機(jī)上利用專業(yè)軟件制作虛擬三維場(chǎng)景，然后再將虛擬場(chǎng)景與攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)合成，從而得到更加完美、生動(dòng)和逼真的合成畫面。在虛擬演播室系統(tǒng)中，應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)有跟蹤技術(shù)、色鍵技術(shù)、鎖定技術(shù)等。本文以跟蹤技術(shù)中的圖形識(shí)別、機(jī)械傳感、紅外線等幾種技術(shù)為例，對(duì)比分析了技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)，并就電視虛擬演播室中跟蹤技術(shù)的具體選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

【關(guān)鍵詞】虛擬演播室;跟蹤技術(shù);圖形識(shí)別;選擇方法

一、電視虛擬演播室的組成

典型的虛擬演播室系統(tǒng)是由攝像設(shè)備、攝像機(jī)位置參數(shù)分析和控制、圖形計(jì)算機(jī)、背景材料庫(kù)和圖像合成等設(shè)備組成。在藍(lán)背景中的主持人由前景攝像機(jī)（真實(shí)攝像機(jī)）拍攝，而背景圖像記錄及生成系統(tǒng)稱為虛擬攝像機(jī)。真實(shí)的和虛擬的攝像機(jī)始終是鎖定的。因此，需要確定真實(shí)攝像機(jī)的位置參數(shù)，包括攝像機(jī)在演播室中的空間位置，攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。所有這些數(shù)據(jù)都被送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)生成與前景圖像保持正確透視關(guān)系的背景圖像。然后，前景圖像與計(jì)算機(jī)生成的背景圖像通過(guò)色鍵控制器進(jìn)行天衣無(wú)縫的合成。

二、虛擬演播室的跟蹤技術(shù)

（一）圖形識(shí)別技術(shù)

（1）技術(shù)原理。圖像分析識(shí)別方式是利用圖像分析識(shí)別技術(shù)在拍攝期間同步控制并檢測(cè)攝像機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括位置參數(shù)、水平轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。所有這些參數(shù)都被轉(zhuǎn)化成位置參數(shù)，這就使得攝像師能夠在拍攝過(guò)程中隨意移動(dòng)攝像機(jī)，而且也不需要特殊的攝像機(jī)。目前已在使用的一種在藍(lán)箱正面有用淺藍(lán)色組成的網(wǎng)格圖案，而且正面是傾斜放置的。這種精確的網(wǎng)格圖案以兩種不同的藍(lán)色形狀繪制于藍(lán)背景上，因此仍可利用色鍵合成技術(shù)。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析。圖形識(shí)別跟蹤的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：其一，使用普通攝像機(jī)就可以完成拍攝工作，并且精確度上完全能夠滿足要求，不需要攝像師重新對(duì)鏡頭進(jìn)行校準(zhǔn)。在攝像機(jī)的選擇上，也能夠支持手持式攝像機(jī)，可以方便在不同室內(nèi)外環(huán)境下完成拍攝任務(wù)。其二，在拍攝成本上，一個(gè)跟蹤器能夠通過(guò)無(wú)線連接的方式，同時(shí)作用于多個(gè)攝像機(jī)，無(wú)形中降低了拍攝成本。在拍攝過(guò)程中，攝像機(jī)可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制，對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行高精度、隨意的移動(dòng)，讓圖像細(xì)節(jié)變得更加清晰。

圖像識(shí)別跟蹤的技術(shù)缺陷主要有：后期進(jìn)行三維虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景合成時(shí)，采用圖像識(shí)別跟蹤技術(shù)獲取的圖像，往往需要進(jìn)行更大的運(yùn)算量。如果處理效果不理想，將會(huì)直接導(dǎo)致最終合成的圖像分辨率不高，畫面質(zhì)量差。圖像識(shí)別跟蹤技術(shù)的背景圖像采用網(wǎng)格化圖案，相比其他跟蹤技術(shù)采用的藍(lán)屏背景，后期需要使用色鍵進(jìn)行陰影處理，但是經(jīng)過(guò)陰影處理后容易損失圖像的細(xì)節(jié)。在進(jìn)行特寫拍攝時(shí)，如果人物移動(dòng)速度過(guò)快或活動(dòng)范圍過(guò)大，容易出現(xiàn)攝像機(jī)丟失跟蹤方向的情況，拍攝到的圖像模糊。

（二）機(jī)械傳感技術(shù)

（1）技術(shù)原理。這種攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)采集攝像機(jī)的位置及透視數(shù)據(jù)，為測(cè)量攝像機(jī)的鏡頭（機(jī)頭）運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需要在攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)上安裝附加裝置。這個(gè)裝置中包含有傳感器和有關(guān)電子裝置，稱為運(yùn)動(dòng)參數(shù)編碼器，簡(jiǎn)稱編碼器。通過(guò)托架與鏡頭上變焦環(huán)和聚焦環(huán)的齒輪緊密咬合。當(dāng)變焦環(huán)或聚焦環(huán)發(fā)生位置變化時(shí)，鏡頭編碼器測(cè)量攝像機(jī)上下左右運(yùn)動(dòng)的角度得到其位置參數(shù)，通過(guò)液壓搖擺頭上的編碼器得到上下左右位置參數(shù)。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析。機(jī)械跟蹤技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，相比于傳統(tǒng)的攝像機(jī)跟蹤控制方式，使用機(jī)械傳感設(shè)備作為輔助控制，能夠?qū)z像機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的精確度控制到1.0×10-3度，移動(dòng)距離上的精確度可以達(dá)到1.0×10-4cm，并且跟蹤調(diào)控速度高，處理起來(lái)更加方便。其二，系統(tǒng)提供藍(lán)色背景墻，使用機(jī)械傳感技術(shù)能夠根據(jù)藍(lán)色背景墻的亮度，自動(dòng)進(jìn)行攝像機(jī)控制，這樣表演者就可以有更大范圍的活動(dòng)場(chǎng)景，從而讓動(dòng)作更加靈活。其三，機(jī)械傳感技術(shù)保證了跟蹤數(shù)據(jù)的同步，例如以60Hz的頻率，完成360°旋轉(zhuǎn)，這樣獲取到的圖像信息，后期不需要技術(shù)人員重新進(jìn)行信息處理，從而減輕了后期處理的壓力。

當(dāng)然，機(jī)械跟蹤技術(shù)在應(yīng)用中也存在一些不足，例如為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的跟蹤拍攝，需要在攝像機(jī)的鏡頭上額外的連接編碼器。但是無(wú)形中也增加了設(shè)備占用的空間，相比來(lái)說(shuō)演播室內(nèi)可以同時(shí)運(yùn)行的攝像機(jī)數(shù)量減少30%-50%;還有就是為了提高圖像精度，在拍攝時(shí)也無(wú)法適用手持式攝像機(jī)，攝影師對(duì)攝像機(jī)的操作難度系數(shù)上升，在細(xì)節(jié)圖像的獲取上，以及攝像機(jī)角度的調(diào)整上也有較大的難度。

（三）紅外線跟蹤技術(shù)

（1）技術(shù)原理。紅外線跟蹤是近年來(lái)電視虛擬演播室制作中新興的一種常用技術(shù)，其基本原理為：首先將紅外線的發(fā)射裝置分別安裝在表演者和攝像機(jī)上，而紅外線的接受裝置則在藍(lán)色幕布的上下方各安裝一個(gè)。這樣就可以360°的獲取表演者的移動(dòng)圖像，并且當(dāng)表演者移動(dòng)時(shí)，紅外線信號(hào)同步的反饋到攝像機(jī)中，控制攝像機(jī)做出定向移動(dòng)。在拍攝過(guò)程中，由于不需要在攝像機(jī)上額外安裝編碼器或其他控制設(shè)備，因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝需要靈活的選擇手持式或固定式攝像機(jī)。根據(jù)紅外跟蹤系統(tǒng)能否活動(dòng)，可以將其細(xì)分為被動(dòng)式紅外跟蹤和主動(dòng)式紅外跟蹤兩類。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析。紅外線跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，雖然紅外線跟蹤相比于機(jī)械傳感跟蹤等技術(shù)，前期需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)搭建，但是后期操作起來(lái)更加方便。例如在進(jìn)行拍攝時(shí)，能夠根據(jù)表演者的動(dòng)作和移動(dòng)，進(jìn)行靈活的定位。每次完成拍攝后，控制系統(tǒng)能夠控制攝像機(jī)進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位和位置校正，這樣也就不需要攝像師每次完成一個(gè)畫面的拍攝后，重新手動(dòng)校準(zhǔn)，節(jié)約了拍攝時(shí)間。其二，根據(jù)后期拍攝需要，如果需要臨時(shí)增加攝像機(jī)數(shù)量，在紅外線跟蹤技術(shù)下可以更低成本完成增加任務(wù)。并且即便是增加攝像機(jī)臺(tái)數(shù)后，不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)攝像操作，拍攝靈活、方便，拍攝精度也不會(huì)受到影響。

紅外線跟蹤技術(shù)作為一種新技術(shù)，由于應(yīng)用不夠成熟，現(xiàn)階段還存在諸多問(wèn)題需要完善，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，紅外線反射過(guò)程中容易受到拍攝現(xiàn)場(chǎng)其他物體的干擾影響，例如光滑的金屬等，紅外線折射后影響接收效果，最終獲取的拍攝圖像不穩(wěn)定;其次，紅外攝像機(jī)與接收器之間必須保持沒(méi)有其他物體遮擋，但是在一些復(fù)雜的拍攝現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常會(huì)有大屏幕或其他物體，如果攝像機(jī)移動(dòng)過(guò)程中因?yàn)檫@些物體遮擋，導(dǎo)致紅外線不能正常接收，攝像機(jī)也會(huì)因?yàn)榻邮詹坏叫盘?hào)而出現(xiàn)無(wú)響應(yīng)的問(wèn)題。

（四）輔助攝像機(jī)技術(shù)

（1）技術(shù)原理。輔助攝像機(jī)是在圖像識(shí)別基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種跟蹤技術(shù)，相比于圖像識(shí)別，輔助攝像機(jī)跟蹤技術(shù)的基本原理是：使用一種高分辨率的小型攝像機(jī)，將其安裝在攝像機(jī)的頂部。在開機(jī)拍攝時(shí)，攝像機(jī)頂部的小型輔助攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)獲取表演者的位置，當(dāng)主攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)表演者之后，輔助攝像機(jī)機(jī)械拍攝格子圖案。然后設(shè)備自動(dòng)對(duì)獲取到的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，并以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式，將這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)，后期經(jīng)過(guò)加工處理后可以形成高精度的圖像。

（2）優(yōu)缺點(diǎn)分析。輔助攝像機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是對(duì)放寬了對(duì)格子圖案的要求，例如在紅外線跟蹤技術(shù)中，必須使用藍(lán)色背景墻，并且背景墻的安裝位置也受到限制。但是在輔助攝像機(jī)技術(shù)中，格子圖案可以是任意顏色，安裝位置也更加靈活，像攝影棚的天花板等位置，都能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)拍攝需求。除此之外，演播室攝像機(jī)的拍攝也不受環(huán)境的影響，例如攝像師可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝需要，可以實(shí)現(xiàn)寬角度拍攝、極端推進(jìn)等。技術(shù)缺點(diǎn)是對(duì)輔助攝像機(jī)的要求較高，如果輔助攝像機(jī)分辨率不足，或是拍攝過(guò)程中對(duì)攝像機(jī)自由運(yùn)動(dòng)要求較高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致最終拍攝所得圖像質(zhì)量受到影響。

（五）超聲波跟蹤技術(shù)

超聲波跟蹤與上文中提到的紅外線跟蹤具有較高的類似性，即將紅外線收發(fā)裝置替換為超聲波收發(fā)裝置。相比來(lái)說(shuō)，超聲波跟蹤技術(shù)不容易受到拍攝環(huán)境的影響，例如紅外線跟蹤中可能因?yàn)檎趽鯇?dǎo)致的攝像機(jī)移動(dòng)不靈敏問(wèn)題，在超聲波跟蹤中就可以避免。但是超聲波跟蹤目前也存在技術(shù)瓶頸，例如超聲波傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損耗，如果表演者距離攝像機(jī)的距離過(guò)遠(yuǎn)，最終接收到的超聲波信號(hào)質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)變差。

三、電視虛擬演播室跟蹤技術(shù)的選擇

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前主流的虛擬演播室跟蹤技術(shù)有機(jī)械傳感跟蹤、輔助攝像機(jī)技術(shù)、紅外線跟蹤技術(shù)等幾種，并且這些跟蹤技術(shù)的適用條件、應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)等方面，均存在較大差異。在應(yīng)用電視虛擬演播室系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)具體的需要來(lái)選擇使用哪種跟蹤技術(shù)。例如，要想拍攝一些高精度的特寫鏡頭，可以采用機(jī)械傳感器跟蹤方式，這樣可以清晰的捕捉快速移動(dòng)的畫面，并且拍攝過(guò)程中不受網(wǎng)格的限制，拍攝的靈活性較強(qiáng)。如果錄制過(guò)程中主持人或表演者需要頻繁的移動(dòng)，則可以考慮使用紅外線跟蹤技術(shù)，紅外線收發(fā)裝置能夠動(dòng)態(tài)的跟蹤表演者，讓攝像機(jī)做出相應(yīng)的空間位置調(diào)整，為增強(qiáng)拍攝畫面感起到了必要的幫助。當(dāng)然，在應(yīng)用虛擬演播室時(shí)，除了跟蹤技術(shù)方面的影響因素外，像拍攝成本、設(shè)備的兼容性等等，也都是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，只有綜合這些影響因素，才能獲取最佳的拍攝效果。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬演播室系統(tǒng)可以使用計(jì)算機(jī)軟件，制作虛擬的背景或道具，然后使用合成技術(shù)將虛擬畫面與攝像機(jī)拍攝到的真實(shí)畫面結(jié)合起來(lái)，從而制作出許多不能在真實(shí)演播室呈現(xiàn)出來(lái)的視覺(jué)效果。近年來(lái)，電視虛擬演播室系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，跟蹤與定位作為虛擬演播室節(jié)目制作中的關(guān)鍵技術(shù)，也需要引起媒體制作人的重視。根據(jù)不同的電視虛擬演播室節(jié)目制作要求，綜合考慮技術(shù)條件、制作成本等多項(xiàng)影響因素，最終選擇一種科學(xué)的跟蹤技術(shù)，更好的體現(xiàn)出虛擬演播室在電視節(jié)目制作中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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