淺談虛擬技術(shù)在演播室中應(yīng)用及發(fā)展

1、-. z淺談虛擬技術(shù)在演播室中的應(yīng)用與開展人類已進(jìn)入信息時代，而電視作為信息的創(chuàng)造、加工、傳輸?shù)闹饕ぞ撸陙黹_展迅猛，各電視臺都試圖占領(lǐng)本地區(qū)的電視傳媒市場。由于上星頻道增多，一般大、中城市觀眾通過有線電視網(wǎng)都能接收到數(shù)十套電視節(jié)目，因而僅僅依靠增加頻道、增設(shè)欄目和擴(kuò)大覆蓋面等手段來提高收視率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。提高電視節(jié)目質(zhì)量、降低電視節(jié)目制作本錢將成為各電視臺競爭的最大籌碼。為電視制作提供無限想象和表現(xiàn)空間的虛擬演播室技術(shù)，適應(yīng)這一需求，應(yīng)運而生。一、從傳統(tǒng)演播室到虛擬演播室在傳統(tǒng)的電視節(jié)目制作中，為有一個美觀多樣的演播室布景，制作人員必須精心設(shè)計和搭建表演區(qū)和場景，需要消耗大量的人力、財力

2、用在道具的購置、場景的布置和維護(hù)上，如價格昂貴又難以維護(hù)的大屏幕電視墻等，而且置成的場景無法即時更新和變換，如要改換只能重建，資源利用率低且工作周期長，即使如此，許多場景、舞臺效果仍無法實現(xiàn)。色鍵制作技術(shù)是用攝像機(jī)拍攝均勻藍(lán)色幕布之前的人物或道具前景，然后通過色鍵設(shè)備把藍(lán)背景摳掉，換成其它背景圖像。顯然，前景和背景只是簡單地疊加在一起。為保證色鍵效果的真實性，要求拍攝前景的攝像機(jī)不能移動、變化，因為背景不能隨之跟蹤變換；當(dāng)然也不能完成攝像機(jī)之間的切換，因為背景不能保持恰當(dāng)?shù)耐敢曅Ч?；如果背景是活動畫面，即使保持拍攝前景的攝像機(jī)不變化，仍會產(chǎn)生主持人好象在背景上飄浮的感覺，缺乏真實感，可見色鍵制

3、作技術(shù)是有很大局限性的。為了產(chǎn)生出逼真視覺的場景效果，用計算機(jī)場景工作站生成的三維圖像代替簡單的二維圖像作為演播室的虛擬背景，并跟蹤攝像機(jī)運動實時調(diào)整和移動該背景，使之與拍攝的主持人圖像前景同步變換，實現(xiàn)三維場景的移動變換與真實攝像機(jī)相一致的模擬效果，這就是三維圖形學(xué)、人工智能、模式識別與計算機(jī)圖形圖像處理相結(jié)合的虛擬演播室技術(shù)一般虛擬演播室系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。攝像機(jī)拍攝的主持人在帶識別標(biāo)志的藍(lán)屏前表演的視頻圖像一路送數(shù)字圖像處理局部，實時獲取運動攝像的外參數(shù)，另一路送視頻延時器，以保證前景與虛擬背景在合成時嚴(yán)格同步；其輸出送數(shù)字色鍵器，從帶識別標(biāo)志的主持人圖像中去掉識別標(biāo)志和藍(lán)背景局部

4、，并給出描述前景與虛擬背景融合比例的鍵信號。三維虛擬場景制作、發(fā)生工作站既能根據(jù)節(jié)目需要制作虛擬場景，又能借助三維加速卡在攝像機(jī)運動參數(shù)控制下實現(xiàn)變換場景；視頻源1送入虛擬場景發(fā)生器，顯示在虛擬場景中的虛擬大屏幕電視墻上，視頻源2送入多層圖像合成器，可以制作出眾多的特殊效果。從以上系統(tǒng)構(gòu)造中可以看出，虛擬演播室主要包括三個局部：攝像機(jī)運動參數(shù)的獲取和實時計算、實時色鍵計算、三維虛擬場景實時生成和輸出。 前景/虛擬場景合成輸出多層圖象合成器視頻延時器321視頻切換臺視頻源2色鍵器1三維虛擬場景制作。發(fā)生工作站。2三維圖形加速硬件視頻源1數(shù)字圖象處理器攝像機(jī)通用虛擬演播室系統(tǒng)構(gòu)造框圖 二、以跟蹤方

5、式區(qū)分的虛擬演播室兩大類別虛擬演播室中的一項關(guān)鍵技術(shù)是如何判斷攝像機(jī)、主持人、計算機(jī)虛擬背景之間的相對位置關(guān)系，使之實現(xiàn)同步。實現(xiàn)同步的關(guān)鍵是連續(xù)跟蹤獲得攝像機(jī)的運動參數(shù)。這些參數(shù)包括鏡頭運動參數(shù)變焦、聚焦、光圈、機(jī)頭運動參數(shù)搖移、俯仰及空間位置參數(shù)地面位置*、Y和高度Z等。目前，成熟的跟蹤技術(shù)主要有圖形識別Pattern Recognition和以傳感器為根底的跟蹤系統(tǒng)Sensor-based Camera Tracking System兩種方式。同時這也是虛擬演播室兩大類別的主要區(qū)別之處。圖形識別方式需要一個畫有特殊網(wǎng)格的藍(lán)色背景幕布，它將攝像機(jī)所拍攝的畫面送到數(shù)字視頻處理器DVP中進(jìn)展處

6、理，通過對該畫面中網(wǎng)格各具的不同特征和透視關(guān)系進(jìn)展計算，得出有關(guān)攝像機(jī)的運動參數(shù)，機(jī)械傳感器方式則是通過安裝在攝像機(jī)云臺及鏡頭上的傳感器獲得有關(guān)參數(shù)。兩種方式各有其優(yōu)缺點。圖形識別方式的優(yōu)點是對攝像機(jī)不加限制，也給予攝像師最大的自由度。缺點是要對所拍畫面進(jìn)展復(fù)雜的大量的數(shù)據(jù)計算，會造成較大的延時；由于只有當(dāng)被攝畫面包含一定數(shù)量的網(wǎng)格時才能進(jìn)展測量計算，使主持人的活動圍受到一定的限制；為了準(zhǔn)確跟蹤計算，必須保持用于識別背景網(wǎng)格始終清晰，這使得攝像機(jī)景深圍受到限制，無法拍攝特寫鏡頭；由于背景采用深淺兩種藍(lán)色，對燈光布置的要求比擬嚴(yán)格，而且要使用較高質(zhì)量的色鍵進(jìn)展摳像。機(jī)械傳感的方式可以彌補(bǔ)圖形識別

7、方式的缺乏，但其缺點是攝像機(jī)位置必須固定，每換一個位置都要重新進(jìn)展定位調(diào)整，需要投入更多的資金購置額外的設(shè)備。為給用戶提供更大的選擇余地，在以*種跟蹤方式為主的同時還融入了另外一種。三虛擬演播室的未來與開展虛擬演播室技術(shù)經(jīng)過數(shù)年的開展之后，已從初創(chuàng)階段走向?qū)嵱秒A段。目前的虛擬演播室系統(tǒng)不僅在關(guān)鍵技術(shù)上有了很大改善，而且還在系統(tǒng)類型上得到了完善，在應(yīng)用領(lǐng)域上也有了較大擴(kuò)展。1.關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步 1紅外線跟蹤技術(shù)紅外線跟蹤技術(shù)是一種新穎的攝像機(jī)跟蹤技術(shù)，它是利用紅外線收發(fā)裝置來檢測表演者和攝像機(jī)在演播室中的位置，紅外線的發(fā)射裝置可安裝于表演者和攝像機(jī)身上，而接收裝置通常需要兩個可安裝于藍(lán)色幕布的上方

8、。采用這種技術(shù)可實現(xiàn)360的拍攝扇區(qū)，使攝像機(jī)在藍(lán)色演播室的真實場景中的運動不受任何限制。紅外線裝置可安裝在任何種類的攝像機(jī)上，包括手持式和固定式，而且它與圖形識別系統(tǒng)及機(jī)械傳感器系統(tǒng)相兼容。紅外線跟蹤技術(shù)配合象素級深度鍵之后，表演者可處于虛擬場景中任何一個適宜的位置，而且可以走到虛擬物體之前或之后，甚至可以處于虛擬物體的部。 2輔助攝像機(jī)技術(shù)輔助攝像機(jī)技術(shù)是以圖形識別技術(shù)為根底，可以說是圖形識別系統(tǒng)的一種擴(kuò)展。輔助攝像機(jī)是一種專用的小型攝像機(jī)，它可安裝在任何一個演播室攝像機(jī)的頂部。而格子圖案可以是任意顏色的，可安裝于攝像師的后部、側(cè)墻或天花板上。當(dāng)演播室攝像機(jī)拍攝表演者時，輔助攝像機(jī)就會拍攝

9、到格子圖案，通過對格子圖案的視頻圖像信號進(jìn)展分析，就可得到演播室攝像機(jī)的各種運動參數(shù)。使用輔助攝像機(jī)技術(shù)后，演播室攝像機(jī)的拍攝可不受任何限制，可實現(xiàn)極端推進(jìn)、寬角度拍攝、室外操作及非藍(lán)演播室應(yīng)用等。 3象素級深度鍵技術(shù)在處理演員在虛擬場景中的位置方面，原先使用的是分層級深度鍵技術(shù)，在這種情況下，物體被分別歸類到數(shù)目有限的幾個深度層中，因此演員在虛擬場景中的位置無法連續(xù)變化。而在目前出現(xiàn)的象素級深度鍵技術(shù)中，構(gòu)成虛擬場景的每一個象素都有相應(yīng)的Z軸深度值，因此演員在虛擬場景中的位置可以連續(xù)變化。使用這種技術(shù)后，虛擬物體、真實物體及表演者可在節(jié)目中動態(tài)地相互遮擋，從而增加了虛擬場景的真實感。 4垃圾

10、色塊技術(shù)使用虛擬演播室系統(tǒng)制作節(jié)目時，當(dāng)攝像機(jī)無意間拍攝到非藍(lán)區(qū)域時，會出現(xiàn)穿幫現(xiàn)象。為了克制這一現(xiàn)象，出現(xiàn)了垃圾色塊技術(shù)，或稱為填補(bǔ)彩底技術(shù)。使用這一技術(shù)后，攝像機(jī)拍攝到的非藍(lán)區(qū)域可自動由垃圾色塊來填補(bǔ)，因此它具有背景保護(hù)功能，使演播的圍大大超出了演播室的藍(lán)色背景圍。另外，這種技術(shù)還可用來制作虛擬天花板。 5其它新技術(shù)其它新技術(shù)還包括虛擬陰影及反射、虛擬散焦、高速數(shù)字視頻處理等等。利用虛擬陰影及反射技術(shù)可進(jìn)一步增強(qiáng)場景的真實感。虛擬散焦功能可模仿幾何光學(xué)的原理，對虛擬場景中的遠(yuǎn)處景物進(jìn)展散焦處理，從而增強(qiáng)場景的縱深感。新的數(shù)字視頻處理器可完成高達(dá)每秒30億次的操作，可建立逼真的3D環(huán)境。 2

11、.系統(tǒng)類型的完善隨著虛擬演播室技術(shù)的開展，虛擬演播室的系統(tǒng)類型也得到不斷的完善。目前已出現(xiàn)了能滿足各種需要、適應(yīng)各個階層的系統(tǒng)類型。從功能上看，除了最根本的三維系統(tǒng)和二維系統(tǒng)之外，還出現(xiàn)了一些能實現(xiàn)特殊功能的系統(tǒng)類型，如虛擬出席、移動場景以及為適應(yīng)高清晰度電視系統(tǒng)而開發(fā)的HD虛擬演播室系統(tǒng)等。 1三維系統(tǒng)這類系統(tǒng)屬于高檔虛擬演播室系統(tǒng)，其特點是可創(chuàng)立全三維的虛擬場景。由于三維場景的實時描繪需要非常大的計算量，所以，這類系統(tǒng)必須采用功能強(qiáng)大的圖形工作站或?qū)Ｓ玫母咚賵D形處理器作為背景生成裝置。在攝像機(jī)運動參數(shù)的獲取方面，可使用圖形識別方式，也可以使用機(jī)械傳感器方式等。用攝像機(jī)運動參數(shù)來控制背景生成

12、裝置就可得到與前景圖像成正確透視關(guān)系的三維虛擬場景，然后通過色鍵合成技術(shù)將前景與背景合成后輸出。這類系統(tǒng)配合以虛擬陰影及反射、象素級深度鍵等新技術(shù)后，可到達(dá)非常逼真的全三維虛擬場景效果，是節(jié)目制作的最正確選擇。 2二維系統(tǒng)這類系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了迎合*些用戶的愿望，即能在較低的價位上建立一個簡單、實用而且圖像質(zhì)量高的二維虛擬演播室系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的背景生成裝置一般采用圖像處理器硬件，可生成類似于二維DVE效果的背景圖像。與一般DVE系統(tǒng)所不同的是，在這里各種數(shù)字視頻效果的生成是在攝像機(jī)運動參數(shù)的控制下進(jìn)展的。例如，當(dāng)攝像機(jī)推近前景圖像時，在相應(yīng)運動參數(shù)的控制下，圖像處理器會產(chǎn)生一個放大的圖像，與前景

13、配合。合成之后，前景看上去就好似確實處于圖像處理器產(chǎn)生的虛擬背景之中。此系統(tǒng)由于是二維系統(tǒng)，所以攝像機(jī)不需移動。 3虛擬出席虛擬出席是在根本系統(tǒng)的根底上增加的一個特殊功能，它能將遠(yuǎn)地傳來的實況視頻無縫地組合入本地演播室。也就是說，虛擬出席可將遠(yuǎn)地演播室中的表演者與本地演播室中的表演者實時地結(jié)合在一個虛擬場景中，而不需要通過視頻窗口。兩個表演者可以在虛擬場景中面對面地相互交談、表演，觀眾覺察不到他們是身處異地。這一功能的好處是遠(yuǎn)地的節(jié)目嘉賓可以不必再親臨本地演播室參與節(jié)目制作，他們只需到最近的藍(lán)幕演播室處，便可實時且無縫地進(jìn)入到節(jié)目中。 4移動場景移動場景也是一種具有特殊功能的系統(tǒng)，它可將視頻及

14、動畫插入到室和室外的節(jié)目中。這里使用的是一塊繪有格子圖案的小型面板，拍攝節(jié)目時將它放置在需要插入視頻或動畫的場景位置上。攝像機(jī)可從任意角度拍攝，得到的格子圖案信息可控制生成裝置生成與面板透視關(guān)系一致的視頻或動畫。最后經(jīng)色鍵合成后，在相應(yīng)于面板的位置就會出現(xiàn)視頻或動畫，且其透視關(guān)系與面板完全一致。移動場景功能非常適合于體育報道、實況采訪、天氣預(yù)報、現(xiàn)場新聞報道等節(jié)目，它可給節(jié)目增添活力，帶來耳目一新的感覺。 5 HD系統(tǒng)目前，高清晰度電視技術(shù)開展很快，它已成為播送電視的熱點，正在或即將走進(jìn)人們的生活。為了適應(yīng)這一變化，在虛擬演播室系統(tǒng)中也開發(fā)了適合于高清晰度電視的系統(tǒng)，即HD虛擬演播室系統(tǒng)。 3

15、應(yīng)用圍的擴(kuò)展虛擬演播室技術(shù)最初只是用于演播室節(jié)目的制作，但現(xiàn)在它的應(yīng)用圍有了很大的擴(kuò)展，特別是在體育節(jié)目的報道及廣告方面，出現(xiàn)了以虛擬演播室技術(shù)為根底的一些新技術(shù)，如虛擬重放系統(tǒng)、數(shù)字重放系統(tǒng)及虛擬廣告系統(tǒng)等，利用這些技術(shù)制作的節(jié)目可得到非常好的效果。 1虛擬重放系統(tǒng)虛擬重放系統(tǒng)主要應(yīng)用于足球等球類比賽的轉(zhuǎn)播及評論節(jié)目。它可提供球場、隊員及球的動態(tài)三維圖形畫像，同時可連續(xù)改變虛擬攝像機(jī)的拍攝視點。虛擬重放系統(tǒng)的工作過程是這樣的：首先選擇一幀要分析的視頻圖像，畫面在這一幀凍結(jié)起來。接著凍結(jié)起來的二維視頻圖像漸漸變成一幅動畫形式的三維場景，即球場、隊員及球等都變成了相應(yīng)的三維圖形畫像。虛擬攝像機(jī)可

16、圍繞這一場景進(jìn)展自由的飛繞拍攝，因此觀眾可從任意角度觀看這一瞬間的比賽情況。這套系統(tǒng)需要事先存儲體育場的三維模型。另外，準(zhǔn)備素材需要幾分鐘的時間。虛擬重放系統(tǒng)將逐步改變體育節(jié)目的轉(zhuǎn)播方式，它可局部代替慢速重放，可從各個角度模仿真實比賽的情況，因此呈現(xiàn)在觀眾面前的將不再是有爭議的或是難以判斷的情況。目前，虛擬重放系統(tǒng)可用于美式足球、足球、冰球等比賽工程。 2數(shù)字重放系統(tǒng)數(shù)字重放系統(tǒng)主要應(yīng)用于體育比賽的報道及評述節(jié)目。它能迅速重放各種精彩場面，在重放時，通過使用先進(jìn)的視頻跟蹤技術(shù)，可突出顯示并自動追蹤關(guān)鍵運發(fā)動或球，顯示他們的運動軌跡或路線，測量并顯示運發(fā)動和球的速度以及兩物體之間的距離，可在視頻

17、圖像上直接描畫各種箭頭、軌跡、路線和標(biāo)志。對于觀眾來說，數(shù)字重放系統(tǒng)可使他們更清楚地了解比賽中的每一個細(xì)節(jié)，從而能更好地欣賞比賽。對于體育評論員和球隊教練來說，數(shù)字重放系統(tǒng)是一個理想的分析工具。 3虛擬廣告系統(tǒng)虛擬廣告系統(tǒng)可在體育節(jié)目或文藝節(jié)目的直播期間，將演播室制作的虛擬廣告牌插入到賽場或表演場的空地上，或用虛擬廣告牌替換掉場地上原有的廣告牌，合成后可到達(dá)以假亂真的效果，觀眾絲毫不會覺察。利用虛擬廣告系統(tǒng)有很多優(yōu)點。首先，在對不同的地區(qū)進(jìn)展轉(zhuǎn)播時，可插入不同的廣告，增強(qiáng)廣告的有效性，提高資源利用率。另外，賽場上的廣告可以不再是靜止的，可以將插入的虛擬廣告作成動畫形式，各種二維或三維的動畫廣告更能吸引觀眾的注意力。此外，使用虛擬廣告后，廣告位置不再局限于場地的邊邊角角，如果愿意，整個場地都可以放置虛擬廣告，廣告尺寸也不會有任何限制。而且，虛擬廣告可插入到以前無法利用的空間，如水面、沙灘、雪地或非常高的地方。 完畢語虛擬演播室技術(shù)的開展很快，也包括很多方面，本文只介紹了其中的幾個主