第九章虛擬演播室系統(tǒng)

第九章虛擬演播室系統(tǒng)第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月學習目標了解虛擬現(xiàn)實技術知道虛擬演播室系統(tǒng)的類型及特點理解虛擬演播室系統(tǒng)的工作原理了解虛擬演播室系統(tǒng)采用的關鍵技術掌握虛擬演播室的布光方法學會運用虛擬演播室制作電視節(jié)目第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術：是一系列高新技術的匯集，這些技術包括計算機技術、計算機圖形學、傳感技術、人體工程學、人機交互理論、多媒體技術等。在美國一家雜志社評選影響未來十大科技水平時，因特網(wǎng)位居第一，虛擬現(xiàn)實技術名列第二。虛擬現(xiàn)實技術，又稱為“靈境技術”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實（VR）：是一種高端人機接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模擬和實時交互。構成VR系統(tǒng)的五個典型組成部分如下圖所示：VR引擎軟件和數(shù)據(jù)庫任務用戶I/O設備第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、虛擬現(xiàn)實技術三維空間中的活動對象有六個自由度，其中三個用于平移，三個用于旋轉。如果在活動對象上捆綁一個笛卡兒坐標系（如下圖所示），那么它平移將沿著X，Y和Z三個軸，沿這些軸的旋轉分別稱為偏航、俯仰和滾動。當對象高速運動時，需要能迅速地測量出由這些參數(shù)定義的六維數(shù)據(jù)集。XZY偏航滾動俯仰第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：是要創(chuàng)建一個酷似客觀環(huán)境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機環(huán)境，也就是一個由多維信息所構成的可操縱的空間，其目標就是真實的體驗和方便自然的人機交互。能夠達到或部分達到這樣目標的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、虛擬現(xiàn)實技術任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用三個“I”來描述其特性，這就是沉浸（Immersion），交互（Interaction）和想象（Imagination）。（如下圖所示）沉浸交互想象3I第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室：是一套由計算機系統(tǒng)、電視攝像機（裝有跟蹤器）、三維場景發(fā)生器、色鍵器以及視音頻切換臺等構成的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。其實質是將計算機產(chǎn)生的虛擬三維場景與攝像機現(xiàn)場拍攝的演員（或節(jié)目主持人）表演的活動圖像進行數(shù)字化的實時合成，使演員（或節(jié)目主持人）的表演（前景）與虛擬場景（背景）達到同步的變化，從而實現(xiàn)前景與背景的完美結合。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室系統(tǒng)結構：一般有共用式結構和獨立式結構兩種共用式結構：它是采用共用虛擬場景生成系統(tǒng)的結構方式，多個攝像機機位共用一套虛擬場景生成系統(tǒng)，在前景機位切換的同時，在虛擬場景生成系統(tǒng)中完成場景的切換。但有延時現(xiàn)象。獨立式結構：它是采用一對一的通道化結構方式，每一個攝像機對應一個圖形和圖像處理通道，每個通道都包括一套攝像機跟蹤系統(tǒng)、延時器、虛擬場景生成系統(tǒng)、色鍵混合器，每個通道輸出的信號都是前景、虛擬場景已經(jīng)合成好的視頻信號，可以直接在特技切換臺上與別的通道輸出的視頻信號之間作特技切換。杜絕了延時現(xiàn)象。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室的組成：主要由攝像機、攝像機跟蹤系統(tǒng)、計算機圖形工作站、色鍵合成器4個部分組成。攝像機延時圖像識別或機械跟蹤圖形工作站矩陣色鍵合成器控制信號合成圖像FGMBG第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室工作原理：是把攝像機拍攝到的以藍色幕布為背景的畫面作為前景，用一臺超級實時圖形計算機中的三維動畫軟件生成的三維動作圖形作為虛擬場景，通過跟蹤器系統(tǒng)把采集到的攝像機的運動參數(shù)實時傳送給計算機圖形工作站，計算機圖形工作站經(jīng)大量運算后，產(chǎn)生與實際攝像機拍攝的實景畫面相匹配的虛擬場景。再通過深度鍵和色鍵將前景與虛擬場景合成為一個圖像輸出。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、虛擬演播室系統(tǒng)的分類從硬件平臺分類：可分為基于PC平臺的系統(tǒng)和基于UNIX平臺的系統(tǒng)。從工作原理分類：可分為二維虛擬演播室系統(tǒng)、三維虛擬演播室系統(tǒng)、真三維虛擬演播室系統(tǒng)以及為適應高清晰度電視系統(tǒng)而開發(fā)的HD虛擬演播室系統(tǒng)。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術：攝像機跟蹤技術、計算機虛擬場景生成技術、藍箱技術、燈光技術和無限藍箱技術等。攝像機跟蹤技術：攝像機跟蹤技術是虛擬演播室中一項關鍵技術，它可以獲取攝像機在演播室中的實際位置參數(shù)和動作參數(shù)，從而判斷攝像機、演員或節(jié)目主持人、計算機虛擬場景之間的相對位置關系，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)真實攝像機與虛擬攝像機的鎖定。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術攝像機跟蹤技術主要有圖形識別、機械傳感、紅外線傳感和超聲波傳感4種方式。圖形識別方式：是通過對攝像機所攝圖像的形態(tài)識別和分析來間接確定真實攝像機的各種運動參數(shù)。它可以對運動畫面進行精確的計算，獲得攝像機的各項（多達8個）運動參數(shù)。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術機械傳感方式：是通過有攝像機的橫搖、俯仰、變焦、聚焦、光圈的機械轉動位置安裝咬合齒輪來測量攝像機的運動參數(shù)（一般為4個參數(shù)），當攝像機機頭運動時，各個傳感器可以檢測到齒輪的旋轉角度變化，并對變化量進行編碼。編碼數(shù)據(jù)通過接口送到主機，主機根據(jù)真實攝像機的機位，在虛擬場景中計算出這一機位的虛擬背景，并在虛擬背景疊加真實人物，從而制作出虛擬演播室節(jié)目。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術紅外線傳感方式：是通過在攝像機上面安裝紅外線接收反射器，在演播室各個控制點安裝多個紅外線發(fā)生器，利用紅外線測距原理，實時測量表演者和攝像機在演播室中的位置，獲得機位運動參數(shù)，紅外發(fā)射裝置可安裝于表演者身上和攝像機上，而接收裝置（兩個或更多）可安裝于藍色幕布的上方。第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術超聲波傳感方式：是通過在攝像機上面安裝超聲波接收反射器，在演播室各個控制點安裝多個超聲波發(fā)生器，利用超聲波測距原理獲得機位運動參數(shù)，一般是在演播室頂部安裝超聲波發(fā)射和接收桿，每根桿有多個發(fā)射和接收點，向下發(fā)射超聲波。在攝像機頂部安裝3個金屬點和陀螺儀，金屬點用于反射超聲波信號，陀螺儀用于模糊定位，主要是用在攝像機傾斜和翻轉時的定位。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術計算機虛擬場景生成技術：是產(chǎn)生虛擬演播室中的場景、道具的技術。在常規(guī)演播室中不可能做到的復雜而寵大的背景，甚至許多現(xiàn)實生活中人們不可能見到的景觀，都可以通過虛擬場景生成技術，在虛擬演播室中實現(xiàn)。一般來說，三維虛擬場景可以由預生成三維方式和真三維方式來產(chǎn)生。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術藍箱技術：藍箱也稱為藍背景，它是主持人活動的實際場景及虛擬制作的基本依據(jù)。藍箱的好壞，直接關系到色鍵摳像的質量。藍背景可采用藍幕布，但最好采用藍背景漆。藍箱的設計，主要應考慮以下三個方面的問題：（1）空間結構（2）制作工藝（3）藍背景漆第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關鍵技術燈光技術：虛擬演播室燈光系統(tǒng)是建立在新型的三基色柔光燈的基礎之上的，這種燈發(fā)光均勻、陰影小、發(fā)熱少、色溫恒定而均勻，光布在主持人臉上自然而逼真。色鍵技術：虛擬演播室系統(tǒng)的摳像是由色鍵器來完成的，色鍵器的主要作用是把背景生成裝置實時生成的、和前景有正確位置及透視關系的背景圖像與前景圖像合成，使虛擬背景與真實前景達到完美結合。無限藍箱技術：無限藍箱技術通過外部生成的鍵信號，將前景視頻圖像中非藍箱內(nèi)的景物濾除，使攝像機的運動可以不受實際藍箱尺寸的限制。第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)光纖網(wǎng)HD矩陣多功能切換臺視頻延時器主掩膜控制色鍵器特技處理控制燈光控制物件編輯動畫控制編輯傳感器同步時基三維造型場景合成器同步時基傳感器麥克風調音臺放機錄機內(nèi)置調音臺2路音頻回放2路音頻采集字幕系統(tǒng)視頻輸出視頻輸出主輸出本地HD非線性回放非線性采集非線性編輯系統(tǒng)視頻輸出2路音頻回放2路音頻采集主機位參數(shù)主彩色場景主掩膜場景機位1機位2……RETTALLYV遙控P＆T,Z＆F鍵信號VVVVAAV大洋MagicSet虛擬演播室系統(tǒng)工作原理圖第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)功能特點：主要特點之一是高度的系統(tǒng)集成性。它把所有功能模塊都集成在了一臺高性能PC圖形、圖像工作站內(nèi)。系統(tǒng)所需要的外部信號僅為必需的同步時基和攝像機視頻。這在組建系統(tǒng)時可以使信號通路連接最為簡單，最大限度的減小了信號損失，特別是針對現(xiàn)有演播室改造時，對現(xiàn)有演播室信號通路上的改動和破壞很小。系統(tǒng)內(nèi)部的視頻信號都是以4:2:2的數(shù)據(jù)流的方式傳遞，在保證了不會有任何信號損失的同時也提高了系統(tǒng)的可靠性，再加上系統(tǒng)采用了非線性方式的視頻采集和回放，保證了系統(tǒng)在存儲媒介上也不會有信號損失，使整個系統(tǒng)在信號質量上能始終保持最佳的演播室級指標。第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)跟蹤傳感技術：跟蹤技術是攝像機和虛擬背景同步運動的關鍵。它主要獲取攝像機在演播室是的實際運動參數(shù)即機位參數(shù)和鏡頭參數(shù)，其中機位參數(shù)包括攝像機的高度和攝像機的地面位置；而鏡頭參數(shù)包括攝像機鏡頭的搖擺、俯仰、變焦、聚焦及攝像機的旋轉等。測量這些參數(shù)需要各種傳感器技術和測量技術。第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)三維場景生成：是用三維軟件及