虛擬演播室技術的現狀及發展(上)

2002-12-27 張曉輝新奧特公司依馬獅商務網

虛擬演播室系統為電視制作開辟了一個嶄新的空間，它將攝像機拍攝的圖像實時地與計算機三維圖形進行合成，從而形成一種新的電視節目制作系統。它具有一些傳統演播室無法達到的功能和優點，可以更有效地利用演播室資源，節省大量的制景費用,還可以使制作人員擺脫時間、空間的限制，充分發揮其想象力進行自由創造，并能完成一些其它技術做不到的特技效果。

一虛擬演播室系統的分類

由于專業電視設備制造領域的激烈競爭，各種新型的虛擬演播室系統在最近幾年層出不窮，根據不同的方式，我們一般對常見的系統有著如下的分類:

1. 根據硬件平臺可劃分為基于PC平臺和基于UNIX平臺的系統

早期基于UNIX平臺的系統應用得比較廣泛，如今隨著PC技術的迅速發展，其CPU的運算速度以及基于其3D圖形加速處理卡的處理能力越來越強大，因此基于PC的虛擬演播室系統的先進程度已經與基于UNIX平臺的系統相當，并獲得大量的軟件的支持，其未來的發展空間廣闊。而基于UNIX平臺的虛擬演播室系統，在一定程度上受到單一的UNIX平臺的兼容性的制約，其發展速度相對較為緩慢，同時由于價格昂貴，其市場空間相對較窄。

2.根據工作原理可分為：二維和三維虛擬演播室系統

二維系統的出現是為了迎合某些用戶的愿望，即能在較低的價值上建立一個簡單、實用而且圖像質量高的虛擬演播室系統。這類系統的背景生成裝置一般采用圖形圖像處理卡，可生成類似于二維DVE效果的平面背景圖像。但與一般DVE系統所不同的是，在這里各種數字視頻效果的生成是在攝像機運動參數的控制下進行的。例如，當攝像機推近前景圖像時，在相應運動參數的控制下，圖形圖像處理卡會產生一個放大的圖像，與前景配合。合成之后，前景看上去就好像確實處于圖像處理器產生的虛擬背景之中。但是由于此系統是二維系統，所以其調用的虛擬場景是預先生成好的平面TGA或BMP格式的圖片。比如一個雙機位的二維虛擬演播室系統如圖1，它是根據每個攝像機的機位角度事先渲染一幅相應的平面圖片，實際拍攝時是通過兩個圖片的切換體現出攝像機機位之間的切換，而無法實時的反映出從攝像機1移動到攝像機2的整個變化過程，而且攝像機的推拉搖移受到平面圖像大小的限制只能做小范圍的運動，一般來講每個機位的左右擺動范圍不能超過30°，否則畫面范圍就會超出虛擬背景的范圍而“穿幫”。主持人就像貼在一副背景畫之上，沒有景深和畫面層次，因此看起來真實感較差。

而三維系統可創建真三維的虛擬場景。其調用的背景是用傳統的3D建模工具（如3DMAX、MAYA等）建立的標準虛擬場景模型序列文件*.WRL，在專業圖形加速平臺上根據攝像機的參數變化進行實時的三維填充和渲染，因此實時渲染是三維虛擬演播室的重要特征。由于三維場景的實時渲染需要非常大的計算量，所以，這類系統必須采用功能強大的圖形工作站或專用的高速圖形處理器作為背景生成裝置。由于三維場景是建立在實時生成的圖形平臺上，場景的大小不受限制，攝像機可以在360°空間任意旋轉運動，配合無限藍箱技術可實現全場景360°空間顯示。在三維場景中，虛擬景物既能作為真實人物的背景出現，也能作為前景出現，并且真實人物還能圍繞虛擬場景運動，因而在視覺效果上更具縱深感，更加真實。這類系統再配合虛擬陰影及反射、像素級深度鍵等新技術后，可達到非常逼真的真三維虛擬場景效果，是節目制作的最佳選擇。

二虛擬演播室技術原理

虛擬演播室系統按照工作流程可分解為三個部分：攝像機跟蹤部分、計算機虛擬場景生成部分及視頻合成部分。

1.攝像機跟蹤部分

攝像機在拍攝過程中有平移X、縱移Y、景深Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS等變化，這些參數的改變會引起拍攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環境，圖形工作站必須根據這些參數不斷調整三維視圖。而攝像機跟蹤部分的作用正是用來拾取攝像機的位置信息和運動數據，實時的跟蹤真實攝像機，以保證前景與計算機背景“聯動”。目前虛擬演播室的攝像機跟蹤定位系統主要有以下三種方式：圖形識別方式、機械傳感方式、紅外線發射和接收方式。

(1)基于圖形識別的系統

該方式需要把一個精確的網格圖案以兩種不同的藍色繪制于藍背景上，通過攝像機識別這種圖案并與計算機跟蹤軟件預先確定的網格模型進行對比，以確定物體與虛擬背景的透視關系及距離。

圖案辨識的優勢在于無需鏡頭校準；同一個跟蹤器可同時用于一個以上的攝像機；攝像機可以不用軌道進行運動。不足之處在于精確的藍色網格圖案必須被繪制在藍背景之上；藍色網格圖案在制作色鍵過程中的陰影很難處理；藍色網格圖案很難保持良好的鍵的質量；攝像機拍攝不能垂直于藍色網格圖案，必須偏離30°角以上，否則不能準確定位；為了保持精確的跟蹤，攝像機的焦點必須始終保證在網格上，真實的演員會有模糊的缺點；攝像機只能有限的運動，不能搖移及俯仰出網格，否則不能定位；攝像機必須同時觀察4個網格點以保持跟蹤，這就不可能對人物進行特寫鏡頭的拍攝，另外由于人物必須站在網格之前，而網格大小是固定的，因此人物不能在藍背景前自由移動，這就使在虛擬環境中的人物看起來很不自然；攝像機必須緩慢移動以避免跟蹤混淆引起跳幀；攝像機的俯仰角度受到網格角度的限制。另一方面，真實及虛擬物體的使用也很有限，真實物體一定不能遮擋網格，否則跟蹤信號將消失。像藍色盒子之類用于為虛擬物體提供支持的道具也一定不能遮擋網格。

另外，圖案辨識需要附加的硬件，需要額外的工作站把網格坐標信息轉換為搖移、俯仰及變焦坐標信息再提供給圖形計算機使用，因此圖案辨識的延時有時高達8至12幀。

（2）基于機械傳感器的系統

該系統通過安裝在攝像機各部分的機械傳感器來獲取各種信息參數。參數信息通過一些串行接口類型如RS232或RS422傳送給計算機。

機械跟蹤的優勢在于單顏色藍背景，無需用戶繪制背景墻；很容易照亮藍色背景而不用擔心會照亮網格；跟蹤數據沒有延時；攝像機運動不受限制，因此允許更好的攝像機角度及更好的拍攝；演員的活動不受限制，演員在藍色舞臺范圍內可以任意速度自由活動，因此演員更容易接受虛擬場景；攝像機搖移、俯仰及變焦信息的采集速率可以完全跟上電視圖像的刷新頻率，無需額外的工作站處理跟蹤信息；自由使用真實的藍色支持道具；

CDV 新奧特虛擬演播室