山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺(tái) 閆軍屹

1.概述

在演播室制作電視節(jié)目時(shí)，制作人員經(jīng)常運(yùn)用色鍵合成技術(shù)，將演播室中藍(lán)色背景前主持人的圖像疊加到另一個(gè)背景或活動(dòng)視頻上，創(chuàng)作出一種特殊的電視藝術(shù)效果，這種傳統(tǒng)的摳像制作在電視制作領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但這種傳統(tǒng)的電視制作方式存在著一定的局限性，疊加合成的節(jié)目畫面缺乏景深和真實(shí)性，當(dāng)前景變化時(shí)，例如，攝像機(jī)做搖移、變焦運(yùn)動(dòng)時(shí)，疊加的背景畫面并不隨之產(chǎn)生變化，合成的畫面給人感覺較生硬。但在虛擬演播室系統(tǒng)中，由于引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的信息交互技術(shù)，虛擬攝像機(jī)可與真實(shí)攝像機(jī)鎖定，所以用計(jì)算機(jī)制作出來的三維背景可隨真實(shí)攝像機(jī)的推拉搖移而做正確的透視變化，使得合成畫面真實(shí)性大為增強(qiáng)。隨著廣播電視數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，基于這兩種技術(shù)的虛擬演播室系統(tǒng)在電視制作領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

2.虛擬演播室的技術(shù)原理

2.1 基本原理

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(shí)別標(biāo)志的藍(lán)背景前主持的視頻圖像一路送數(shù)字圖像處理部分，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)攝像的內(nèi)外參數(shù)。另一路送視頻延時(shí)器，以保證前景與虛擬背景在合成時(shí)嚴(yán)格同步，其輸出送數(shù)字扣像儀，從帶識(shí)別標(biāo)志的主持人圖像中去掉識(shí)別標(biāo)志和藍(lán)背景部分，并給出描述前景與虛擬背景的融合比例的鍵信號(hào)。三維虛擬場景制作、發(fā)生工作站既要根據(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)內(nèi)外參數(shù)控制下實(shí)時(shí)變換場景；視頻一插入信號(hào)可以嵌入虛擬場景中事先設(shè)定的電視墻中，可以對(duì)其大小、位置、邊框等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，視頻二送入多層圖像合成器可以制作出多種特殊效果。從以上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中以看出，虛擬演播室系統(tǒng)可分為跟蹤、著色和合成三個(gè)子系統(tǒng)。跟蹤子系統(tǒng)用來獲取攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)。著色子系統(tǒng)根據(jù)攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)生成背景畫面和掩蔽信號(hào)。合成子系統(tǒng)將前景畫面和背景畫面通過色鍵合成輸出。

2.2 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(duì)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。攝像機(jī)的動(dòng)作參數(shù)包括俯仰、左右搖、Z軸旋轉(zhuǎn)、左右移動(dòng)、上下移動(dòng)、前后移動(dòng)和攝像機(jī)鏡頭的變焦、聚焦、光圈共九個(gè)參數(shù)。跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)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)，主要有圖形識(shí)別技術(shù)和基于傳感器的跟蹤技術(shù)兩大類。

（1）圖形識(shí)別技術(shù)

圖形識(shí)別技術(shù)實(shí)際上是一種“運(yùn)動(dòng)估測算法”，通過對(duì)前后幀畫面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)估值和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算，從而實(shí)時(shí)得到攝像機(jī)的位置和鏡頭參數(shù)。為了計(jì)算攝像機(jī)所拍畫面的運(yùn)動(dòng)變化，在背景幕布中要有充分的可識(shí)別信息，因此不可單純使用通常色鍵技術(shù)中使用的簡單藍(lán)色背景幕布，而必須在藍(lán)色幕布上再增添一些稍淺顏色的網(wǎng)格。這些網(wǎng)格必須確保可以用色鍵產(chǎn)生或分離出鍵信號(hào)；這些信號(hào)在運(yùn)動(dòng)估測計(jì)算之前就必須從原始畫面中提出來，以便用帶網(wǎng)格的背景信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，從而避免因畫面中前景物體的運(yùn)動(dòng)而造成計(jì)算上的混亂。

（2）傳感器技術(shù)

基于傳感器的虛擬演播室系統(tǒng)，在每臺(tái)攝像機(jī)的鏡頭和云臺(tái)活動(dòng)部位都裝有一套機(jī)械傳感器跟蹤系統(tǒng)。此傳感器通常是一種高精度的光學(xué)編碼器，可以精確地檢測攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并得到相應(yīng)參數(shù)，用16或更高比特進(jìn)行量化，然后通過RS-232或RS-422端口傳送給超級(jí)圖形計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行3D場景的著色處理。用色鍵合成器完成前景與背景的合成后，將每個(gè)合成信號(hào)送回相應(yīng)的攝像機(jī)尋像器，以便攝像師進(jìn)行畫面構(gòu)圖。

2.3 Z軸深度鍵技術(shù)

成熟的虛擬演播室除了提供虛擬背景之外，還應(yīng)提供某些前景道具，如主持臺(tái)、桌子、門等，甚至主持人可以進(jìn)到一個(gè)虛擬物體中去或消失在虛擬物體之后，這時(shí)物體的前后關(guān)系就由Z軸深度鍵來控制。這是一種新的色鍵技術(shù)，可以在縱深方向（Z軸方向）產(chǎn)生信息參數(shù)，從而得出虛擬攝像機(jī)到每個(gè)象素的距離數(shù)值。它不同于基于層次級(jí)的二維圖像處理技術(shù)，而是可以細(xì)分到三維場景中每個(gè)象素的三維實(shí)時(shí)處理技術(shù)：通過在主持人身上的超聲波發(fā)射器和安裝在演播室墻上的超聲波接收裝置可以得到前景的精確深度Z值（即主持人和攝像機(jī)之間的距離），從而判斷主持人可見或虛擬背景可見。

2.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)是虛擬演播室的核心部件之一，虛擬演播室中的場景、道具都是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，一方面可以做到常規(guī)演播室不可能做到的復(fù)雜而龐大的背景，另一方面也給背景設(shè)計(jì)師提供了更為廣闊的創(chuàng)作空間；可以任意角度觀看場景的整體效果，并且根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行修改，這也是虛擬演播室受歡迎的一個(gè)主要原因。用于生成3D虛擬背景的計(jì)算機(jī)軟件主要有3DMAX、ALIAS、MULTIGEN、SOFTIMAGE等三維動(dòng)畫軟件。

3.實(shí)例分析

以色列的RT-SET公司的Larus系統(tǒng)，在虛擬演播室技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，其Larus虛擬演播室系統(tǒng)框圖如圖2所示，他可將標(biāo)準(zhǔn)的廣播與視頻制作演播室轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M演播室，已得到國內(nèi)外大型電視臺(tái)廣泛應(yīng)用。

RT-Set公司的Larus是虛擬演播室系統(tǒng)中的高檔產(chǎn)品，其跟蹤系統(tǒng)采用安裝在基座上的精密的光電旋轉(zhuǎn)編碼器和鏡頭上的特殊編碼實(shí)時(shí)獲取攝像機(jī)位置和鏡頭視角參數(shù)，通過快速通信單元計(jì)算和傳輸至作為虛擬場景產(chǎn)生和實(shí)時(shí)變換的SGI Oynx圖形工作站上，由系統(tǒng)應(yīng)用軟件根據(jù)這些參數(shù)控制三維虛擬場景在節(jié)目拍攝期間實(shí)時(shí)地更新，并按照演播室攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)和位置，總是以正確的透視角度出現(xiàn)，其一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)在于，攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，包括搖擺、俯仰、快速變焦、3D運(yùn)動(dòng)和透視改變，不受限制；由一個(gè)計(jì)算機(jī)裝置控制和管理無限量的攝像機(jī)，而在控制室里連續(xù)顯示集成的攝像機(jī)視圖。概括起來，RTSet公司的Larus虛擬演播室系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

（1）Larus場景數(shù)據(jù)庫支持目前流行的三維建模軟件包，包括：Alias、Softir-nage、Wavefront Multigen和3Dmax或3Dstudio。

（2）實(shí)況虛擬景物在物理或虛擬演播室布景中任何部位都有可能相互遮擋。

（3）虛擬攝像機(jī)能在遠(yuǎn)距離實(shí)際演播室的地點(diǎn)漫游和“拍攝”。

（4）3D聲音效果能被激活并與動(dòng)畫或其它效果關(guān)聯(lián)。

（5）由于允許攝像機(jī)在藍(lán)色屏幕周界外拍攝，“虛擬藍(lán)屏”延伸了演播室拍攝區(qū)域的邊界。

（6）聯(lián)機(jī)視頻光標(biāo)使演播室操作人員在制作期間任意布置地點(diǎn)都易于激活特殊事件和特技。

（7）外部節(jié)目系統(tǒng)和數(shù)據(jù)能集成入演播室。

（8）模板支持促進(jìn)與操作者、工程師和其他用戶的高度交互性。

（9）制作期間實(shí)況視頻或音頻無延遲。

（10）視頻剪輯能在任意時(shí)刻插入任意目標(biāo)。

（11）可選反饋系統(tǒng)與所有演播室攝像機(jī)一起操作。

（12）可選后備系統(tǒng)快速而精確地檢測系統(tǒng)故障、確保平穩(wěn)及不中斷拍攝節(jié)目。

（13）允許虛擬和實(shí)際攝像機(jī)之間平滑而不被查覺的切換。

（14）系統(tǒng)價(jià)格昂貴，同時(shí)由于采用精密的機(jī)械—光學(xué)傳感器，增加了系統(tǒng)維護(hù)、安裝和操作的難度。