虚拟演播室系统及其关键技术.docx

多年来演播室的节目录制经常使用色键抠像技术将在蓝背景前录制的前景画面（如播音员、主持人）与事先制作好的背景画面经色键器合成产生所需的节目画面供播出或录制。使用这种传统的抠像技术最大的缺点是在前景和背景合成时前景和背景的图像没?quot;锁定"也就是说摄像机运动时（变焦、移动、转动）背景无法随之变化。这样就造成前景与背景的相对位置关系不正确合成的图像生硬播音员好像在背景上漂浮不符合人们的视觉习惯。为了避免这种情况就需要对前景与背景在空间上"锁定"即调整或移动背景使之与摄像机的运动同步。虚拟演播室（VirtualStudio）可以说是应运而生成为节目制作人员关注的焦点。一、虚拟演播室系统构成典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景材料库和图像合成等设备组成。虚拟演播室节目制作系统构成的简单框图如图1所示。在蓝背景中的演员由前景摄像机（真实摄像机）拍摄而如图1所示的背景图像记录及生成系统称为虚拟摄像机。真实的和虚拟的摄像机始终是锁定的。因此需要确定真实摄像机的位置参数包括摄像机在演播室中的空间位置摄像机的运动参数（倾斜、转动、翻转）摄像机镜头设置参数（变焦、聚焦、光圈）。所有这些数据都被送入计算机中进行分析实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。然后前景图像（包括演员和真实场景、道具）与计算机生成的背景图像通过色键控制器进行天衣无缝的合成。输出的图像可以直接播出或记录在存储媒介上。图1虚拟演播室节目制作系统构成二、虚拟演播室关键技术虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和色键技术等。1.摄像机跟踪技术摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术它可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数从而判断摄像机、演员或主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。摄像机跟踪要求有足够的精度。以变焦比为20倍、60万像素的2/3英寸CCD摄像机为例假定水平有效像素数为850最小水平视角3°～5°为保持±1/2像素的图像精确度并考虑镜头特性要求角度定位精度和分辨率达到0.001°数量级。目前摄像机跟踪技术主要有图形识别和机械传感两种方式。(1)图形识别法图形识别实际上是一种"运动估测算法"它可以对运动画面进行精确的计算获得摄像机的各项运动参数。实际应用一般采用有浅蓝色网格图案的深蓝色背景板拍摄时系统会对网格进行定位追踪通过对每一幅画面中许多像素点亮度信号进行计算可以得出画面的移动和比例的变化用这个测量值和运动参数建立一个关于像素子集的联立方程。为了减少计算误差可以选择一个基准帧以之为基准对每幅画面进行计算。同时为了达到实时处理要求计算机的图像处理速度达到50帧/秒。为了避免摄像机快速进行左右、俯仰摇动时画面中网格图案变得模糊而影响跟踪效果摄像机应使用电子快门。电子快门的速度越快允许摄像机运动的速度就越快。同时演播室整个蓝色幕布（蓝箱）的布光要尽量均匀。当摄像机的光圈为5.6电子快门速度为1/120时网格图案的信号电平应达到70%左右这样可获得最稳定的跟踪效果。(2)机械传感法基于传感器的摄像机跟踪系统最精确传感器被安装在摄像机三角架、基座、升降摇臂的摇摄轴、俯仰轴上和镜头的变焦、聚焦环上以及滑轨、推车上。它采集摄像机位置和透视数据编码量化后通过RS－232端口或RS－422端口传送给计算机。(3)两种跟踪方式的比较无论是图形识别方式还是传感器方式各有其优缺点。图形识别方式的优势在于：不需要对摄像机进行改造无需镜头校准便于摄像师操作摄像机可以不用轨道进行移动；一个跟踪器可同时用于多个摄像机。其不足之处在于：要对每幅画面进行大数据量分析和计算加大了视频延时量；为了精确的跟踪必须使网格图案保持清晰这使得摄像机景深范围受到限制；只有当画面中含有一定数量的网格图案时系统才能进行测量计算使得演员的活动范围受到一定的限制无法拍摄一些特写镜头；由于背景有深浅两种蓝色对演播室布光要求比较严格对色键器的质量要求很高。机械传感方式可以弥补上述图形识别方式的不足测量摄像机运动参数非常精确旋转角度可以达到.001°移动距离可以达到0.01毫米的精确度；摄像机运动不受限制演员在蓝色布景范围内的活动自由度大。但其缺点在于：每台摄像机必须有一个跟踪器；摄像机移动不便定位、镜头校准复杂困难。图形识别和机械传感是虚拟演播室常用的两种获得摄像机运动参数的技术各有千秋。为了更方便用户使用目前较为流行的几种虚拟演播室系统在以某种跟踪技术为主的同时还融入了另外一种以及更为先进的技术如红外线跟踪技术、超声波跟踪技术、辅助摄像机技术。2.计算机虚拟场景生成虚拟演播室中的场景、道具通常都由计算机产生。在常规演播室中不可能做到的复杂而庞