虛擬演播室技術及其應用

山東省招遠市廣播電視臺 閆軍屹

1.概述

在演播室制作電視節目時，制作人員經常運用色鍵合成技術，將演播室中藍色背景前主持人的圖像疊加到另一個背景或活動視頻上，創作出一種特殊的電視藝術效果，這種傳統的摳像制作在電視制作領域得到了廣泛應用。但這種傳統的電視制作方式存在著一定的局限性，疊加合成的節目畫面缺乏景深和真實性，當前景變化時，例如，攝像機做搖移、變焦運動時，疊加的背景畫面并不隨之產生變化，合成的畫面給人感覺較生硬。但在虛擬演播室系統中，由于引入了虛擬現實技術中的信息交互技術，虛擬攝像機可與真實攝像機鎖定，所以用計算機制作出來的三維背景可隨真實攝像機的推拉搖移而做正確的透視變化，使得合成畫面真實性大為增強。隨著廣播電視數字化技術和計算機技術迅猛發展，基于這兩種技術的虛擬演播室系統在電視制作領域的應用日益廣泛。

2.虛擬演播室的技術原理

2.1 基本原理

虛擬演播室系統的組成框圖如圖1所示。攝像機拍攝的主持人在帶識別標志的藍背景前主持的視頻圖像一路送數字圖像處理部分，實時獲取運動攝像的內外參數。另一路送視頻延時器，以保證前景與虛擬背景在合成時嚴格同步，其輸出送數字扣像儀，從帶識別標志的主持人圖像中去掉識別標志和藍背景部分，并給出描述前景與虛擬背景的融合比例的鍵信號。三維虛擬場景制作、發生工作站既要根據節目需要，制作虛擬場景，又能借助三維加速卡在攝像機內外參數控制下實時變換場景；視頻一插入信號可以嵌入虛擬場景中事先設定的電視墻中，可以對其大小、位置、邊框等參數進行調整，視頻二送入多層圖像合成器可以制作出多種特殊效果。從以上系統的結構中以看出，虛擬演播室系統可分為跟蹤、著色和合成三個子系統。跟蹤子系統用來獲取攝像機的動作參數。著色子系統根據攝像機的動作參數生成背景畫面和掩蔽信號。合成子系統將前景畫面和背景畫面通過色鍵合成輸出。

2.2 跟蹤系統

虛擬演播室能否將現實世界與虛擬世界完美結合起來，關鍵問題是能否正確判斷攝像機、主持人、計算機所制作布景三者之間的相對位置和關系，讓計算機知道攝像機的位置和拍攝范圍。攝像機的動作參數包括俯仰、左右搖、Z軸旋轉、左右移動、上下移動、前后移動和攝像機鏡頭的變焦、聚焦、光圈共九個參數。跟蹤系統的任務是實時測出這些參數，傳送給著色系統。

目前在虛擬演播室系統中應用較為廣泛的跟蹤技術，主要有圖形識別技術和基于傳感器的跟蹤技術兩大類。

（1）圖形識別技術

圖形識別技術實際上是一種“運動估測算法”，通過對前后幀畫面的相對運動部分進行的運動估值和運動補償計算，從而實時得到攝像機的位置和鏡頭參數。為了計算攝像機所拍畫面的運動變化，在背景幕布中要有充分的可識別信息，因此不可單純使用通常色鍵技術中使用的簡單藍色背景幕布，而必須在藍色幕布上再增添一些稍淺顏色的網格。這些網格必須確保可以用色鍵產生或分離出鍵信號；這些信號在運動估測計算之前就必須從原始畫面中提出來，以便用帶網格的背景信號進行計算，從而避免因畫面中前景物體的運動而造成計算上的混亂。

（2）傳感器技術

基于傳感器的虛擬演播室系統，在每臺攝像機的鏡頭和云臺活動部位都裝有一套機械傳感器跟蹤系統。此傳感器通常是一種高精度的光學編碼器，可以精確地檢測攝像機的運動狀態并得到相應參數，用16或更高比特進行量化，然后通過RS-232或RS-422端口傳送給超級圖形計算機，以進行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，將每個合成信號送回相應的攝像機尋像器，以便攝像師進行畫面構圖。

2.3 Z軸深度鍵技術

成熟的虛擬演播室除了提供虛擬背景之外，還應提供某些前景道具，如主持臺、桌子、門等，甚至主持人可以進到一個虛擬物體中去或消失在虛擬物體之后，這時物體的前后關系就由Z軸深度鍵來控制。這是一種新的色鍵技術，可以在縱深方向（Z軸方向）產生信息參數，從而得出虛擬攝像機到每個象素的距離數值。它不同于基于層次級的二維圖像處理技術，而是可以細分到三維場景中每個象素的三維實時處理技術：通過在主持人身上的超聲波發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（即主持人和攝像機之間的距離），從而判斷主持人可見或虛擬背景可見。

2.4 計算機技術

計算機技術是虛擬演播室的核心部件之一，虛擬演播室中的場景、道具都是由計算機產生，一方面可以做到常規演播室不可能做到的復雜而龐大的背景，另一方面也給背景設計師提供了更為廣闊的創作空間；可以任意角度觀看場景的整體效果，并且根據需要隨時進行修改，這也是虛擬演播室受歡迎的一個主要原因。用于生成3D虛擬背景的計算機軟件主要有3DMAX、ALIAS、MULTIGEN、SOFTIMAGE等三維動畫軟件。

3.實例分析

以色列的RT-SET公司的Larus系統，在虛擬演播室技術方面處于世界領先地位，其Larus虛擬演播室系統框圖如圖2所示，他可將標準的廣播與視頻制作演播室轉變為虛擬演播室，已得到國內外大型電視臺廣泛應用。

RT-Set公司的Larus是虛擬演播室系統中的高檔產品，其跟蹤系統采用安裝在基座上的精密的光電旋轉編碼器和鏡頭上的特殊編碼實時獲取攝像機位置和鏡頭視角參數，通過快速通信單元計算和傳輸至作為虛擬場景產生和實時變換的SGI Oynx圖形工作站上，由系統應用軟件根據這些參數控制三維虛擬場景在節目拍攝期間實時地更新，并按照演播室攝像機的運動和位置，總是以正確的透視角度出現，其一個顯著的優點在于，攝像機運動，包括搖擺、俯仰、快速變焦、3D運動和透視改變，不受限制；由一個計算機裝置控制和管理無限量的攝像機，而在控制室里連續顯示集成的攝像機視圖。概括起來，RTSet公司的Larus虛擬演播室系統的主要特點如下：

（1）Larus場景數據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）虛擬攝像機能在遠距離實際演播室的地點漫游和“拍攝”。

（4）3D聲音效果能被激活并與動畫或其它效果關聯。

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

（6）聯機視頻光標使演播室操作人員在制作期間任意布置地點都易于激活特殊事件和特技。

（7）外部節目系統和數據能集成入演播室。

（8）模板支持促進與操作者、工程師和其他用戶的高度交互性。

（9）制作期間實況視頻或音頻無延遲。

（10）視頻剪輯能在任意時刻插入任意目標。

（11）可選反饋系統與所有演播室攝像機一起操作。

（12）可選后備系統快速而精確地檢測系統故障、確保平穩及不中斷拍攝節目。

（13）允許虛擬和實際攝像機之間平滑而不被查覺的切換。

（14）系統價格昂貴，同時由于采用精密的機械—光學傳感器，增加了系統維護、安裝和操作的難度。