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虛擬演播系統(tǒng)
虛擬演播系統(tǒng)
系統(tǒng)概況
虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)用攝像機(jī)跟蹤技術(shù)，獲得真實(shí)攝像機(jī)數(shù)據(jù)，并與計(jì)算機(jī)生成的背景結(jié)合在一起，背景成像依據(jù)的是真實(shí)的攝像機(jī)拍攝所得到的鏡頭參數(shù)，因而和演員的三維透視關(guān)系完全一致，避免了不真實(shí)、不自然的感覺。由于背景大多是由計(jì)算機(jī)生成的，可以迅速變化，這使得豐富多彩的演播室場(chǎng)景設(shè)計(jì)可以用非常經(jīng)濟(jì)的手段來實(shí)現(xiàn)，由于它本身所具有的無窮魅力以及其不可低估的發(fā)展前景，迄今已被越來越多的節(jié)目制作及有關(guān)人員所關(guān)注。
虛擬演播室是一種全新的電視節(jié)目制作工具，虛擬演播室技術(shù)包括攝像機(jī)跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)、色鍵技術(shù)、燈光技術(shù)等。虛擬演播室技術(shù)是在傳統(tǒng)色鍵摳像技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用了計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)和視頻合成技術(shù)，根據(jù)攝像機(jī)的位置與參數(shù)，使三維虛擬場(chǎng)景的透視關(guān)系與前景保持一致，經(jīng)過色鍵合成后，使得前景中的主持人看起來完全浸盡于計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的三維虛擬場(chǎng)景中，而且能在其中運(yùn)動(dòng)，從而創(chuàng)造出逼真的、立體感很強(qiáng)的電視演播室效果。
采用虛擬演播室技術(shù)，可以制作出任何想象中的布景和道具。無論是靜態(tài)的，還是動(dòng)態(tài)的，無論是現(xiàn)實(shí)存在的，還是虛擬的。這只依賴于設(shè)計(jì)者的想象力和三維軟件設(shè)計(jì)者的水平。許多真實(shí)演播室無法實(shí)現(xiàn)的效果，對(duì)于虛擬演播室來說，確是“小菜一碟”。例如，在演播室內(nèi)搭建摩天大廈，演員在月球進(jìn)行“實(shí)況”轉(zhuǎn)播，演播室里刮起了龍卷風(fēng)等等?，F(xiàn)在有的電視臺(tái)已經(jīng)起用了虛擬主持人，并且成為了明星，他們不僅可以配合真人的主持人主持節(jié)目，而且還可以單獨(dú)主持節(jié)目。這些都是虛擬演播室創(chuàng)造性的體現(xiàn)。
虛擬演播室的產(chǎn)生，給視頻節(jié)目制作、電視廣播帶來了一場(chǎng)革命。
三維虛擬演播室的跟蹤技術(shù)有4種方式可以實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)格跟蹤技術(shù)、傳感器跟蹤技術(shù)、紅外跟蹤技術(shù)、超聲波跟蹤技術(shù)，其基本原理都是采用圖形或者機(jī)械的方法，獲得攝像機(jī)的參數(shù)，包括攝像機(jī)的X、Y、Z、（位置參數(shù)）Pan、Till、（云臺(tái)參數(shù)）Zoom、Focus（鏡頭參數(shù)） 由于每一幀虛擬背景只有20ms的繪制時(shí)間，所以要求圖形工作站實(shí)時(shí)渲染能力非常強(qiáng)大，對(duì)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)沒有更多的限制，一般適合專業(yè)電視臺(tái)，對(duì)節(jié)目制作要求較高的用戶使用。
另一種方法是預(yù)生成三維背景，即要首先制作好背景的三維模型，然后預(yù)先定義好攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)和參數(shù)設(shè)置，根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成每臺(tái)虛擬攝像機(jī)的視圖畫面，最后運(yùn)用色健將前景和相應(yīng)的虛擬背景結(jié)合起來。這種方式可以生成比較真實(shí)的虛擬背景，對(duì)圖形工作站實(shí)時(shí)渲染能力要求不高，攝像機(jī)只可以切換機(jī)位（攝像機(jī)機(jī)位必須事先與背景調(diào)整好比例和透視關(guān)系），不可以做其他的運(yùn)動(dòng)，這樣的虛擬演播室適合學(xué)校以及電教中心，投資較小，要求不高的用戶使用。
虛擬演播室系統(tǒng)特點(diǎn)
虛擬演播室系統(tǒng)是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和色鍵技術(shù)不斷改進(jìn)而出現(xiàn)的一種新的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。在虛擬演播室系統(tǒng)中，攝像機(jī)的工作狀態(tài)信息傳送給圖形工作站，計(jì)算機(jī)依此得到前景物體與攝像機(jī)之間的距離和相對(duì)位置，從而計(jì)算出虛擬場(chǎng)景最適宜的大小、位置，并按要求計(jì)算生成虛擬場(chǎng)景的三維模型。現(xiàn)場(chǎng)視頻采用色鍵原理，將主持人或演員置身于藍(lán)色背景幕布前表演，然后利用切換臺(tái)上的色鍵功能將主持人從藍(lán)色背景中分離出來，實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維模型完美無缺地集成在一起，構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)實(shí)中不存在的，但是在電視畫面上卻又起到演播室作用的那種假想的新的環(huán)境和氣氛，最終得到把將實(shí)拍的人物與虛擬景物無縫地融合起來的畫面。
虛擬演播室優(yōu)點(diǎn)
虛擬演播室的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，從畫面可以明顯看出，電腦生成的背景與演員之間的融合簡直是天衣無縫。虛擬演播室系統(tǒng)用軟件來生成背景和道具，它可制作出實(shí)際不存在的或難以制作的場(chǎng)景，并可以在瞬間改變場(chǎng)景，可以制作出真實(shí)演播室無法實(shí)現(xiàn)的效果，其空間不受物理空間限制，攝像機(jī)可以以360゜旋轉(zhuǎn)；還可以引人大量虛擬特殊環(huán)境與道具，因此可創(chuàng)作出更豐富、更吸引人的節(jié)目,使導(dǎo)演在很大程度上擺脫了時(shí)間、空間和道具制作方面的限制，獲得了更大的創(chuàng)作的想象空間，能夠以低廉的成本產(chǎn)生新奇的視覺效果。另外，由于場(chǎng)景的制作、修改、保存等都在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，制作和更換電子布景快捷簡便，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力，而且縮短了節(jié)目制作周期，提高演播室的利用率等等。虛擬演播室雖然具有諸多的優(yōu)越性，但它由于價(jià)格昂貴，普及和推廣有一定的難度。
【系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)】
①攝像機(jī)的跟蹤與定位
在虛擬演播室節(jié)目制作過程中，確定攝像機(jī)的狀態(tài)信息非常關(guān)鍵。虛擬演播室專用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通常為二到三個(gè)，攝像機(jī)配有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)，即攝像機(jī)跟蹤器。其跟蹤方式有光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)和機(jī)械傳感式系統(tǒng)兩種。其原理是將檢測(cè)到的攝像機(jī)的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過一個(gè)“傳感器”裝置傳輸?shù)健靶?zhǔn)器”，這樣，理想情況下，現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)與虛擬演播室中“虛擬”的攝像機(jī)被相對(duì)地鎖定在一個(gè)位置上。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)演播室攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，虛擬攝像機(jī)受跟蹤器的控制可以實(shí)時(shí)地與現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)保持同步。
②攝像機(jī)的鎖定
虛擬演播室的另一重要而獨(dú)有的問題是攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。虛擬攝像機(jī)與真實(shí)攝像機(jī)的初始位置并無直接關(guān)系，它可以放在虛擬空間的任意位置，當(dāng)演播室有兩臺(tái)以上攝像機(jī)進(jìn)行切換時(shí)，必須保持實(shí)際演員和景物在虛擬演播室中的位置不變，也就是與虛擬景物的關(guān)系不變。否則在切換時(shí)，觀眾會(huì)看到演員從背景中某個(gè)地方跳到另一個(gè)地方，在視覺上會(huì)造成不真實(shí)的效果。由于真實(shí)物體與演員是由真實(shí)攝像機(jī)給出，背景由虛擬攝像機(jī)給出，所以必須對(duì)虛擬攝像機(jī)進(jìn)行位置鎖定，即虛擬攝像機(jī)之間的距離必須與真實(shí)攝像機(jī)之間的距離相等，且推拉、搖移的初始量（原位矢量）與真實(shí)攝像機(jī)的位置方向關(guān)系保持一致，才能進(jìn)行切換。
③變焦、聚焦與景深
實(shí)際拍攝時(shí)，攝像機(jī)的聚焦點(diǎn)一般都跟蹤主持人，如果此時(shí)前景和背景都聚焦得十分清楚，會(huì)產(chǎn)生景深的不自然感。尤其在特寫鏡頭時(shí)，背景應(yīng)該是虛焦的，使前景、背景如同出自同一攝像機(jī)，否則，這種虛擬演播室是不成功的。
④色鍵與藍(lán)箱
摳像，藍(lán)箱主要有一墻一、三墻一底式藍(lán)箱、三墻一底式藍(lán)箱、底式、兩墻一底（一角）式和三墻一底式3種。其中三墻一底式能給出更大空間，攝像機(jī)機(jī)位限制小，搖攝范圍大。藍(lán)箱必須保證均勻的藍(lán)色背景，特別是在墻墻、墻地交接處不能有接縫的痕跡。同時(shí)，由于節(jié)目制作過程中采用了色鍵技術(shù)，演員及真實(shí)道具在藍(lán)室中投下的影子也要隨演員及道具一起進(jìn)入虛擬空間，人物和環(huán)境景物在演播室燈光下的影子會(huì)被摳掉，造成一種不真實(shí)感。由于色鍵技術(shù)的使用，因此會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，不僅要求系統(tǒng)增加前景視頻延時(shí)單元，而且必須考慮其它問題。一個(gè)是聲音，由于前景視頻被延時(shí)，為了保證聲畫同步，需要增加視頻幀同步器。另外，由于延時(shí)，給演員觀看反饋監(jiān)視器上的合成圖像以確定動(dòng)作增加了難度。
摳像功能，可以摳除藍(lán)色，紅色和黃色背景，實(shí)現(xiàn)虛擬演播廳的效果。啟動(dòng)軟件后，打開“系統(tǒng)”->“摳像和顏色調(diào)整”。根據(jù)實(shí)際情況，選擇需要進(jìn)行摳像的通道，并且勾上啟動(dòng)摳像的復(fù)選項(xiàng)，然后選擇作為背景的通道或者圖片。最后，根據(jù)實(shí)際情況，稍微調(diào)節(jié)摳像的顏色范圍，達(dá)到最佳摳像效果。
⑤計(jì)算機(jī)技術(shù)
虛擬演播室系統(tǒng)配備的計(jì)算機(jī)是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)為網(wǎng)絡(luò)中心，它是虛擬演播室的控制中心，是虛擬演播室節(jié)目制作的“導(dǎo)演臺(tái)”。它除了調(diào)用和調(diào)整事先做好的三維虛擬場(chǎng)景外，還負(fù)責(zé)向圖形發(fā)生器傳輸圖像數(shù)據(jù)及處理由攝像機(jī)跟蹤器傳來的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)主機(jī)傳來的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地計(jì)算出虛擬的三維電腦場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)，以保證其輸出的虛擬背景與真實(shí)的前景同步。
在虛擬節(jié)目準(zhǔn)備中的一個(gè)重要任務(wù)就是建立三維模型。虛擬演播室的背景圖像可以是來自錄像機(jī)或攝像機(jī)的活動(dòng)視頻，也可以是靜止圖像等，但使用最多的是由計(jì)算機(jī)創(chuàng)作的二維或三維模型CG（Computer Graphics），即虛擬場(chǎng)景。雖然虛擬演播室的背景原則上說可以無窮地轉(zhuǎn)換變化，但是背景的創(chuàng)意、三維建模等工作相當(dāng)復(fù)雜，不再是一兩個(gè)人就能充分使用好的系統(tǒng)，它需要導(dǎo)演、創(chuàng)意者、美術(shù)設(shè)計(jì)、二維建模者、三維建模者、演員及虛擬系統(tǒng)的操作者等人員的通力配合。因此，對(duì)于一次性節(jié)目背景的制作而言，虛擬演播室并沒有效率上的優(yōu)勢(shì)，而除了可以制造出不同凡響的特技效果外，能否真正發(fā)揮虛擬演播室的功能，創(chuàng)造出高質(zhì)量的特技效果，還在于制作者的想像力和它們之間的配合。
