视频基地『Ｖｉｄｅｏ

播奠随着电子信息技术的发展虚拟现实技术越来越多地渗透进我们的生活除了三维仿真

虚批演播室系统是一漫游游戏这些传统应用虚拟现实技术已经开蛄在电视节目制作领域崭露头脚．虚拟演播室

就是虚拟现实技求和传统演插室色键抠掉技术相结台在电视节目制作领域的应用。它将真实

摄像机所拍摄的画面与计算机制作的虚拟场景实射完美地结合起来臼ｊ造出令＾异想天开的

虚拟世界。虚拟演播室的应用使得电视节目制作者摆脱了时间空间及道具制作方面的限制

极大地提高了电视节茸创作与制作能力。并且由于虚拟场景的制作修改保存都是在计算机

中进行省去了真实场景的措建拆卸储藏等环节降低了节目制作费用缩短了节目制作

周期提高了演播宣效率、璜新颖的电越节ｇ制作方式他结古了色键技术摄像扎跟踪技术压先避舵图形生成挂￥．本文在介绍７虚拟演播室基本原理和系统构咸的基础上对所涉＆到的一些曩链技术进行了分析．

并介绍７谊拄术≈电祝节目

制作领域的＆ｍ．

＊薯调２．虚拟演播室基本原理

虚拟演播室是在传统演播窒的基础上增加了三个子系统包括能获取撮像机运动参数的摄

像机运动踉踪系统能实时生成与前景田像保持正霸透视关系的背景图像的图形计算机将来

自摄像机的真实前景和图形计算机所生成的虚拟背景ｆ又称虚拟场景）台成并输出的色键台成

器。典型的虚拟演播室的工作原理是将摄像机拍摄到的以蓝箱为背景的人物景物送到色键器

作为前景画面．同时通过摄像机运动跟踪系统将采集到的摄像机运动参数送给豳骺计算机然

后图形计算机根据摄像机运动参数生成台适的虚拟背景画面和遮挡信号并按照遮挡信号提供

的关系通过Ｚ轴深度键和色键技术将前景画面与虚拟背景画面进行色键台成使真实人物

景物与虚拟场景之间。同步联动“

景中的画面输出形成正确的透视关系虚拟出真实演员置身于。真实“场虚搬漓揖宣１盘拟场景ｌ扳像帆跟蹿技术ｌ色健

６６影视科怍ＩＪｕｎｅ２０１０万方数据

Ｖｉｄｏｏｌ视频基地

３＿．虚拟演播室的构成

套虚拟演播室主要由撮像机跟踪系统虚拟背景生成系统及视频合成系统构成

３１摄像机跟踪系统

虚拟演播室如何正确判断摄像机主持人以及虚拟背景之间的柑对位置关系是实现前 背景国像完全同步联动的关键

所在。因此就需要有一个能够实时幢测和提供摄像机运动参数的系统这就是摄像机的跟踪幕统。摄像机的运动参数包括镜头运动参数ｃ变焦．聚焦光圈｝机头运动参数（摇移俯仰厦可旋转角度的数值）厦空间位置参数（地面位置ｘ

要跟踪摄像机的空间位置参数。目前跟踪技术主要分为机械传癌嚣蹑踪图形识别跟踪红外跟踪三种。

３Ｙ和高度ｚ）等。在二维虚拟演播宣中一般只需要跟踪摄像机的镜头运动参数和机头遥动参数。而在三维虚拟演播室中还需２虚拟背景生成系统

虚拟演播室中的背景图像可以是来自录像机或其他节目源的活动图像也可以是静止的图像或图片利用最多的是虚拟

场景也就是由计算机创作的二维或三维图形。虚拟场景的制作可分为几个步骤首先要对场景中的所有物体进行建模也就是设计物体的外形和尺寸，在建立一个模型的同时计算机将他们分解成许多个多边形般是三角形然后定义个轮廓．在每个多边形上旌加材质可以是筒单的颜色也可以是材料再把图像或照片施加在多边形上以产生逼真的效果。其次是将模型在虚拟场景中定位使用虚拟灯光产生所需要的灯光效果如阴影高光反射和折射。最后是制作在实际拍摄过程中虚拟场景出现的事件序列和特技效果。

在摄像机运动参数控制下背景生成系统对预先制作好的虚拟场景信号进行处理实时生成与前景有正确透视关系的

背景图像。这就意味着背景生成系统必须要对视频画面以２ｓ帧／秒（ＰＡＬ制）或３０帧／秒｛Ｎ制）的速度实时处理数据流。如果生成的是三维虚拟场景其计算量非常大。在不降低图形照明度阴影纹理和建模结构的前提下提高图形刷新速率成为实时生成虚拟背景的关键。

３３视频合成系统

背景的视频图像只有与前景的＿睨频图像混台后才最终完成虚｝ｃ【演播室节目制作。前景与背景的视频合成是通过色键台

成器实时完成的。为保证台成准确应使拍摄视野中的蓝箱处于均匀照龋之下．要台理调配灯光使前景与虚拟背景的煦明亮度及方向匹配另外主持＾疑真实道具在蓝箱中投下的彩子也要睦主持人厦道具一起进＾虚拟空间，为提取阴影灯光的设置应使阴影处的蓝色电平与背景蓝幕布的蓝色电平有较大区剐影子的方向也要和虚拟空间中光源方向致；蓝箱应使用纯正的色键蓝色其空间大小应保证演员有足够的移动范围。

另外．由于图形计算机创建出来的三维虚拟场景中每一个像素都带有深度信息这便引出了深度键的概念。果用层发等

级深度键可将物体分为有限数目的深度层次使物体旧实现相互遗挡当真实人物景物与虚拟景物动态遮挡时通过深度键技术就可以实现逼真的三维效果。

４。虚拟演播室系统的分类

４１按照摄像机跟踪技术分类

按照摄像机跟踪技术可以将虚拟演播窒系统分为机械传盛器跟踪图形识别跟踪和红外艰踪三娄。

４１１机械传感器跟踪虚拟演播室系统

机械传感器跟踪是首先应用于虚拟演播室的一种跟踪方式并且至今还在广泛应用。它的原理很简单通过安装在撮像

机各部分的机械恃感器米获取摄像机的运动参数并通过串行接口传送蛤计算机控制虚拟场景的生成。

４Ｉ２图形识别跟踪虚拟演播室系统

图形识别跟踪技术中最典型的是网格跟踪方式网格跟踪需要一个画有特殊阿格的蓝色背景幕布摄慷机拍摄前景图像

的同时也摄取了网格图案的影像将这一图像数宇化后送＾图形处理计算机利用图像分析法参照摄像机起始参数根据网格图案变化计算出摄像机的运动参数。

万方数据Ｊｕｎｅ２０１０Ｉ影视制作６７

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４１３红外跟踪虚拟演播室系统

报据需要在演播室内安装一定数量的固定红外摄像机并在可移动摄像机和演员身上安装红外发射器。红外摄像机实时

捕捉移动摄像机和演员身上的红外信号计算机再进行运算处理。

瞳形识￡口与机械传感器跟踪系统相比其优点是－可用较低的成本增加机位，解决了机械传感器式系统对摄像机的限制

和长时间的校准要求同时摄像机可在不同轨道进行运动。不足之处是它获得摄像机运动参数的精度比机械传感器式低，当镜头脱离网格背景时跟踪系统可能会失去方向

数据处理时问长画面的延时比机械传感器方式多。

红外跟踪是目前最高端的跟踪系统该系统支持摄像机和演员的自由移动对取景构图没有限制缺点是价格较高。最

佳的虚拟演播室跟踪系统拟采用机械传黪器跟踪田形识别跟踪私红外跟踪三种技术相结合的方式。三种跟踪技术同肘使用系统根据优先级自动切换确保跟踪参数正确定时地传递给圈形计算机。这样的跟踪系统性价比高能满足各样的拍摄要求。为了保持精度摄像机的移动必须维护正礴的相对位置镜头的焦点必须始终聚在厨格上使用上有了一定的限制不能给主持人大的特写由于计算机要计算视频画面的变化增加了技术■４２按照虚拟场景的立体层次分类

按照虚拟场景的立体层次不同可以将虚拟演播室分为二维系统二维半系统夏三维幂统（又称真三维系统｝。

４２１二维虚拟演播宣系统

二维虚拟演播室幕统生成的虚拟场景为二维图像背景生成装置一般采用困像处理器摄像机无需移动进行拍摄时

受相应镜头和虮头运动参数的控制图像处理器会产生相应变化的图像与拍摄前景台成。

４２２二维半虚拟演播室系统

该系统生成的背景图像为三维但又不同于三维虚拟演播宝系统。它的虚｝ｃ【场景必须事先在３ｄｓＭａｘ等三维动画编辑软

件里设计制威三维模型场景将制作好的三维模型场景进行渲染制作成特别大的高图像质量的图片这样可以保证镜头在推拉俯仰平播过程中视频画面不会超出虚拟场景画面。这类系统是事先生威场景采用贴图的方式实现前景和背景的台成因此在场景设计时可以不受约束尽情发挥。

４２３三维虚拟演播室系统

３Ｄ等固际通用建横软件设计好的场景模型并根据摄像机各运动参数的即时值对场景三维虚拟演播室属于高档次的虚拟演播室系统可以创建全三维的虚拟场景。摄像机能够在场景中自由运动系统实时地读取３血Ｍａｘ

进行实时渲染．ＭａｙａＳｏｆｔｌｍｇａｇｅ

二维系统中虚拟场景为二维图像没有厚度所以二维系统中虚拟场景只能作为背景平面出现在真实人物的后面．它是

一个简单的虚｛ｃ｝演播室系统价位较低。二维半系统是以一张圄片作为背景在真实摄像机角度发生变化时无法宴时调整图形计算机生成的虚拟摄像机从场景方面看拍摄过程中移动撮像机会造成透视关系失配．另外摄像机的位置是预先在软件中设置好的故摄像机无法在拍摄过程中实时穆动。三维系统中摄像机可以自由移动因而更适用于灵活性自由度要求高的节目如小型综艺娱乐体育等。通常情况下这类节目形』枣相对复杂制作时间鞍宽褡采用三维系统可实现较为丰富的节目场景。由于三维系统是对虚拟场景源文件实时渲染场景精细度和复杂度受系统硬件和软件的限制较大。而二维半系统背景生成器的处理源是一个广角位圄它和原始模型的复杂程度（如三角形个数填充递率等）无关由于广角位囤通过三维建模和渲染环境中事先精细渲染不受２５帧／秒ｆ或３０帧／秒ｊ速度限制场景渲染质量大幅度提高可以设计无限精细和无限复杂的场景。因此对于一些无需摄慷机移动的节目如播报访诚专鼯等二维半系统的优势是明显的。综上所速二维半和三维虚拟演播室系统在技术方向上存在差别两者的适用范围不同三维系统不是二维半幕统的升辗。

４３按照背景生成系统平台分类

按照背景生成系统平台可分为专用圉形工作站和Ｐｃｆ忻）虚拟演播室系统。

基于图形工作站的虚拟演播室累统一般采用功能强大的图形Ｉ作站作为背景生成装置。＃优点是可实时生成全三维的

虚拟背景幂统的功能可随软件的升级而提高缺点是价格昂责。

随着Ｐｃ系统指标图像处理和加速性能及系统稳定性的不断提高Ｐｃ（ＮＴ）幕统平台已成为虚拟演播室系统的另一种选

择因为Ｐｃ机更窖易被使用者掌握和接收。

一个理想的虚拟演播室系统应该是完全开妓的应具有良好的硬件厦软件兼窖性。

６８彩视制作ｌＪｕｎｅ２０１０万方数据

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５．虚拟演播室技术的应用

５１虚拟演播室技术的基本应用

５１１虚拟演播宣技术在广播电视领域的应用

现在许多广播电视台都开办了如新闻类访谈娄经济粪少儿娄等几十档自办栏目。制作不同类型的节目需要不同的

演播室场景最理想的情况是每个栏目有专用的演播室。这显然是不实际的对于许多中小广播电视台来说也是办不到的。利用虚拟演播宣只需要一个蓝辑通过图形计算机兢可以制作出各种与栏目主题相称的场景并存＾计算机中制作节目时再调出使用非常方便。使一个演摇室被多套栏目利用大大降低了栏目多样化带来的对空问时间疑财力的要求。

５１２虚拟演播宣技术在教育电视领域的应用

瞳着电子技术的发展软硬件价格不断降低。以往只适用于中大型广播电视台的虚拟演播室技术已普及到了教育领域

威为教育教学的重要辅助手段。目前不仅教育电视台部分高校也陆续建设７虚拟演播室系统并在教育电视节目制作远程教育应用新教学模式探索和校园电视台运作等方面取得了一些可喜的成绩。

５２虚拟演播室技术应用的扩展

虚拟演播室技术最初只是用于演播室节目的制作随着技术的发展出现了以虚拟演播室技术为基础的一些新技术如

虚拟人物技术虚｛“重放系统数宇重放系统虚拟广告系统等。利用这些技术制作的节目可得到非常好的效果使其应用范围有７＂／Ｅ太的扩展。

５２１虚拟人物技术

是通过在真人身上加装一定数量的传感器捕捉真人的动作及表情变化井把这些变化恃结由圈形工作站虚拟出的虚拟

人物使两者动作协调一致那么就完全可以由虚拟人物代替真实人物主持或参与各种电视节目。

５２２虚拟重放系统

利用该系统可迅速地将要进行分析的一帧视频圉像冻结虚拟重放系统主要应用于足球等球类比赛的转播及评比节目

并将冻结起来的二维视频图像转换为一幅动画形式的兰维场景再利用由图形计算机生成的虚拟摄像机围绕这一场景进行自由的“飞绕拍摄因此观众可以从任意角度观看这瞬间的比赛情、兄甚至可浑八赛场中让观众产生身临其境的感觉。不仅满足观众多角度观赏要求而且呈现在观众面前的将不再是“有争议。或难以判断的情况。

５２３数字重放系统

主要应用于体育比赛的报道及评述节目。它能迅速重放各种精彩场面显示并自动追踪关键运动员或球的运动轨迹或路

线测量出运动员和球的速度以及之问的距离并可在祝频图像上直接描画出各种箭头轨迹路线和标志使观众更清楚地了解比赛中的每一个细节从而更好地欣赏比赛，

５２４虚拟广告系统

在体育比赛或文艺节目的直播期间利用虚拟广告系统可实时无缝地将计算机制作的虚拟广告牌替换掉赛场或表演场场

地上原有的广告牌台成后可以达到以假乱真的效果观众丝毫不会察觉。利用虚拟广告系统有很多优点。首先在对不同地Ｂ进行转播时可插人不同的广告增强广告的有效性提高资源利用率。其玫可以将插八的虚拟广告做成动画形式各种二维或三维的动画广告更能吸引观矗的注意力。此外虚拟广告的位置不再局限于场地的边边角角如愿意整个场地都可以放置虚｝“广告广告尺寸也不会有任何限制而且虚拟广告可插八到以前无法利用的空间如沙滩水面雪地或高空。６．结束语

虚拟演播室相比传统实景演播室的优越性是毋庸置疑的它不仅解决了传统色键抠像技术前景与背景不能实时同步造威台成图像失真的问题而且拓觉了电视节目制作者的创作空间降低了节目制作成本。当然虚拟演播室迁存在着不少局限性。虚拟终究是‘假”的只能做到无限逼真１目前受较件功能和硬件速度的制约虚拟背景的逼真性还不能令人满意而且并不是所有节目都莲台于在虚拟演播室中实现虚拟演播室比较适合于新闻访谈天气预报电教这一类演员比鞍少镜头变化比较少的非直播粪节目的制作．另外对节目制作人员也提出了新的要求他们必须具备良好的艺术素质和图形制作的熟练掌握以厦大家的通力合作才能发挥虚拟演播室真正功能．

虚拟演播室技术发展很快他与数字视频技术计算机技术以夏其他相关技术的发展息息相关随着这些技术的发展虚拟演播窒技术也在不断地发展和完善。可以相信虚拟演播室技术终将成为种最有力的电视节目制作工具。（醢

万方数据Ｊｕｎｅ２０１０Ｉ影视制作６９

虚拟演播室技术及其在电视节目制作领域的应用作者：

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年，卷(期)：柏楠， 储霞柏楠(南京艺术学院传媒学院数字媒体艺术系)， 储霞(江苏金湖广播电视台)影视制作TELEVISION CAPTION EFFECTS ANIMATION2010,16(6)

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