虛擬演播室技術及其在電視節目制作中的應用

王金香

摘 要：在介紹虛擬演播室技術的基礎上，結合實例對U-Set 3D全景虛擬演播室的系統構成、工作原理、技術特點及虛擬演播室在電視節目制作方面的優勢進行了詳細闡述。

關鍵詞：虛擬演播室 攝像機跟蹤技術 虛擬場景 色鍵混合器

引 言

隨著電子信息技術的發展，虛擬現實技術越來越多地滲透進我們的生活，除了三維仿真、漫游、游戲這些傳統應用，虛擬現實技術已經在電視節目制作領域嶄露頭腳。虛擬演播室就是虛擬現實技術和傳統演播室色鍵摳像技術相結合，它將真實攝像機所拍攝的畫面與計算機制作的虛擬場景實時、完美地結合起來，創造出令人異想天開的虛擬世界。虛擬演播室的應用，使得電視節目制作擺脫了時間、空間及道具制作方面的限制，極大地提高了電視節目創作與制作能力。并且由于虛擬場景的制作、修改、保存都是在計算機中進行，省去了真實場景的搭建、拆卸、儲藏等環節，降低了節目制作費用，縮短了節目制作周期，提高了演播室效率。

一、虛擬演播室技術介紹

一套虛擬演播室主要由攝像機跟蹤系統、虛擬背景生成系統及視頻合成系統構成。虛擬演播室的工作原理如圖1所示。

（一）攝像機跟蹤系統

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。因此就需要有一個能夠實時檢測和提供攝像機運動參數的系統，這就是攝像機的跟蹤系統。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，主要分為機械傳感器跟蹤、圖形識別跟蹤、紅外跟蹤三種。

（二）虛擬背景生成系統

虛擬演播室中的背景圖像可以是來自錄像機或其他節目源的活動圖像，也可以是靜止的圖像或圖片，利用最多的是虛擬場景，也就是由計算機創作的二維或三維圖形。虛擬場景的制作可分為幾個步驟：首先要對場景中的所有物體進行建模，也就是設計物體的外形和尺寸，在建立一個模型的同時，計算機將他們分解成許多個多邊形，一般是三角形，然后定義一個輪廓；在每個多邊形上施加材質，可以是簡單的顏色，也可以材料；再把圖像或照片施加在多邊形上，以產生逼真的效果。其次是將模型在虛擬場景中定位，使用虛擬燈光產生所需要的燈光效果如陰影、高光、反射和折射。最后是制作在實際拍攝過程中虛擬場景出現的事件序列和特技效果。

二、虛擬演播室系統實例介紹

（一）系統簡介

勵得公司U-Set 3D虛擬演播室系統是一款支持三機位同步切換、采用計算機圖形跟蹤系統與攝像機機電傳感跟蹤系統相結合、渲染系統根據場景虛擬攝像機軌跡或者采集攝像機平搖（Pan）、俯仰（Tilt）和變焦（Zoom）的參數，實時生成與前景運動一致并經色鍵摳像合成以及添加字幕層輸出的新一代創新型虛擬演播室系統；其貼近虛擬節目制作實際的多跟蹤模式機位系統構架，極大提升了虛擬演播室產品的性價比和易用性。

（二）系統構成和工作原理

（1）切換器：完成攝像機前景信號的切換工作，受控于圖形工作站串口信號。

（2）同步信號分配器：完成外來同步型號的分配，分別將同步信號分配給U-Set 3D圖形工作站、切換器以及預留給用戶攝像機的3個同步信號輸出口。

（3）視頻輸入模塊：將切換器輸出攝像機前景視頻信號進行廣播級數字處理。

（4）色鍵1和2：運用領先的色鍵摳像算法，將兩路前景數據流進行實時的摳像處理并產生相應前景畫面的鍵和填充數據信息。

（5）傳感信息采集處理模塊：采用機械光電傳感跟蹤方式，采集攝像機平搖、俯仰、變焦6個方位的動作信息。

（6）活動視頻采集模塊：實時采集輸入的活動視頻信號，并做10bit廣播級數字處理，以用于建立虛擬場景視頻窗口。

（7）活動機位背景渲染及前背景疊加模塊：采用先進的計算機圖形運動跟蹤算法，根據預設的虛擬攝像機軌跡關鍵幀，實時渲染生成動態虛擬背景和動態鍵遮罩信息，并與前景鍵和填充數據信息進行合成處理，實現前景摳像人物與虛擬場景具備合理空間透視關系的完美結合；此外，該模塊還需要控制攝像機切換模塊，當虛擬背景進行不同視角背景切換的時候，同時發出控制信號給攝像機切換模塊，切換至相應視角的前景攝像機。

結 語

虛擬演播室技術發展很快，它與數字視頻技術、計算機技術以及其他相關技術的發展息息相關，隨著這些技術的發展，虛擬演播室技術也在不斷發展和完善。可以相信，虛擬演播室技術終將成為一種最有力的電視節目制作工具。