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浅谈虚拟演播室使用技巧

时间:2022-04-15     作者:景轩光电【转载】   阅读

浅 谈 虚 拟 演 播 室


虚拟演播室是视频技术与计算机技术结合的产物,把传统的色键技术与计算机图形图像处理技术结合起来形成的,是一种新颖的独特的电视节目制作技术。本文主要介绍虚拟演播室的概念、工作原理及在实践中的应用,使读者对虚拟演播室的原理及应用有初步的了解。


虚拟演播室 摄像机跟踪 虚拟场景

虚拟演播室(Virtual Studio)是借助计算机技术、图形技术、多媒体技术、电视色键技术、显示技术、仿真技术等多种技术而发展起来的一种新颖独特的电视节目制作技术,它可以将摄像机拍摄的图像实时地与计算机三维图形进行合成,通过跟踪技术实现摄像机图像在虚拟环境的真实再现,为电视节目制作提供了更加广阔的空间。

一、虚拟演播室系统的优点

虚拟演播室技术是 20 世纪 90 年代初发展起来的,最初应用于军事、科技、电影等领域。近几年来,随着电视成为最广泛的大众传播媒介,电视观众对电视节目的制作要求也越来越高,伴随着电视技术迅速地向数字化和多媒体化方向发展,促使虚拟演播室技术在电视业具

有广泛的应用。传统的演播室内要制作节目时,需要对演播室内镜头可能拍摄到的地方进行认真布置,根据节目需求还需要制作大量的景物、道具来修饰演播室的环境,创造出与节目内容相适应的氛围,对于演播室比较少的电视台来说,可能在一周或一天内有多个节目组要使用演播室,舞美和道具的更换和存放面临严重的问题。而且用传统演播室视频系统进行抠像时,主持人与背景的关系是简单的加法,而不会联动,造成画面很呆板、不生动。但是使用了虚拟演播室系统后情况发生了变化:蓝箱代替了真实的景物,大量花费在制景、拆景及修补景物的开支被节省下来,也不需要占用演播室的空间来存放道具,计算机制作的虚拟场景图像可以随时修改或更换,适合多个不同类型节目制作的需要,也缩短了节目制作周期,也为同一演播室一天内制作多个节目提供了方便,由于虚拟场景不受演播室空间的限制,可以制作出比演播室本身环境大得多的虚拟场景效果,实现真实布景无法实现的艺术效果,使电视导演可以摆脱时间、空间及道具制作方面的限制,在广泛的想象空间中进行自由创作,充分发挥了节目制作人员的艺术想像力。虚拟演播室最显著的特点是能够使演播室现场人物可以融入任何虚拟环境中,现场视频可以实时地与计算机产生的三维图形完美无缺的合成在一起,构成一个现实中不存在,但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛。

二、虚拟演播室系统技术原理

虚拟演播室技术与色键技术十分相像,它是由前景的主持人为主的画面和背景画面,采用色键的方法构成一体,产生人物置身于背景的组合画面。然而,在真正的虚拟演播室技术中,背景是由计算机产生的,计算机接受摄像机的控制,随着摄像机的推拉摇移,俯仰角度的变化,计算机相应改变画面的大小和角度,并且为了正确再现前景与背景的空间透视关系,还需对前景和背景实施空间锁定,这种空间锁定是通过精确测定摄像机的所有定位参数(包括镜头调整参数)来实现的。从图一可以看出,虚拟演播室系统主要由三个部分组成:摄像机跟踪部分,计算机虚拟场景生成部分和视频合成部分。

1、 摄像机跟踪部分

摄像机在拍摄过程中主要有平移、纵移、景深、水平角、俯仰角、镜头变焦,聚集等参数变化,这些参数的改变会引起拍摄图像的视野与视角的改变,为了模拟人物所在的三维环境,图形工作站必须这些参数不断高速三维视图。而摄像机跟踪系统的作用就是要拾取摄像机位置信息和运动数据,实时跟踪真实的摄像机,确保前景与计算机场景联运。目前虚拟演播室的摄像机的跟踪系统主要有以下三种:图形识别方式、机械传感方式和红外线方式。

(1)基于图形识别的虚拟演播室系统

此种方式的系统需要在拍摄的人物或物体此后放置一个以两种不同蓝色绘制的具有精确网格图案的蓝色背景,蓝背景整体采用与与传统演播室相同的蓝色,因此仍可利用色键合成技术。通过摄像机识别这种图案并与计算机跟踪软件预先确定的网络模型进行对比,以确定物体与虚拟背景的透视关系及距离。当启动摄像机后,系统会对蓝背景风格进行定位追踪,利用图像分析的方法检测出其亮度的变化,通过计算机计算出每一幅图像中由于摄像机运动而引起的水平位移、垂直位移及镜头的变焦参数的变化。这些参数补送入图形工作站中,控制着用计算机制作出的虚拟场景中的摄像机的运动,这样,在虚拟的摄像机中看到的场景中的物体的位置及透视关系与实际拍摄的摄像机完全一致。图案识别的优势在于列需镜头校准,同一个跟踪器可用于多个摄像机,摄像机也可以不用轨道进行运动。不足之处在于精确的蓝色网格图案必须被绘制在蓝色背景之上,蓝色网格图案在制作色键过程中的阴影很难处理,难以保证良好的键的质量,摄像机的拍摄不能垂直于蓝色网格图案,必须偏离30 度角以上,否则难以准确定位;为了保持精确的跟踪,摄像机的焦点必须始终在网格上,真实的演员会有模糊的缺点;摄像机只能进行有限的运动,不能摇移及俯仰出网格,否则不能定位;摄像机镜头内至少必须有 4 个网格点以确保有效跟踪,这样拍摄人物特写时需小心,由于真实人物或物体是在网格前,所以其活动的范围应有限制,否则跟踪信号将消失。

(2)基于机械传感器的虚拟演播室系统

这种系统通过安装在摄像机各部分的机械传感器来获取各种信息参数。为测量摄像机的位置和透视关系,通常将传感器安装在三肢架或基座上,用来检测摄像机的镜头运动参数,需要在摄像机镜头上安装镜头运动参数编码器,它包含有传感器和有关电子装置,镜头编码器通过托架与镜头上的变焦环和聚集环的齿轮紧密啮合,当变焦环或聚集环发生位置变化时,编码器能够检测出上、下、左、右摆的细微角度并将其编码输出。信息数据通常通过串行接口如 RS-232 或 RS-422 传送给计算机。此种系统的优势在于背景为单蓝色,对灯光的要求较低;测量摄像机的参数可以非常精确,工作稳定,数据处理时间短,不会产生延时;摄像机运动不受限制,因此允许更好的摄像机角度及更好的拍摄;被拍演员或物体的活动不受限制,可以在蓝色舞台上以任意速度自由移动;在全盛过程中可以很容易地处理阴影,无需进行额外的修补。但是机械跟踪系统也有一些缺点,由于这种方式必须在摄像机镜头及云台上安装专用编码器,使得演播室中可使用的摄像机的种类及数量受到限制,并且每台摄像机必须有一个跟踪器;其次,不能使用手持式摄像机,因为摄像机的机械跟踪系统部分过于庞大、笨重,增加了摄像师灵活使用的难

度;再次,机械跟踪要对摄像机的镜头进行精确的测量,校正困难。

(3)基于红外线方式的虚拟演播系统

此种方式的系统采用红外线信号发射和多点摄像机头接收的原理,来实现对摄像机进行定位。它是利用红外线收发装置来检测被拍摄人物或物体与摄像机在演播室中的位置,红外线发射装置通常安装在被拍者身上或摄像机机身上,而接收装置(需要二个)可安装于蓝色幕布的上方,红外线接收的角度和时间即反映了摄像机和被拍者在演播室中的相对位置关系并将此住处传送至计算机。该系统的优点是可以在控制区域范围内测定摄像机在任意位置和角度的坐标参数;可以实现肩扛或手提方式拍摄,不受轨道限制。不足之处在于红外线发射和接收系统会受到演播

室灯光的影响;红外线可能会对演员和摄像师造成伤害;红外摄像机与接收器之间不能有遮挡,所以对道具放置的要求比较苛刻;对镜头运动的支持精度不及机械方式的镜头编码器;需要在摄像机上安装传感装置,可能会对其他设备,如提示器的安装产生影响。

2、 计算机虚拟生成部分

虚拟演播室的三维场景可以是视频、活动图像和静止画面,但是使用最多的是通过一些软件在计算机上绘制的图形,所以有二维和三维之分,因而虚拟场景也有二维和三维之分,二维场景没有纵深感,只是一个平面图形,所以二维虚拟场景只能作为背景平面,出现在真实人物后面。而三维虚拟场景的景物具有 Z 方向的厚度,是立体的,所以随着摄像机的拍摄角度的变化,可以看见其正面、侧面和顶面。虚拟演播室系统可以在摄像机运动参数控制下,通过背景生成装置对制作好的背景信号进行处理,实时生成与前景有正确关系的背景图像。一个虚拟演播室系统能否使用好,关键是看虚拟场景的设计,创作虚拟场景的设计师除了要具有美术专业技能,同时还要具有计算机建模能力,要对电视技术和电视节目制作流程有一定的了解,还需要和图像生成专家合作,才能创作出优秀的虚拟场景。虚拟场景的设计工作流程一般如下:首先是人与导演充分交流与沟通,根据栏目特点画出创意设计三维效果图,标出场景动画运动方式及路径,经过反复研究,导演确认后,设计师将设计方案交给制作师制作三维虚拟场景制作。制作师根据创意,在建模之前与演播室人员沟通,按照虚拟系统的技术要求对场景中所需的物体进行建模,设计物体的大小、外形、材质等。在建立一个模型前计算机将它分解为多个多边形,通常是三角形,然后进行渲染,在每个多边形上附加上顔色、金属、砖、石、木头、水泥等,或者把动态图像或照片贴在多边形上,以产生更加逼真的效果。用户可以在此模块中设置任意数量的光源给虚拟场景布光,达到理想的场景效果。由于软件允许用户对虚拟物体的运动轨迹、大小、光的反射、透明度及材质等进行无限次的修改,并且通过实时着色处理随时查看修改后的效果,所以制作师可以自由地创作发挥,直到场景满足要求。最后将制作好的三维立体模型和贴在模型表面上的纹理图存储在图形工作站的数据库中,并通过网络传输到演播室中虚拟场景制作软件系统,演播室中再根据实际需要对位调整,对三维场景进行控制和操作,最后通过超级图形工作站实时生成虚拟场景图像。

3、 视频合成部分

虚拟演播室系统的视频全盛部分原理基本类似于传统的色键技术。色键系统的工作原理就是将主持人或演员置身于蓝色背景幕布前表演,然后利用切换台上的色建功能将前景图像中的色度与其作背景的彩色幕布的色调差别作为形成键控电压的依据,并利用引电压去“抠”插入画面,然后再将前景图像填入画面,这样就将主持人从蓝色背景中分离出来,用其他的画面作为背景填充蓝色部分,形成一幅天衣无缝的合成画面。抠像技术的关键是使用与前景人物区别极大的高饱和度色彩作为背景色,在作色键抠像时,这部分的顔色就会被背景图像的相应部分所代替,这种系统现在在电视制作中应用得非常普遍。色键系统的主要不足在于:前景在运动,但背景却不能作出与前景运动相应的动作虚拟演播室采用了传统的色键全盛系统,配合以摄像机跟踪技术,突破了传统色键系统的限制,消除了摄像机不能与背景同步运动的致使弱点,做到真实的演员能深入到虚拟的三维场景中,并能与其中的虚拟对象实时交互。

在虚拟演播室系统中,主持人或演员在一间蓝箱内进行表演,多台配备有跟踪系统的摄像机对其进行拍摄,三维计算机图形发生器实时产生一个逼真的虚拟环境背景,摄像机信号经过系统的色键控制器后,去除蓝色背景部分并叠加到计算机的虚拟场景的画面上,送入图形工作站,结合摄像机跟踪系统传来的跟踪信号,通过实时运算产生出符合演员或主持人在虚拟环境中相对应的图像,这样就可以实现摄像机摄制的视频信号与计算机虚拟场景信号完美地全盛在一起,使演员与虚拟场景完美地结合在一起。

三、虚拟演播室的应用

虚拟演播室技术最初只是用于演播室节目的制作,但现在它的应用范围有了很大的扩展。虚拟演播室技术适合于新闻、采访、座谈、音乐、儿童教育、体育报道、天气预报等多种类型节目制作,制作效率高,修改方式灵活多样。为制作人员提供了无限制的创作手段,拓展了创作人员的想象空间,虚拟场景可以是真实世界的模拟,也可以是想象中的虚幻世界,不受真实条件约束。在小演播室中能拍摄出大场面、大气派和令人感觉新奇的节目。不需要搭建实景,不占用演播室制景、拆景时间,省去了庞大的道具仓库,缩短了节目制作周期,节约了人力、物力和财力。可方便地更换虚拟场景,使各档栏目可连续录制,提高了演播室的利用率,虚拟场景能随时修改,反复利用,编导可携带虚拟场景文件在不同的地方制作节目。新闻类节目,一般情况下播音员和摄像机几乎不动,使用虚拟演播室的新闻节目,可以让摄像机在演播室里来回移动表现更多的动作,记者在做报道时也可以在演播室走动,而不是坐在那里不动。天气预报节目,动画数据是可以改变位置和颜色的,所以看天气预报的观众能看见播报员在雨中走动,为节目带来了更多趣味和创意。体育报道节目应用虚拟演播室技术制作,给人以耳目一新的感觉。

虚拟演播室技术的发展是和数字视频技术、计算机技术以及其他相关技术的发展息息相关的,随着这些技术的进一步发展,我们完全有理由相信,虚拟演播室技术将会得到更大的

发展,并在更广泛的领域得到应用。

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