虚拟演播室技术的现状及发展

虚拟演播室系统为电视制作开辟了一个崭新的空间，它将摄像机拍摄的图像实时地与计算机三维图形进行合成，从而形成一种新的电视节目制作系统。它具有一些传统演播室无法达到的功能和优点，可以更有效地利用演播室资源，节省大量的制景费用,还可以使制作人员摆脱时间、空间的限制，充分发挥其想象力进行自由创造，并能完成一些其它技术做不到的特技效果。

一虚拟演播室系统的分类

由于专业电视设备制造领域的激烈竞争，各种新型的虚拟演播室系统在最近几年层出不穷，根据不同的方式，我们一般对常见的系统有着如下的分类:

1. 根据硬件平台可划分为基于PC平台和基于UNIX平台的系统

早期基于UNIX平台的系统应用得比较广泛，如今随着PC技术的迅速发展，其CPU 的运算速度以及基于其3D图形加速处理卡的处理能力越来越强大，因此基于PC的虚

拟演播室系统的先进程度已经与基于UNIX平台的系统相当，并获得大量的软件的支

持，其未来的发展空间广阔。而基于UNIX平台的虚拟演播室系统，在一定程度上受

到单一的UNIX平台的兼容性的制约，其发展速度相对较为缓慢，同时由于价格昂贵，其市场空间相对较窄。

1. 根据硬件平台可划分为基于PC平台和基于UNIX平台的系统

早期基于UNIX平台的系统应用得比较广泛，如今随着PC技术的迅速发展，其CPU 的运算速度以及基于其3D图形加速处理卡的处理能力越来越强大，因此基于PC的虚

拟演播室系统的先进程度已经与基于UNIX平台的系统相当，并获得大量的软件的支

持，其未来的发展空间广阔。而基于UNIX平台的虚拟演播室系统，在一定程度上受

到单一的UNIX平台的兼容性的制约，其发展速度相对较为缓慢，同时由于价格昂贵，其市场空间相对较窄。

而三维系统可创建真三维的虚拟场景。其调用的背景是用传统的3D建模工具（如3DMAX、MAYA 等）建立的标准虚拟场景模型序列文件*.WRL，在专业图形加速平台上根据摄像机的参数变化进行实时的三维填充和渲染，因此实时渲染是三维虚拟演播室的重要特征。由于三维场景的实时渲染需要非常大的计算量，所以，这类系统必须采用功能强大的图形工作站或专用的高速图形处理器作为背景生成装置。由于三维场景是建立在实时生成的图形平台上，场景的大小不受限制，摄像机可以在360°空间任意旋转运动，配合无限蓝箱技术可实现全场景360°空间显示。在三维场景中，虚拟景物既能作为真实人物的背景出现，也能作为前景出现，并且真实人物还能围绕虚拟场景运动，因而在视觉效果上更具纵深感，更加真实。这类系统再配合虚拟阴影及反射、像素级深度键等新技术后，可达到非常逼真的真三维虚拟场景效果，是节目制作的最佳选择。

二虚拟演播室技术原理

虚拟演播室系统按照工作流程可分解为三个部分：摄像机跟踪部分、计算机虚拟场景生成部分及视频合成部分。

1.摄像机跟踪部分

摄像机在拍摄过程中有平移X、纵移Y、景深Z、水平角、俯仰角、镜头变焦Z00M，聚焦FOCUS等变化，这些参数的改变会引起拍摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，图形工作站必须根据这些参数不断调整三维视图。而摄像机跟踪部分的作用正是用来拾取摄像机的位置信息和运动数据，实时的跟踪真实摄像机，以保证前景与计算机背景“联动”。目前虚拟演播室的摄像机跟踪定位系统主要有以下三种方式：图形识别方式、机械传感方式、红外线发射和接收方式。

(1)基于图形识别的系统

该方式需要把一个精确的网格图案以两种不同的蓝色绘制于蓝背景上，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格模型进行对比，以确定物体与虚拟背景的透视关系及距离。

图案辨识的优势在于无需镜头校准；同一个跟踪器可同时用于一个以上的摄像机；摄像机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；蓝色网格图案很难保持良好的键的质量；摄像机拍摄不能垂直于蓝色网格图案，必须偏离30°角以上，否则不能准确定位；为了保持精确的跟踪，摄像机的焦点必须始终保证在网格上，真实的演员会有模糊的缺点；摄像机只能有限的运动，不能摇移及俯仰出网格，否则不能定位；摄像机必须同时观察4个网格点以保持跟踪，这就不可能对人物进行特写镜头的拍摄，另外由于人物必须站在网格之前，而网格大小是固定的，因此人物不能在蓝背景前自由移动，这就使在虚拟环境中的人物看起来很不自然；摄像机必须缓慢移动以避免跟踪混淆引起跳帧；摄像机的俯仰角度受到网格角度的限制。另一方面，真实及虚拟物体的使用也很有限，真实物体一定不能遮挡网格，否则跟踪信号将消失。像蓝色盒子之类用于为虚拟物体提供支持的道具也一定不能遮挡网格。

另外，图案辨识需要附加的硬件，需要额外的工作站把网格坐标信息转换为摇移、俯仰及变焦坐标信息再提供给图形计算机使用，因此图案辨识的延时有时高达8至12

帧。

（2）基于机械传感器的系统

该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。参数信息通过一些串行接口类型如RS232或RS422传送给计算机。

机械跟踪的优势在于单颜色蓝背景，无需用户绘制背景墙；很容易照亮蓝色背景而不用担心会照亮网格；跟踪数据没有延时；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；演员的活动不受限制，演员在蓝色舞台范围内可以任意速度

自由活动，因此演员更容易接受虚拟场景；摄像机摇移、俯仰及变焦信息的采集速率

可以完全跟上电视图像的刷新频率，无需额外的工作站处理跟踪信息；自由使用真实

的蓝色支持道具；

二．虚拟演播室技术原理

2．计算机虚拟场景生成部分

虚拟演播室的场景是计算机绘制的图形，计算机绘图有二维和三维之分，因而虚拟场景也有二维和三维之分，二维场景没有厚度，只是一个平面图形，所以二维虚拟场景只能作为背景平面，出现在真实人物的后面，而三维虚拟场景中的景物具有Z方向的厚度，是立体的，以背景中的一个长方体为例，长方体是一种六面体，其底面和背面一般是看不见的。然而随拍摄角度的不同，有可能看见其正面，侧面和顶面。因此在计算机中，其正面、侧面和顶面的图像都分解为像素的形式，保存在存储器中，当摄像机处于任意的角度位置时，计算机即进行计算，获得相应的画面。同时，三维的场景中，虚拟景物既能作为真实人物的前景出现，也能作为背景出现，并且真实人物还能围绕虚拟景物运动。

当然还必须进一步考虑许多细节问题，比如灯光和阴影，当摄像机改变其取向位置时，根据照明条件，阴影部分将发生相应的变化，背景画面应该能够反映出这种变化。

新奥特NASET系统就是按三维虚拟演播室的标准定义设计的。其调用的背景是用传统的3D 建模工具(如3DMAX、MAYA等)建立的标准虚拟场景模型序列文件*.WRL，在Open-GL图形平台上根据摄像机的参数变化进行实时的三维填充和渲染。因此它具备如下特点：（1）Open-GL图形平台的像素填充率为32亿像素/秒，浮点运算为760亿/秒，三角型生成速率为5700万个/秒，显存带宽为8GB/s，配备3D加速缓存为DDRSGRAM/4ns/64MB。高性能的硬件指标保证了NASET系统可以实现三维建模并且实时的三维渲染。

（2）NASET系统中三维虚拟场景中的景物具有真正的三维属性，随着摄像机的移动可以看到景物的侧面和背面；虚拟景物既能作为真实人物的背景出现，也能作为前景出现，并且真实人物还能围绕虚拟场景运动，因而在视觉效果上更具纵深感，更加真实。

（3）三维场景是建立在矢量模型实时生成的基础上，因此，无论场景放大到什么程度，都可以保证三维场景清晰地显示。而二维场景即使采用反走样技术，在场景放大到一定程度时，由于显示元素的缺乏，依然会出现马赛克或图像模糊的现象。

(4)三维场景支持电视墙的三维显示，主要表现在电视墙可以用任意的三维方式显示,如梯形、弧面、柱面的变形。在不同摄像机位看到的电视墙均能保持正确的三维属性。

(5)使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。为了克服这一现象，NASET系统采用了无限蓝箱技术或称为“填补彩底”技术。使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补。无限蓝箱功能使演员的活动范围及摄像机的取景范围不再受蓝箱大小的限制。

（6）具备无限场景功能。三维场景和二维场景本质的不同在于场景的三维属性。二维场景使

用的是平面图显示，由于受到PC总线带宽的限制，只能用图形卡有限的显存存放有限的场景。在实际应用时，摄像机的推拉摇移受到场景大小的限制只能做小范围的运动。而三维场景建立在实时生成的图形平台上，场景的大小不受限制，摄像机可以在360°空间任意运动，配合无限蓝箱技术可实现全场景显示。

由于真三维虚拟演播室在国内还是新事物，以至于业内一些用户对真三维虚拟演播室与二维及二维半虚拟演播室相比较的优缺点也不甚了解。表1就新奥特NASET三维虚拟演播室系统为例，把国内外不同种类的虚拟演播室做一个比较。