虚拟演播室系统

虚拟演播室系统
虚拟演播室系统（The Virtual Studio System，简称VSS)是近年来随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进而出现的一种新的电视节
目制作系统。

其原理是将摄像机拍摄的前景图像通过色键技术融入随摄像机镜头变化的虚拟场景中，以扩展电视节目制作的空间。

一、虚拟演播室系统构成
典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景材料库和图像合成等设备组成。

虚拟演播室节目制作系统构成的简单框图下图所示。

虚拟演播室节目制作系统构成
在蓝背景中的主持人由前景摄像机（真实摄像机）拍摄，而上图所示的背景图像记录及生成系统称为虚拟摄像机。

真实的和虚拟的摄像机始终是锁定的。

因此，需要确定真实摄像机的位置参数，包括摄像机在演播室中的空间位置，摄像机的运动参数（倾斜、转动、翻转），摄像机镜头设置参数（变焦、聚焦、光圈）。

所有这些数据都被送入计算机中进行分析，实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。

然后，前景图像（包括主持人和真实场景、道具）与计算机生成的背景图像通过色键控制器进行合成。

输出的图像可以直接播出或存储。

二、虚拟演播室关键技术
虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计和蓝背景技术、灯光技术和色键技术等。

1.摄像机跟踪技术
摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。

目前，摄像机跟踪技术主要有图形识别和机械传感两种方式。

(1)图形识别法
图形识别实际上是一种"运动估测算法"，它可以对运动画面进行精确的计算，获得摄像机的各项运动参数。

实际应用一般采用有浅蓝色网格图案的深蓝色背景板，拍摄时，系统会对网格进行定位追踪，通过对每一幅画面中许多像素点亮度信号进行计算，可以得出画面的移动和比例的变化，用这个测量值和运动参数建立一个关于像素子集的联立方程。

为了减少计算误差，可以选择一个基准帧，以之为基准对每幅画面进行计算。

同时为了达到实时处理，要求计算机的图像处理速度达到50帧/秒。

(2)机械传感法
基于传感器的摄像机跟踪系统最精确，传感器被安装在摄像机三角架、基座、升降摇臂的摇摄轴、俯仰轴上和镜头的变焦、聚焦环上以及滑轨、推车上。

它采集摄像机位置和透视数据，编码量化后通过RS－232端口或RS－422端口传送给计算机。

(3)两种跟踪方式的比较
图形识别方式的优势在于：不需要对摄像机进行改造，无需镜头校准，便于摄像师操作，摄像机可以不用轨道进行移动；一个跟踪器可同时用于多个摄像机。

其不足之处在于：要对每幅画面进行大数据量分析和计算，加大了视频延时量；为了精确的跟踪，必须使网格图案保持清晰，这使得摄像机景深范围受到限制；只有当画面中含有一定数量的网格图案时，系统才能进行测量计算，使得主持人的活动范围受到一定的
限制，无法拍摄一些特写镜头；由于背景有深浅两种蓝色，对演播室布光要求比较严格，对色键器的质量要求很高。

机械传感方式可以弥补上述图形识别方式的不足，测量摄像机运动参数非常精确；摄像机运动不受限制，演员在蓝色布景范围内的活动自由度大。

但其缺点在于：每台摄像机必须有一个跟踪器；摄像机移动不便，定位、镜头校准复杂困难。

图形识别和机械传感是虚拟演播室常用的两种获得摄像机运动参数的技术，各有特点。

为了更方便用户使用，目前较为流行的几种虚拟演播室系统，在以某种跟踪技术为主的同时还融入了另外一种以及更为先进的技术，如红外线跟踪技术(摇臂跟踪一般采用红外)、超声波跟踪技术、辅助摄像机技术。

2.计算机虚拟场景生成
虚拟演播室中的场景、道具通常都由计算机产生。

在常规演播室中不可能做到的复杂而庞大的背景，甚至许多现实生活中人们不可能见到的景观，都可以在虚拟演播室中得以实现。

3.色键技术
虚拟场景不仅有背景，还有前景，如桌子、讲台等，主持人或演员甚至可以进入一个虚拟物体中去。

画面中真实的、虚拟的物体间的关系比较复杂，要想实现完美自然的叠加，就需要具有特殊功能的高级色键
技术，因此，产生了一种被称为Z轴深度键的新技术。

目前主要有基于层次级和像素级的深度键。

层次级深度键技术将物体分别归类到数目有限的深度层中去，所以，演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。

像素级深度键技术把构成虚拟场景中的每一个像素都赋予相应的Z轴深度值。

虚拟物体、真实物体和演员可以动态地相互遮挡，从而增加了虚拟场景的真实感。

虚拟演播室色键还要关注的一个问题是"消蓝"。

由于使用蓝幕背景，因此环境反光会造成前景物体和演员身上有一些蓝色的干扰成分，对透明或半透明物体更易造成干扰。

这时，就需要对前景进行非常复杂的消蓝控制，即遏制削弱蓝色成分，同时，又不使前景产生颜色失真。

虚拟演播室技术的发展是和数字视频技术、计算机技术及其他相关尖端技术的发展息息相关的，它在实践中不断成熟，虚拟演播室系统类型也得到不断完善，能满足不同层次的需要，同时还出现了一些能实现特殊功能的类型，如虚拟出席、移动场景及适应高清晰度电视的HD虚拟演播室系统。

虚拟演播室已不仅仅在电视台应用，许多气象台、企业、学校也引进了虚拟演播室。

三、以下以四川电视台S11高清虚拟演播室为例：
川台S11虚拟系统图
这是一个三讯道高清虚拟演播室，采用了1个数字视频处理器（DVP500）、1个数字视频识别器（VDI-40）、1个图形工作站（HDVG）、1个色键器（ULTIMATTE 11）（含控制面板）、1台控制主机等设备构成的虚拟系统部分。

摄像机采集信号后，送给数字视频识别器（VDI-40）进行编码，然后进入切换台和矩阵，供色键器选源；
数字视频处理器（DVP500）是在摄像机做定位时使用的设备，定位完成后的保持等；
图形工作站（HDVG）是负责对虚拟场景的渲染以及摄像机的跟踪等；
色键器（ULTIMATTE 11）是做抠像处理。

川台S11虚拟系统设备连接图
主控工作站(HP Z600): 控制图形工作站（HDVG）、识别网格设备（DVP500）；并安装定位软件等，由该工作站完成摄像机的定位。

图形工作站（HDVG）、识别网格设备（DVP500）都是安装的Linux 系统，一般是将这些设备安装在机柜上，用主控工作站（安装在操作台）进行远程控制。

用主控工作站登录图形工作站（HDVG）、识别网格设备（DVP500）后需用Linux命令来完成相应操作。

以下虚拟系统中常用Linux相关指令：
root：[root@loclhost /root] #
进入远程Linux系统；注意超级用户的提示符是“#”，其他用户的提示符是“$”。

df: df [选项]
检查文件系统的磁盘空间占用情况。

可以利用该命令来获取硬盘被占用了多少空间，目前还剩下多少空间等信息。

top：TOP命令是Linux下常用的性能分析工具，能够实时显示系统中各个进程的资源占用状况。

TOP是一个动态显示过程,即可以通过用户按键来不断刷新当前状态.
edit：edit [选项] filename
edit命令是Linux下文档编辑命令.
cd：cd [directory]
该命令将当前目录改变至directory所指定的目录。

若没有指定directory，则回到用户的主目录。

为了改变到指定目录，用户必须拥有对指定目录的执行和读权限。

more: more [-num] [filenames..]
以一页一页的显示方便使用者逐页阅读，而最基本的指令就是按空白键（space）就往下一页显示，按b 键就会往回（back）一页显示，而且还有搜寻字串的功能
mv:mv [选项] 源文件或目录目标文件或目录
mv命令来为文件或目录改名或将文件由一个目录移入另一个目录中
注意：在Windows和DOS里是不区分大小写的，但在Linux系统下是严格区分大小写的，命令必须牢记。