高端虚拟演播室系统设计

高端虚拟演播室系统设计

◎陈晓东 汪雄海浙江大学电气工程学院

【提要】　虚拟演播室系统是传统演播室的色键技术与计算机图形图像处理技术相结合的产物。它将计算机制作的虚拟场景与电视摄像机现场拍摄的人物进行数字化合成，从而获得完美的合成电视画面。本文在分析虚拟演播室系统工作原理的基础上，着重介绍了系统构成及设计问题，并给出了设计举例。【关键词】　虚拟演播室　　虚拟系统设计　　追踪系统“抠像”技术，其缺点在于合成的图像不真实。而虚拟演播室技术事先根据节目需求，按照蓝箱的比例制作一个虚拟场景；并通过跟踪系统获取摄像机空间的位置参数、摄像机云台的俯仰、旋转参数和摄像机镜头变焦、聚焦的参数，将这传统的电视节目制作中，为拍摄一些现场无法拍摄完成的画面，通常使用色键抠像技术，将演员的表演与不同的背景混合起来，达到特殊的视觉效果。随着观众欣赏水平的不断提高和电视节目制作技术的发展，该制作方式所出现的缺点越来越明显，主要问题是前景演员和背景不能实时地同步变化，造成了视觉上的差异，合成的图像不真实、不自然。融合计算机技术与视频技术为一体的虚拟演播室系统能获得真实、自然的合成图像，同时节约搭建实景的时间、空间和资金，符合现代电视作品生产周期短、时效性快、可视性强的特点，已迅速成为一项电视制作领域中的热点技术。本文提出的高端虚拟演播室系统设计技术，不但能提供全方位的摄像机跟踪参数，复杂场景的实时渲染和开放的软件平台，而且还能利用原演播室已有的传统硬件设备，因此可以较完满地解决上述问题。虚拟演播室技术实现大致分三方面：一是摄像机的跟踪系统；二是图形工作站的性能；三是系统的开放构架的实现。良好的摄像机跟踪系统要能为虚拟系统提供摄像机的Ｘ、Ｙ、Ｚ空间位置参数，摄像机镜头的聚焦、变焦参数和摄像机云台的俯仰、旋转参数。目前的跟踪系统主要分为机械传感器跟踪、图形识别跟踪、红外跟踪三种。机械跟踪系统通常些实时变化的参数传递给图形工作站。图形工作站根据跟踪参数识别摄像机和主持人在虚拟场景中的位置和“景别”大小，实时渲染出与之相对应的虚拟场景。同时，切换台输出的摄像机信号经过延时器延时后在色键器上与虚拟背景进行合成，使前景的人物画面与背景画面能够同步变化，获得自然的画面。1 引言3 虚拟演播室技术的特点分析2 虚拟演播室系统的一般原理及构成虚拟演播室系统硬件通常由虚拟系统设备和传统摄录设备两部分组成。虚拟系统设备主要由摄像机跟踪识别设备、图形工作站等组成，传统摄录设备主要由摄像机、切换台、延时器、色键器和周边设备组成，如图１所示。在常规演播室拍摄人物的镜头时，作为前景画面的演员会随着摄像机的推、拉、摇、移变化形成画面中不同的景别和透视关系。如果背景画面采用始终固定或与前景人物的景别变化没有同步关系的运动画面，这种合成方法为传统的安装在三脚架云台顶端，提供摄像机旋转摇移和俯仰坐标，通过连接在镜头上的齿轮传感器读出镜头聚焦和推拉的参数，并经串行接口传送给计算机。机械传感器使用时需要针对摄像机云台和镜头进行校准，所以设计时需注意选择与机械传感器匹配的摄像机云台和镜头。图形识别跟踪系统是把一幅精确的网格图案用两种不同饱和度的蓝色绘制到对应背景上，摄像机拍摄的图案通过计算机识别跟踪系统与确定的模型进行对比，确定物体与虚拟场景的透视关系及距离。该系统的优势是无需镜头校准，并适用于多台摄像机；其缺点在于摄像机不能摇移出网格，提JUN.200690

Radio & TV Broadcast Engineering广播电视中心

供特写镜头能力差。红外跟踪系统是目前最高端的跟踪系统，高端演播室常采用这种跟踪系统。根据演播室面积大小设计安装数个固定红外摄像机，并在可移动摄像机和演员身上均安装上红外发射器。红外摄像机实时捕捉可移动摄像机和演员身上红外信号，经过计算机的实时分析处理，确定摄像机和演员在场景中的三维坐标位置。摄像机聚焦和推拉的参数由镜头上传感器提供。红外跟踪系统支持摄像机和演员的自由移动，对取景构图没有，但缺点是价格较高，这是设计时要注意的。图形工作站的性能决定虚拟场景中几何图形的数量、材质记忆的多少、图片的大小、虚拟灯光的数量和外部视频的输入数量等主要参数。早些年设计的高端虚拟演播室多采用ＯＮＩＸ工作站作为图形渲染单元，价格十分昂贵。随着计算机技术的飞速发展，在双ＣＰＵ的平台上，通过硬件和软件的优化，开发出的专业图形工作站具有极高的性价比，开始受到青睬。一个理想的虚拟演播室系统应该是完全开放的、应具有良好的演播室硬件及软件兼容性。这方面的设计，特别是高端虚拟演播室系统设计方面还有很多工作要做。如选用机械或者红外跟踪设备，需要提供（一般为直流１２Ｖ）供电和视频同步信号，选择具有直接提供上述两种信号的摄像机机头是理想的解决方案；但是有的摄像机只有交流３００Ｖ的输出接口，此时需要定制交流３００Ｖ到直流１２Ｖ的适配器。通常演播室摄像机都具有视频同步信号的输出接口，但是不同摄像机输出同步信号的质量有较大的差异，选型时需要事先了现以中等规模虚拟演播室设计为例，若演播厅搭建４０ｍ２左右的Ｕ型蓝箱，每一个交叉面均做成２０ｃｍ左右的弧面，两个侧面开角要求１１０°左右，可以降低蓝箱内相邻面之间的灯光的相互反射，有效减少蓝箱的阴影区域，提高色键的“抠像”质量。同时避免主持人声音信号在蓝箱中多次反射，可较好地保证演播厅的混响效果。虚拟演播室的识别跟踪方式拟采用网格跟踪、机械跟踪和红外跟踪三种技术相结合的方式。三个摄像机可同时采用网格跟踪技术。一台用来拍摄人物特写镜头的摄像机可以配置机械传感器，且机械传感器可依赖网格进行初始校准，过程简单快速。在蓝箱的上方安装两个红外摄像机用于深度方向上的精确定位，如果完全采用红外跟踪，目前面积为４０ｍ２解是否满足虚拟跟踪设备的要求。镜头传感器的输出信号目前多数采用直接拉线回传给控制机房工作站的形式，利用摄像机三同轴电缆中空余的音频数据回传通道来传输跟踪设备的输出信号是理想的做法，不仅可以提高跟踪信号传输的安全性，而且无需打开演播室到控制机房的管线桥架重新布线，减少施工难度。这样在演播室现场摄像机只需连接一根摄像机三同轴电缆，完全实现传统演播室简单、方便的录制环境要求。目前流行的三维制作软件很多，如３Ｄ　Ｍａｘ、Ｍａｙａ等，如果虚拟系统支持的软件较少，在场景制作方面会受到。4 虚拟演播室系统设计和应用图２　虚拟演播室系统主结构图

2006年第6期广播与电视技术91

广播电视中心

的蓝箱一般需要安装２０多个红外摄像机。主持人和可移动摄像机上安装红外发射器，通过红外传感技术识别主持人和摄像机在蓝箱中的深度参数，三种跟踪技术同时使用，系统会根据优先级自动切换，确保跟踪参数能正确地实时传递到工作站。这样的跟踪系统性价比较高，能满足各样的拍摄要求。图形工作站选用专业图形处理器ＤＶＧ－１０处理外部输入视频信号、以５０Ｈｚ的速率实时渲染三维场景。ＤＶＧ－１０构建于两个奔腾４双处理器的ＰＣ平台上，集成在一个５ＲＵ的机箱中。每个ＤＶＧ－１０可以带两个着色处理引擎或一个控制和一个着色处理引擎。这种灵活的结构允许一个ＤＶＧ控制单元来控制无限数量的着色处理通道。它们还可以通过标准网络连接起来，使图形性能增强数倍，满足未来高清晰度电视的升级要求。虚拟演播室软件运行在低成本、高性能的Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ操作系统上。３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ的功能可以作为插入（Ｐｌｕｇ－Ｉｎ）应用到虚拟演播室软件中。图形布景、物体的纹理贴图、灯光设计和计算机生成物体动画的建模都可以在３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ中制作完成，虚拟演播室软件中自带图形优化功能的软件，能使用户获得最好品质的虚拟场景效果。在虚拟演播室软件中可使用丰富的３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｍａｘ制作工具和插件，可以直接打开场景文件，操作人员在实况制作之前或之间，都能非常容易地改变整个节目布景、物体模型、特殊效果和动画。如图２所示，录制实景节目时，导演可以在切换台节目母线上选择信号进行切换。在录制虚拟节目时，在Ｍ／Ｅ２母线上选择摄像机信号，在辅助母线１和辅助母线２上选择信号作为图形工作站的视频信号输入源，经过色键器合成的信号重新输入切换台，在节目母线上选择色键合成信号提供给数字录像机。这样两种录制方式转换无需跳接电缆，只要在以上述技术为背景设计的某广电集团虚拟演播室目前承担海外中心的“海峡”、体育频道的“心理档案”等栏目的制作。由于无需搭建舞台，录制效率得以提高，完善的跟踪系统使得主持人可以在虚拟场景中与虚拟物体间进行连续的遮挡，强大的图形工作站实时生成的虚拟场景运动流畅平滑。虚拟演播室的启用丰富了电视节目制作的手段，提高了节目制作的水平，得到了满意的播出效果，赢得了观众和节目部门的好评。切换台上选择不同的母线进行切换。在虚拟演播室中，图像信号经过图形工作站处理后，会有２帧左右的延时，所以声音信号也必须进行延时处理，保证主持人声画同步。5 结束语参考文献1　邹承明，钟珞，张蕊，童琪薇．虚拟室内漫游的实现技术．武汉理工大学学报，2005,27(3)2　王宇飞，朱跃龙．电视节目制作领域中的虚拟演播室系统．中国有线电视．2004,19/20(10)3　郭玲，　周献中．关于改善可视化仿真系统实时性的途径．火力与指挥控制，2004,29(2)4　于舒娟，　张志涌．全递推型式线性预报法可视化仿真．系统仿真学报，2004,16(8)5　杨华坤，杨红雨，洪玫，陈化，柯力．基于分布式实时三维仿真系统的设计与实现．四川大学学报（自然科学版）　，2004,41(1)（收稿日期：２００５－０９－２９）▲

书讯

电气设备用图形符号　　　制定本标准的目的在于建立统一的电气设备（以下简称设备）用图形符号及其格式、含义和应用范围。１　范围　　　　本标准所包括的图形符号适用于：　　　　ａ）　放置在设备上或任何类型设备的零部件上，向控制设备的人员指示对设备的使用和操作。　　　　ｂ）　放置在人们能可聚集或经常活动的场所及通道，指出诸如禁止、报警、规则或的说明。　　　　ｃ）　也可使用在平面布置图、图、地图、简图和类似文件上。２　目的　　　　本标准的目的是制定统一的电气设备用图形符号及其用途、格式、含义和应用范围。３　“ａ”的规定　　　　用于信息处理和检索系统，适用本标准中的每个符号，当从处理设备检索大量符号时，要求“ａ”用尺寸ｍｍ表示。４　图形形符号一览表　　　　　　邮购价：１５０元资料中心

电话：（０１０）８６０９２０４０－８６９查询：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｂｄｓ．ｃｏｍ．ｃｎJUN.200692

Radio & TV Broadcast Engineering