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浅谈虚拟演播室系统中应注意的问题
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浅谈虚拟演播室系统中应注意的问题
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浅谈虚拟演播室系统的应用与研究
　　【摘 要】随着数字技术的发展，虚拟演播室技术的应用已逐渐普及，本文主要分析了虚拟演播室系统的技术、节目制作流程、应用范围及优势等方面。 中国论文网 http://www.xzbu.com/5/view-5005396.htm　　【关键词】虚拟演播室；色键；虚拟场景 　　引 言 　　随着数字技术的迅速发展，一种新的电视节目制作技术悄然而起-虚拟演播室技术，将视频技术和计算机技术相结合，摄像机实时拍摄主持人及环境图像，计算机软件制作三维虚拟场景，通过色键技术处理，实现前景、背景相融合。 　　1、虚拟演播室种类 　　1.1二维虚拟演播室系统。二维虚拟演播室系统遵循了传统虚拟演播室的工作原理，它的宗旨是在较低的价位上建立一个简单、实用而且图像质量较高的虚拟演播室系统。这种系统的背景生成装置一般采用图像处理器硬件，对事先准备好的图像进行切换和变换，各种视频图像效果的生成都是根据相关参数进行的。 　　1.2三维虚拟演播室系统。与二维虚拟演播室系统不同的是，三维虚拟演播室系统是根据摄像机控制下的运动参数，运用计算机进行背景场景的模型设计，对场景模型进行实时渲染，使得画面背景更加生动。一般来说，这种系统不支持前景演员带深度等方位信息的采录，前后景只能通过常规的色键合成技术简单地叠加在一起，使得主持人像是浮在虚拟场景画面上，而不是真正的进入场景中。 　　1.3真三维虚拟演播室系统。真三维虚拟演播室系统比前面两种系统更加全面和真实，它不仅能够进行实时渲染生成全三维的场景画面，还能够支持前景等景深镜头等画面信息的采录与输入，通过色键合成技术等键控技术完成前景和背景的无缝连接。真三维虚拟演播室可以将画面配合虚拟阴影及反射、虚拟散焦等技术，实现主持人真正进入虚拟场景的设想，增强画面的真实性。 　　2、虚拟演播室技术 　　虚拟演播室完成前景与背景的结合，要通过三个部分。这三个部分为摄像机跟踪部分、计算机虚拟场景生成部分和视频合成部分。 　　2.1 摄像机跟踪。摄像机跟踪的主要任务就是及时并按照实际情况测出真实摄像机在演播室中的准确位置、运动轨迹和动作参数，将拍摄过程中的参数传递给合成背景的计算机系统，图形计算机再根据这些运动参数调整、修改、美化三维视图。常用的摄像机跟踪定位的方式主要有机械传感、图形识别和红外这三种方式。 　　2.2 计算机虚拟场景生成部分。虚拟演播室的场景是通过电脑计算机绘制出来的图形，通过3D MAX、MAYA等动画软件来建立模型，建构三维虚拟场景，并且加上相适应的贴图、灯光等，使得虚拟场景更加真实，增强节目的真实感。这种方式也为电视节目的制作带来了便利，节目制作人员不需要再去实地进行拍摄，大大缩减了节目制作时间，同时也加强了电视节目的舞台效果。 　　2.3 视频合成部分。视频合成部分可以说是虚拟演播室的最后环节，它使用抠像技术、键控技术，将摄像机拍摄的真实人物（例如主持人、受访者等）和景物通过抠像处理，与计算机虚拟场景合成一个画面。比如我们现在看到的天气预报就是通过这种方式完成的，主持人播报天气预报是站在蓝色幕布背景前，进行播报新闻。在播报新闻的同时通过计算机绘制图像场景，然后通过色键控技术完成主持人和场景的结合。 　　3、虚拟演播室系统构成及节目制作 　　3.1 虚拟演播室系统构成。虚拟演播室系统主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站和色键合成器4个部分组成。其工作过程如下：（1）一组摄像机采集前景视频信号，将其传送给信号延时器，通过信号延迟器将信号进行同步；（2）摄像机跟踪系统将摄像机移动的参数和摄像机内本的运动参数传输给图形工作站，根据数字绘制出背景图像。；（3）计算机图形工作站实时绘制出相应的背景信号；（4）色键系统合成前景与背景信号，输出信号，合成图像。 　　3.2 虚拟演播室节目制作。虚拟演播室的问世，给电视节目制作带来了许多便利。比如说，虚拟演播室给电视节目编创人员提供了想象空间，不用再为实际物理条件和时间、空间上的限制担忧，为编创人员拓宽了想象空间，虚拟演播室可以按照编创人员的想象、创作完成场景的设置，现在是“不怕做不到，只怕想不到”的时代。虚拟演播室除了带来了以上的优势之外，还为当今电视节目制作提供了全新的制作观念与方法。其具体的运作流程为：（1）创意人员制定出节目制作方案；（2）导演给虚拟演播室工作人员及计算机合成部分的操作者“说戏”，提供导演所需要的场景；（3）动画师或模型师在电脑中创建模型、灯光设计及贴图；（4）导演与虚拟演播室操作者合作直播或录像电视节目；（5）视频输出、录制及后期制作。 　　4、虚拟演播室的应用范围 　　虚拟演播室系统最长应用在中小规模演播室，这些演播室主要用于制作新闻访谈、体育和天气预报等栏目，这些栏目的基本特点是场景范围不大且更换频繁，演播员人数少，机位也不多，但节目制作量大，后期制作时间紧。虚拟演播室特别适合多个栏目公用一个演播室的情况。受灯光、栏目和演员表演的限制，一般不用大型演播室和人物众多的综艺栏目。虚拟演播室技术最初只是用于演播室节目的制作，随着技术的发展，出现了以虚拟演播室为基础的一些新技术，如虚拟主持、移动场景、虚拟重放系统、数字重放系统、虚拟广告系统以及与互联网结合方面的应用等。 　　5、虚拟演播室的优势 　　随着虚拟演播室产品及相关技术的不断开发、系统功能的不断完善和提高，应用范围的不断扩大，虚拟演播室的优势也逐渐地显现出来： 　　（1）虚拟演播室最显著的特点就是它能带给编创人员无限的创作思维空间。虚拟演播室可以使编创人员的创作思维任意驰骋，编创人员的思维活动得到充分的发挥。虚拟场景可以是真实的模式，也可以是想象中的世界，不受现实的物质条件和时空条件的限制； 　　（2）虚拟演播室不需要搭建实景、不占用演播室制景和拆景时间，只要利用现有的多种三维动画软件，就可以制作出各种逼真的三维场景，节约了人力、物力、财力。制作成本大幅降低，制作周期大幅缩短，极大地迎合了电视节目制作人员的心理需求； 　　（3）虚拟演播室可方便快捷地更换场景，制作人员不必拘泥于场景的限制，选择的余地非常大。虚拟场景能随时的修改和更换，反复使用。场景文件的交换、传送、传送也极为方便，可有效地实现虚拟场景的共享。随着网络传输技术对虚拟演播室的支持，电视节目的制作将不再受地域条件的限制。同一节目的制作可以在两地或数地同时进行； 　　6、总结 　　随着电视事业的不断发展，各种电视节目的多样性与竞争性，电视呈现的风格也不再单一，电视节目的制作难度相对以往来说也有更高的要求，虚拟演播室技术无疑给电视节目制作带来了新的理念和机会，将数字技术、计算机技术相结合，实现虚拟场景的创作，将带给电视技术一项新的变革，具有良好的发展前景。 　　【参考文献】 　　[1]王芙蓉.虚拟演播室技术及应用[J].商情，2009（15）. 　　[2]唐玉川.电视节目制作中虚拟演播室技术的应用[J].内蒙古农业大学学报，2008（10）. 　　[3]冯丽华，周研.浅谈虚拟演播室技术的应用[J].吉林粮食高等专科学校学报，2003（18）. 　　[4]陶莹.虚拟演播室技术及应用研究[J].吉林师范大学学报，2004（25）. 　　[5]傅乐俭，廖欣叶.虚拟演播室技术的实践应用[J].电视技术，2011（35）. 　　[6]林海平.虚拟演播室的关键技术与应用[J].电视技术，2001（1）.
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外各家虚拟演播室的具体对比一、 国内1、 大洋公司国内最早做出虚拟演播室的企业，产品分两种：两维半虚拟演播室和真三维虚拟演播室，下面分别简单介绍。大洋的两维半虚拟演播室早期采用的是Matrox的Digisuite LE卡，后来该为Digisuite DTV卡，这两种卡均为非编卡。因为非编卡不具有三维渲染功能，没有三维空间的说法，仅做视频转换输出用，因此这属于典型的两维半虚拟演播室。大洋的两维半虚拟演播室系统的优点是视频输出达到广播级输出，图像色彩丰富，信噪比高，缺点是没有三维空间的概念，很难实现三维物体沿轨迹的任意运动，因为当三维物体沿三维空间任意运动时，由于没有三维渲染引擎，所以很难保证渲染结果具有正确的透视和遮挡关系，只能进行简单的平移、原地旋转等运动，会产生让人一看就很假的感觉。再者同样由于没有三维空间概念，使得跟踪效果很难保证，经常出现滑步等错位现象。最后，由于非编卡有层数的限制，象LE卡最多为五层，这就导致最终输出中运动物体数量有限，不会超过三个。两维半虚拟演播室系统属于早期产品，01年以前比较流行，现在包括ORAD在内的两维半虚拟演播室系统都已经在市场上很难见到了。大洋的三维虚拟系统采用的是基于nvidia 的Geforce4系列的显卡(目前只能是Geforce 4 Ti 4600显卡)加数字SDI备卡输出的方式，从显存中取出虚拟背景图象并通过自行开发的SDI备板进行视频输出。这种方案因为采用显卡做三维渲染，因此是三维虚拟演播室，物体可任意运动，其三维透视遮挡关系可有三维渲染引擎（Open GL或Direct3D）自动保证，透视关系正确，大小比例正确。其缺点主要有：a、视频输出达不到广播级输出，视觉表现为：色彩暗淡，彩色信号损失严重，尤其是红色等低频信号，色彩还原不准确；像素损失严重，尤其是对字体的转换，会发现字体模糊不清。同一图像虚拟背景视频输出和两维半系统的非编卡的视频输出对比就会发现此现象非常明显。造成这种现象的原因是PC到TV的转换是一个世界级难题，Matrox公司之所以能成为世界级的大公司正是因为它的板卡视频输出的广播级图像质量而不是它的显卡渲染速度占优，简单的从显卡的显存取出图像然后进行SDI视频转换是不行的。B、系统渲染能力非常低。由于Ti 4600已经是四年前流行的显卡，显卡的迅猛发展使得这种级别的显卡早已淘汰，它的有限的渲染能力和64M的显存用于虚拟演播室系统的背景渲染显的非常勉强。渲染能力低下导致的问题体现在：场景复杂度低——不能实现大场景、精细化建模，因此场景不能出现比较复杂的三维物体，并要求尽量不要出现曲线和曲面。经测试，一路外视频的情况下三角形面数不能超过五千，无外视频时也超不过八千；纹理量小——受显卡显存的限制，纹理贴图的容量很小，因此表现形式为虚拟背景的色彩不够丰富，只能使用单色等贴图，象一些色彩很丰富、精细的景观就很难表达；光照效果差——由于每加一盏灯光系统的渲染量成倍增加，因此环境中的灯光的数量会受到限制，而且光照模型也只能是比较简单，但是虚拟背景的漂亮、真实程度很大程度上取决于光照的数量、类型和光照模型，因此显卡渲染能力不够会严重影响背景的生成效果；各种特技效果很难使用——由于雾化、阴影等特技效果非常消耗渲染系统的资源，因此在实际应用中很难使用。上述各种效果是相互关联的，渲染能力不够会综合影响上述的各种指标，同时导致系统在建模和使用时要很小心，场景稍一复杂、色彩过于丰富、或使用时加入的活动视频及特技效果过多、灯光的数量稍多、光照模型稍微复杂就会导致系统就不稳定，容易出现抖动、跟踪滑步等现象，因此使用极为不便，使得场景的精细度、复杂度、光照效果大打折扣。上述两种方案都是经我们详细论证后淘汰的方案。大洋的虚拟演播室已经有三年没有改动。2、 新奥特
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新奥特公司的员工来自大洋，因此和大洋的虚拟演播室方案一样，上述两大缺点也全部继承，只是功能更强大一些。新奥特没有两维半的产品。3、 奥维讯奥维讯的虚拟演播室为两维半虚拟系统，由于公司人员变动，已经三年多没升级，现在已经没有研发人员，在市场上也很少看到它的产品，优点为广播级图像输出，系统稳定可靠，缺点为大屏幕墙为固定的，不能移动，单卡只能输出单个大屏幕，无时轨编辑，物体运动编辑非常不便，只能用于简单的演播室场合。励得公司的员工源于奥维讯，但他们基于和大洋同样的方案推出了基于Geforce 4显卡的三维虚拟演播室，经测试，其图像品质远远优于大洋、新奥特公司的虚拟演播室视频输出，但也远远达不到广播级图像输出，其红色分量损失严重，因此也具有和大洋三维虚拟演播室相同的缺点。4、 宏源宏源公司的员工也源于奥维讯，也是在奥维讯虚拟技术上的改进。二、 国外1、 ORAD、VIZRT以色列的ORAD和VIZRT公司均是虚拟演播室产品的国际大公司，在全球占据了很大的市场容量。二者技术水平差不多，以ORAD为例，作个简单比较。ORAD的产品线有很多，早期主推两维半的产品，现在主推三维的DVG-1和DVG-10。两维半的产品现在早已淘汰，三维产品中DVG-1是DVG-10的简化板，主要区别是跟踪系统采用的是网格识别的技术。二者的优点是都是三维的广播级视频图像系统，软件功能也较为强大。同Dummy3D相比，二者特点如下：A、Dummy3D的优化三维虚拟演播室、真三维虚拟演播室和DVG-1、DVG-10一样，均为广播级的视频图像输出，DVG-10拥有的功能特点，Dummy3D系统全部拥有，但同时Dummy3D真三维虚拟演播室系统的渲染能力远远优于DVG-10系统。经测试，DVG-10的渲染能力在纹理贴图简单的无外视频时达到了四万个三角形面片，而Dummy3D真三维虚拟演播室系统则在多达127M纹理贴图时渲染能力达到七十万个三角形面片，而且外视频、活动视频的数目、虚拟灯光的数目和类型等对渲染能力几乎没有影响。B、Dummy3D系列虚拟演播室和DVG系列的虚拟演播室在硬件选型上不同——DVG系列产品的视频渲染机采用的是基于Linux操作系统的小型机的平台，采用CS结构，其中控制机是采用Win2K系统的PC机，而Dummy3D系列产品的视频渲染则一直采用PC机的硬件平台。由于PC机系统的主板、CPU、显卡等诸多配置的迅猛发展，使得基于PC系统的三维图像渲染能力远较基于小型机系统的渲染能力发展迅猛，这也是Dummy3D系列三维虚拟演播室系统的渲染能力远远优于DVG-10系统的主要原因。大概在03年以前，基于小型机的DVG系列渲染能力占优，现在已经远远落后了。C、Dummy3D系列虚拟演播室和DVG系列的虚拟演播室在功能特点上侧重点不同。DVG系列产品中内含3D建模模块，在控制机上可以实时的构建三维物体，Dummy3D系列产品则将3D建模交由3Dmax、MAYA等通用建模软件来离线完成，软件的重点和系统的资源放在虚拟物体的轨迹编辑和基于时轨的播出上，而DVG系列产品中则没有基于时轨的播出。从客户的反应来看，基于时轨的编辑、播出是系统功能强大、操作灵活简单的基础，受到了广泛的好评。另外，DVG系列产品为英文界面，而Dummy3D系列产品为全中文界面，操作上更符合中国人的习惯。D、DVG-10系统的价格很贵，ORAD目前在在国内推出的DVG-1的系统较多。DVG-1虚拟演播室系统采用的是基于图像识别方式的跟踪，这种简化板的虚拟演播室除了具有上述缺点外，在跟踪上还具有很多难于忍受的缺点：一是只能用在很小型的演播室，要求演员不能离蓝箱背景太远——由于图像识别方式的跟踪是基于前景摄像机拍摄的图像进行识别的，因而就产生了矛盾，当前景摄像机的焦点聚焦在演员上时，网格背景就会很虚，会造成跟踪的稳定性和精度都产生问题，如果焦点聚焦在网格背景上，前景演员就会很虚，因此只能被要求在大广角下拍摄，而且演员要距离蓝箱背景很近才行；二是会严重影响系统色键效果，因为基于前景摄像机拍摄的图像进行抠像时，既要将蓝箱背景色抠去，又要将用于跟踪识别的不同于蓝箱背景的浅蓝网格抠去，这样的话系统需要抠去的光谱带宽会增加，造成色键效果非常生硬，前景演员的边缘会很明显；三是跟踪系统的稳定性很差，经测试，当摄像机快速运动、前景演员离网格背景太远或推近时由于前景演员遮住网格背景时系统会出现滑步、漂移、抖动等不稳定现象。而基于光栅旋转编码器方案的Dummy3D系列虚拟演播室则在毫秒级的时间内就完成系统的跟踪采集和计算，系统非常稳定可靠，无累计误差，和外界环境无关，抗干扰能力强。
2、 韩国、ULTRA北京威视公司代理的韩国的虚拟演播室以及市场上出现的美国ULTRA的虚拟演播室是同一类别：其基本原理和上述各家推出的虚拟演播室的原理都是不一样的，采用的是先抠像然后将去蓝以后的前景演员当作一个面贴图到虚拟背景中，这种虚拟演播室当然也有其功能的独到之处，但也有很多难于克服的缺点，属于游戏级产品，市场上鲜见使用。* Dummy3D系列虚拟演播室Dummy3D系列虚拟演播室系统的功能特点详见技术文档，这里对其分类做一个简单说明。Dummy3D系列虚拟演播室系统分为两大类：真三维的虚拟演播室和优化三维的虚拟演播室。二者的跟踪系统是一样的，都具有瞬间初始化定位，无需任何测量、稳定好、抗干扰能力强、精度高、频响快等特点，在功能特点上二者各有优点。真三维的Dummy3D虚拟演播室系统是目前世界上渲染能力最强的虚拟演播室，具有三维空间、三维模型和三维跟踪，广播级图像输出，可同时实时渲染数十万个三角面片、一百多兆纹理贴图、八盏全部类型的灯光及指数型光照模型、多路活动视频，因此可以实现大场景、精细化、色彩丰富、任意组合的虚拟光效及特技效果的虚拟场景，系统稳定性强，建模人员可以无所顾及的以任意复杂度逼真建模。系统的功能极为强大，四视图轨迹编辑，基于时轨的播出控制，任意虚拟物体、虚拟灯光、特技效果均可按场频进行任意运动、旋转和缩放，而且它们的属性也都可以实时调整。当然由于系统强大的功能特点，在操作上比较复杂，可调的参数很多，对操作人员的素质有较高的要求。优化三维虚拟演播室是我们在真三维虚拟演播室基础上精心设计的一种虚拟演播室，其设计理念为将场景中的物体分为三类：不需要自身运动的场景类、仅作平移运动的三维物体和既需要旋转又需要平移的虚拟物体，其中场景类物体和仅需要平移运动的三维物体采用3Dmax、MAYA等建模软件离线渲染成32位TGA格式图片，既旋转又要平移的虚拟物体采用3Dmax、MAYA等离线渲染成32位的AVI文件，然后按照摄像机的成像原理将各种文件反贴回去，就可以生成和3Dmax或真三维虚拟渲染引擎同样的效果。这种优化处理后虚拟演播室和真三维虚拟演播室相比较，有以下优缺点：a、优化三维虚拟演播室的图像渲染质量远高于真三维系统。在真三维虚拟演播室中，按场频的系统输出要求渲染引擎必须在20ms内将数十万三角面片、上百兆纹理贴图按照点、线、面的物理坐标和纹理顶点坐标全部重新渲染，同时还要完成全部虚拟灯光、虚拟特技效果的计算以及外视频、活动视频的采集、解压，跟踪系统的采集、计算，切换器等外围设备的控制，因此，虚拟场景的图像生成质量肯定不如用3Dmax等通用软件离线渲染几十分钟甚至更久的优化三维虚拟演播室系统的虚拟场景图像质量。B、优化三维虚拟演播室系统的稳定性更好，操作也更简便，具有更好的性价比。由于采用的是离线渲染好的图片，因此系统的稳定和场景三角形面片的复杂度无关。在跟踪定位、轨迹编辑、界面操作上优化三维的产品更加简洁一些，当然在可调节参数、功能特点上不如真三维虚拟演播室复杂和强大。C、优化三维虚拟演播室系统基本上具有和真三维虚拟演播室系统相同的功能特点，具有三维的空间、三维跟踪，但不具有三维模型，因此，最大的缺点是当两个虚拟物体在穿越时有些失真，会一下跑前或跑后，没有逐点穿越功能，体现不出三维物体的厚度感，但是具有正确的遮挡关系。
学习了，非常棒的区别说明！
学习了，最近正想找这方面的资料，楼主很厉害~
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