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    虚拟演播室

    演播室声光学装修 2017/6/12 8:15:14




    一、什么是虚拟演播室 

      

    自从电视开播以来,电视节目中主持人身后的场景总是简单而且色彩单调。这些实景的搭建通常采用木料、纸板和油漆等材料。随着时间的推移,在节目中为电视观众提供更丰富的视觉效果变得越来越重要,这就需要突破早期传统场景制作方式的局限性。键技术是第一个获得突破的技术,在黑白电视时代,采用的是亮键技术,后来随着彩色电视的出现,出现了色键技术并得到应用。通过键技术,前景图像中的某一部分可以被计算机中一幅静态图像替代,也可以被事先录制好的视频、直播的视频或者任何其他的视频图像源所替代。  


    但是要实现丰富的节目效果,仅依靠亮键或色键技术还是不够的——因为在摄像机运动拍摄时,合成视频输出中的前景信号和背景信号之间没有同步变化的关系。拍摄主持人的前景摄像机发生推、拉、摇、移等运动时,观众立刻会发现背景存在明显的虚假现象。


    虚拟演播室技术的诞生就是为了解决节目拍摄中使用色键简单抠像存在的诸多限制。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上,利用计算机三维图形技术和视频合成技术,根据前景摄像机的位置焦距等参数,使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致,经过色键合成后,使得前景中的人物道具看起来完全沉浸于计算机所产生的三维虚拟场景中,从而创造出逼真的、立体感很强的演播室效果。虚拟演播室技术是在色键技术上的一个进步,但这个进步却是巨大的。


    二、虚拟演播室组成部分的工作原理

      

    虚拟演播室硬件主要由三部分组成:跟踪技术、图形工作站、色键。

    色键的工作原理如刚才叙述,纵观目前国内各厂家的状况,色键基本是外购,有进口和国产的,价格也相差较大,而主要的硬件差异在跟踪技术和图形工作站。

    需要注意的是,虚拟演播室用的实景现场虽然简化成了单一的蓝色,但决不是任何东西都不需要了。如果节目中要表现主持人从楼梯上走下来,那么现场也必须设置一些涂成蓝色的几何块状物体作为“楼梯”,以便与电脑中生成的楼梯相配合。


    跟踪技术:

    网格跟踪技术——网格可以获取摄像机的8个参数,单独使用可满足虚拟演播室的基本需要。网格跟踪有如下优点:摄像机种类、型号、数量不受限制,无需繁琐的镜头校准,增加摄像机不需要增加设备和投资。缺点是不能拍人物的大特写。
    机械传感器——可以获得摄像机4个参数,无法获得X、Y、Z轴位置参数,因而单独使用无法满足虚拟演播室的基本使用,摄像机移动后需进行繁琐的镜头校准。再有此种方式每增加一台摄像机需增加一套传感器和一套跟踪计算的工作站。这样低集成度的设备最致命的缺点是设备的故障率明显增高。

    因此,网格和传感器各有所长,配合起来使用是最好的。网格+传感器可以把网格和传感器的优点结合到一起,并且有了网格做参照物,传感器的镜头校准也仅需一帧的时间。
    红外跟踪技术是性能最优但造价较高的跟踪技术,适用于高端虚拟演播室。
    超声波跟踪技术原理基本与红外相同,但因受外界干扰较多,国外没有被用作虚拟演播室跟踪技术。在国外也没有用户,成本也较高。

    图形工作站:目前主要有两种——PC+图形卡和专业图形工作站。差异主要在:


    (1)稳定性:专业图形工作站针对图形运算专门设计,操作系统是Unix,从软件和硬件都保证了稳定性。

    (2)实时渲染图形的能力:CPU快不代表实时渲染图形速度快。通用PC平台做图形渲染很难跟专业图形工作站媲美。另外,专业图形工作站对图像都进行过优化,图像效果要好很多。专业图形工作站使用不同的图形渲染管道来保证全屏抗闪烁、抗抖动、抗锯齿。

    (3)专业图形工作站可以根据用户实际需要任意扩展。PC+图形卡远远做不到这一点。    


    三、两维半虚拟演播室与三维虚拟演播室的区别



    虚拟场景按照是否实时读取场景源文件并对源文件实时渲染,可以分为三维虚拟演播室与两维半虚拟演播室。
    两维半虚拟演播室是指在三维建模环境中(如3DMAX、Softimage、Maya、Alias/wavefront等)提前渲染成一张特别大的广角位图做为虚拟场景,其图像的水平和垂直清晰度应不小于1024像素值。将该图片安装到系统主机中,合成场景时根据摄像机镜头的运动状态对图片进行处理,选择图片的一部分与前景进行合成,同时场景中加入一些三维的小物件和遮挡物体,增强场景的真实性。而三维虚拟演播室是指虚拟背景由计算机在场景合成时实时渲染。采用这种方式建立三维模型中的虚拟摄像机受演播室中的摄像机运动参数控制,当真实摄像机的镜头或位置参数变化时,虚拟摄像机同步变化,并实时生成虚拟背景图形。

    二维半采用事先不限时地进行渲染生成背景和遮挡掩膜的图片文件,而真三维是读取3D Max、Maya、Softimage等三维建模软件制作的场景源文件。二维半系统的场景生成比较简单,按照摄像机机位的参数对背景图和遮挡掩膜进行处理后生成演播室背景信号。而真三维系统包括场景调度、物体运动、灯光调节、特殊效果调节等模块,功能更为强大。

    从场景设计角度来看,由于二维半系统采用事先生成虚拟场景图片,可以设计更精细和更复杂的场景。场景中物体边缘的反走样、光线跟踪、镜头特效等都可以运算得非常到位。通过有效的插值算法,可以保证镜头推拉、俯仰、平摇过程中背景的平稳变化,再加上丰富的大屏幕切换特技、无限蓝箱、深度键等实用功能,可以满足大部分节目制作的需求。真三维系统是对场景源文件实时渲染,场景精细度和复杂度受系统硬件和软件的限制较大,常常不能有反射、折射、特效等等。

    二维半虚拟演播室更适用于对实效性要求高的节目制作;而真三维虚拟演播室更适于对镜头灵活性要求高的节目。







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