浅谈虚拟演播室的技术及使用

    【内容提要】 浅谈虚拟技术的现状、发展的过程以及在我台节目中的实际应用。
    【关键词】 传感器  跟踪技术  图形渲染
　　
    近年来，借助于计算机技术和跟踪技术的发展，虚拟演播室的应用在国内也逐渐发展起来，而且有快速普及的趋势。我们的电视节目制作人，已经把虚拟演播室当作主流演播室来使用。通过虚拟演播室制作出的节目也越来越精彩，越来越受观众的喜爱。
    虚拟演播室可以分为三类：二维半、三维布景和真三维。
    1.二维半虚拟演播室：使用三维制作软件创作场景，事先将场景渲染为图片，以此图片作为背景。实际上，这样的二维背景是不存在三维透视关系的。
    2.三维布景虚拟演播室：使用3dsmax、Maya等三维制作软件，创作出三维场景作为背景，但是，主持人是不能走到场景中间去的。
    3.真三维虚拟演播室：使用3dsmax、Maya等三维制作软件，创作出三维场景作为背景，通过跟踪技术，把摄像机的动作变化实时传输给图形工作站，图形工作站将对应的三维场景实时地渲染出来。主持人可以在三维场景中任意地穿梭走动，摄像机可任意移动。
    因为采用的跟踪技术的不同，所能获得的摄像机的参数也不尽相同。现在普遍采用的跟踪方式有机械传感器、网格识别、红外等几种方式。
    1.机械传感器：单纯的机械传感器跟踪方式，能够获得摄像机的Pan，Tilt，Zoom，Focus四个参数。摄像机的X，Y，Z参数需要手工测量。
    缺点：
    机械传感器方式测量精度低；
    摄像机定位耗费时间，一般最少需要30分钟，多则要1～2个小时；
    摄像机定位以后就不能移动，否则需重新定位；
    重复累计误差，需要经常做镜头校准。
    优点：在拍摄特写镜头时不受限制。
    2.网格识别方式：事先在蓝幕上用不同饱和度的浅蓝色画上大小、线条粗细不等的网格，以四个相邻的网格为最小识别单位，而且任意相邻四个格子间的组合都是不相同的。真实摄像机在拍摄前景图像的同时也拍摄了蓝幕上的网格，然后将其一起传送到网格识别器中，利用网格识别软件和硬件与事先设定的模型进行比较，计算出真实摄像机相对的各项运动参数，再将获得的摄像机的各项运动参数送至用于虚拟场景生成的计算机，生成虚拟场景的应用软件根据这些参数来控制虚拟摄像机的相应运动。
优点：跟踪精度高摄像机定位非常快，实现“一键定位”。
    缺点：图像中网格线的数量有限制，必须不能少于4×3条网格线。这对于拍摄特写镜头会有一定程度的影响。
    3.红外识别（红外自动深度键）：通过安装在摄像机上和主持人佩戴的红外发射器，可以自动精确地获得摄像机和主持人的Y（深度）参数。使用此技术，主持人可以置身于三维场景之中，穿梭在虚拟物体间而不会穿帮，达到高度逼真的三维虚拟效果。
    在2001年青岛电视台虚拟演播室开始了使用。使用的是以色列慠威公司的二维半虚拟系统。该系统采用图形识别定位系统，使用的是2D和预生成的3D背景。当时由于虚拟技术还很少有人了解，在山东省还是首家使用，这就要求我们技术人员做大量的虚拟设备的开发工作。功夫不负有心人经过一段时间的使用后我们技术人员几乎开发了这套系统的全部功能。开发了两路活动全分辩率视频输入，多个活动视频窗口，多机位，多视角场景，静止图像遮挡，任意摄像机动作的功能。这在我们的许多次直播中得到了验证。我们用虚拟演播室做过了许多重大的直播如2000年的迎接新世纪起航。7.13申奥成功之夜、青岛国际海洋节的开幕式、我台的体育栏目足球时刻，还有足球直播等，在足球直播前我们还利用了虚拟大屏幕可进行异地人物采访，利用外来视频信号直接进入虚拟大屏幕中，使演播室的主持人与现场主持人进行实时的面对面的采访。这样就把节目做的非常的生动。除了直播外，青岛电视台的许多自办的节目也使用了虚拟系统。如新闻读报、经济头脑、择业与人才、妈咪宝贝、天天福财等。
    虚拟演播室使用后，成为了全国市级电视台第一家使用此系统的电视台，甚至在全国也较领先。所以经常有国家领导人及全国兄弟电视台的领导视察参观，为我台争得了荣誉。经过了威一段时间的使用后，又开发了虚拟演播室的实景区，使虚景与实景交互使用在节目的制作形式上开创了新的制作形式而且在制作成本也大大节省。经济效益与社会效益都得到了提高受到了台里及各栏目的好评。经济效益：因为没有了道具的搭建，所以节约了道具的制作成本。大大减少了人力方面的投入。
    当然经过了几年的使用后，我们也发现它的不足就是二维半的虚拟背景不存在三维透视关系。而现在的主流产品是真三维虚拟演播室，而且发展的越来越快。下面简单介绍我所了解的最新的一些技术。
    1.全红外技术
    这是最高端、最先进的跟踪技术，它可以获得摄像机全部8个参数，包括旋转参数，主持人的位置参数。它由多个安装在演播室上方的红外摄像机，以及安装在摄像机上的红外发射器组成。
    （1）实时获取8个摄像机参数和旋转参数；
    （2）快速定位，只需要1帧；
    （3）支持移动摄像机，肩扛式、手提式和遥臂式摄像机；
    （4）自动获取准确的深度参数；
    （5）支持摄像机的自由调配；
    （6）可以实现虚拟演播室和实景演播室共用摄像机；
    （7）不受限制的360度拍摄；
    （8）提供最佳的影子和色键效果；
    2.图形渲染技术
    实时渲染能力是虚拟演播室技术的另一个重要的衡量标准，虚拟演播室发展到今天，已经成为一项独立的技术，其最大的功能和优势就在于它的实时性，不必再花费更多的时间和后期制作的人力物力。作为一个优秀的三维虚拟演播室系统需要实时处理大量的三角形、纹理贴图、视频插入等，而不是预生成的场景，所以一个强大的图形工作站就显得尤为重要。现在主要使用的有基于UNIX平台的SGI Onyx 2和3 Infinite Reality，O2。由于PC硬件技术的发展，现在也逐渐出现了基于PC的图形工作站。
    而世界顶极的虚拟演播室是可以用软件内嵌3DMAXPLUG-IN插件的虚拟演播室，也就是说任何使用3DMAX软件制作的场景可以没有任何损失的完全调入虚拟演播室场景中，而普通只是在3DMAX建模，贴图、动画制作需要在自己开发的三维软件中重新制作，因此很多动画效果、贴图、和图形效果是无法实现的。
    虚拟演播室技术的发展史也是计算机技术的发展史，随着计算机的飞速发展，虚拟演播室系统也将会有更大的发展空间另外虚拟演播室技术的应用也扩展到了互联网上，目前已有了具有虚拟实况和网络重放功能的互联网节目，观众不仅可以通过互联网即时欣赏到全运动的三维比赛精彩场面，还可以在互联网上分析关键的比赛瞬间。近年来提出的MPEG-4压缩技术是一种基于对象的编码方式，非常适合于虚拟演播室系统，它的出现必将对虚拟演播室技术的发展及应用起很大的推动作用。由于虚拟演播室技术上的优势，决定了其在今后还有很大的市场空间和发展潜力。