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    虛擬演播室

    演播室聲光學裝修 2017/6/12 8:15:14




    一、什麽是虛擬演播室 

      

    自從電視開播以來,電視節目中主持人身後的場景總是簡單而且色彩單調。這些實景的搭建通常采用木料、紙板和油漆等材料。隨著時間的推移,在節目中為電視觀眾提供更豐富的視覺效果變得越來越重要,這就需要突破早期傳統場景製作方式的局限性。鍵技術是第一個獲得突破的技術,在黑白電視時代,采用的是亮鍵技術,後來隨著彩色電視的出現,出現了色鍵技術並得到應用。通過鍵技術,前景圖像中的某一部分可以被計算機中一幅靜態圖像替代,也可以被事先錄製好的視頻、直播的視頻或者任何其他的視頻圖像源所替代。  


    但是要實現豐富的節目效果,僅依靠亮鍵或色鍵技術還是不夠的——因為在攝像機運動拍攝時,合成視頻輸出中的前景信號和背景信號之間沒有同步變化的關係。拍攝主持人的前景攝像機發生推、拉、搖、移等運動時,觀眾立刻會發現背景存在明顯的虛假現象。


    虛擬演播室技術的誕生就是為了解決節目拍攝中使用色鍵簡單摳像存在的諸多限製。虛擬演播室技術是在傳統色鍵摳像技術的基礎上,利用計算機三維圖形技術和視頻合成技術,根據前景攝像機的位置焦距等參數,使三維虛擬場景的透視關係與前景保持一致,經過色鍵合成後,使得前景中的人物道具看起來完全沉浸於計算機所產生的三維虛擬場景中,從而創造出逼真的、立體感很強的演播室效果。虛擬演播室技術是在色鍵技術上的一個進步,但這個進步卻是巨大的。


    二、虛擬演播室組成部分的工作原理

      

    虛擬演播室硬件主要由三部分組成:跟蹤技術、圖形工作站、色鍵。

    色鍵的工作原理如剛才敘述,縱觀目前國內各廠家的狀況,色鍵基本是外購,有進口和國產的,價格也相差較大,而主要的硬件差異在跟蹤技術和圖形工作站。

    需要注意的是,虛擬演播室用的實景現場雖然簡化成了單一的藍色,但決不是任何東西都不需要了。如果節目中要表現主持人從樓梯上走下來,那麽現場也必須設置一些塗成藍色的幾何塊狀物體作為“樓梯”,以便與電腦中生成的樓梯相配合。


    跟蹤技術:

    網格跟蹤技術——網格可以獲取攝像機的8個參數,單獨使用可滿足虛擬演播室的基本需要。網格跟蹤有如下優點:攝像機種類、型號、數量不受限製,無需繁瑣的鏡頭校準,增加攝像機不需要增加設備和投資。缺點是不能拍人物的大特寫。
    機械傳感器——可以獲得攝像機4個參數,無法獲得X、Y、Z軸位置參數,因而單獨使用無法滿足虛擬演播室的基本使用,攝像機移動後需進行繁瑣的鏡頭校準。再有此種方式每增加一台攝像機需增加一套傳感器和一套跟蹤計算的工作站。這樣低集成度的設備最致命的缺點是設備的故障率明顯增高。

    因此,網格和傳感器各有所長,配合起來使用是最好的。網格+傳感器可以把網格和傳感器的優點結合到一起,並且有了網格做參照物,傳感器的鏡頭校準也僅需一幀的時間。
    紅外跟蹤技術是性能最優但造價較高的跟蹤技術,適用於高端虛擬演播室。
    超聲波跟蹤技術原理基本與紅外相同,但因受外界幹擾較多,國外沒有被用作虛擬演播室跟蹤技術。在國外也沒有用戶,成本也較高。

    圖形工作站:目前主要有兩種——PC+圖形卡和專業圖形工作站。差異主要在:


    (1)穩定性:專業圖形工作站針對圖形運算專門設計,操作係統是Unix,從軟件和硬件都保證了穩定性。

    (2)實時渲染圖形的能力:CPU快不代表實時渲染圖形速度快。通用PC平台做圖形渲染很難跟專業圖形工作站媲美。另外,專業圖形工作站對圖像都進行過優化,圖像效果要好很多。專業圖形工作站使用不同的圖形渲染管道來保證全屏抗閃爍、抗抖動、抗鋸齒。

    (3)專業圖形工作站可以根據用戶實際需要任意擴展。PC+圖形卡遠遠做不到這一點。    


    三、兩維半虛擬演播室與三維虛擬演播室的區別



    虛擬場景按照是否實時讀取場景源文件並對源文件實時渲染,可以分為三維虛擬演播室與兩維半虛擬演播室。
    兩維半虛擬演播室是指在三維建模環境中(如3DMAX、Softimage、Maya、Alias/wavefront等)提前渲染成一張特別大的廣角位圖做為虛擬場景,其圖像的水平和垂直清晰度應不小於1024像素值。將該圖片安裝到係統主機中,合成場景時根據攝像機鏡頭的運動狀態對圖片進行處理,選擇圖片的一部分與前景進行合成,同時場景中加入一些三維的小物件和遮擋物體,增強場景的真實性。而三維虛擬演播室是指虛擬背景由計算機在場景合成時實時渲染。采用這種方式建立三維模型中的虛擬攝像機受演播室中的攝像機運動參數控製,當真實攝像機的鏡頭或位置參數變化時,虛擬攝像機同步變化,並實時生成虛擬背景圖形。

    二維半采用事先不限時地進行渲染生成背景和遮擋掩膜的圖片文件,而真三維是讀取3D Max、Maya、Softimage等三維建模軟件製作的場景源文件。二維半係統的場景生成比較簡單,按照攝像機機位的參數對背景圖和遮擋掩膜進行處理後生成演播室背景信號。而真三維係統包括場景調度、物體運動、燈光調節、特殊效果調節等模塊,功能更為強大。

    從場景設計角度來看,由於二維半係統采用事先生成虛擬場景圖片,可以設計更精細和更複雜的場景。場景中物體邊緣的反走樣、光線跟蹤、鏡頭特效等都可以運算得非常到位。通過有效的插值算法,可以保證鏡頭推拉、俯仰、平搖過程中背景的平穩變化,再加上豐富的大屏幕切換特技、無限藍箱、深度鍵等實用功能,可以滿足大部分節目製作的需求。真三維係統是對場景源文件實時渲染,場景精細度和複雜度受係統硬件和軟件的限製較大,常常不能有反射、折射、特效等等。

    二維半虛擬演播室更適用於對實效性要求高的節目製作;而真三維虛擬演播室更適於對鏡頭靈活性要求高的節目。







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