虛擬演播室系統(tǒng)

第9章虛擬演播室系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)知道虛擬演播室系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)理解虛擬演播室系統(tǒng)的工作原理了解虛擬演播室系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)掌握虛擬演播室的布光方法學(xué)會(huì)運(yùn)用虛擬演播室制作電視節(jié)目一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：是一系列高新技術(shù)的匯集，這些技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、人體工程學(xué)、人機(jī)交互理論、多媒體技術(shù)等。在美國一家雜志社評(píng)選影響未來十大科技水平時(shí)，因特網(wǎng)位居第一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)名列第二。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱為“靈境技術(shù)”、“虛擬環(huán)境”、“賽伯空間”等一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）：是一種高端人機(jī)接口，包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實(shí)時(shí)模擬和實(shí)時(shí)交互。構(gòu)成VR系統(tǒng)的五個(gè)典型組成部分如下圖所示：VR引擎軟件和數(shù)據(jù)庫任務(wù)用戶I/O設(shè)備一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維空間中的活動(dòng)對(duì)象有六個(gè)自由度，其中三個(gè)用于平移，三個(gè)用于旋轉(zhuǎn)。如果在活動(dòng)對(duì)象上捆綁一個(gè)笛卡兒坐標(biāo)系（如下圖所示），那么它平移將沿著X，Y和Z三個(gè)軸，沿這些軸的旋轉(zhuǎn)分別稱為偏航、俯仰和滾動(dòng)。當(dāng)對(duì)象高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要能迅速地測(cè)量出由這些參數(shù)定義的六維數(shù)據(jù)集。XZY偏航滾動(dòng)俯仰一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)：是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是一個(gè)由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間，其目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便自然的人機(jī)交互。能夠達(dá)到或部分達(dá)到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)“I”來描述其特性，這就是沉浸（Immersion），交互（Interaction）和想象（Imagination）。（如下圖所示）沉浸交互想象3I二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室：是一套由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電視攝像機(jī)（裝有跟蹤器）、三維場(chǎng)景發(fā)生器、色鍵器以及視音頻切換臺(tái)等構(gòu)成的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。其實(shí)質(zhì)是將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬三維場(chǎng)景與攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的演員（或節(jié)目主持人）表演的活動(dòng)圖像進(jìn)行數(shù)字化的實(shí)時(shí)合成，使演員（或節(jié)目主持人）的表演（前景）與虛擬場(chǎng)景（背景）達(dá)到同步的變化，從而實(shí)現(xiàn)前景與背景的完美結(jié)合。二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一般有共用式結(jié)構(gòu)和獨(dú)立式結(jié)構(gòu)兩種共用式結(jié)構(gòu)：它是采用共用虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，多個(gè)攝像機(jī)機(jī)位共用一套虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)，在前景機(jī)位切換的同時(shí)，在虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)中完成場(chǎng)景的切換。但有延時(shí)現(xiàn)象。獨(dú)立式結(jié)構(gòu)：它是采用一對(duì)一的通道化結(jié)構(gòu)方式，每一個(gè)攝像機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)圖形和圖像處理通道，每個(gè)通道都包括一套攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、延時(shí)器、虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)、色鍵混合器，每個(gè)通道輸出的信號(hào)都是前景、虛擬場(chǎng)景已經(jīng)合成好的視頻信號(hào)，可以直接在特技切換臺(tái)上與別的通道輸出的視頻信號(hào)之間作特技切換。杜絕了延時(shí)現(xiàn)象。二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室的組成：主要由攝像機(jī)、攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形工作站、色鍵合成器4個(gè)部分組成。攝像機(jī)延時(shí)圖像識(shí)別或機(jī)械跟蹤圖形工作站矩陣色鍵合成器控制信號(hào)合成圖像FGMBG二、虛虛擬演演播室室工作作原理理二、虛虛擬演演播室室工作作原理理二、虛虛擬演演播室室工作作原理理二、虛虛擬演演播室室工作作原理理二、虛虛擬演演播室室工作作原理理虛擬演演播室室工作作原理理：是把攝攝像機(jī)機(jī)拍攝攝到的的以藍(lán)藍(lán)色幕幕布為為背景景的畫畫面作作為前前景，，用一一臺(tái)超超級(jí)實(shí)實(shí)時(shí)圖圖形計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)中的的三維維動(dòng)畫畫軟件件生成成的三三維動(dòng)動(dòng)作圖圖形作作為虛虛擬場(chǎng)場(chǎng)景，，通過過跟蹤蹤器系系統(tǒng)把把采集集到的的攝像像機(jī)的的運(yùn)動(dòng)動(dòng)參數(shù)數(shù)實(shí)時(shí)時(shí)傳送送給計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)圖形形工作作站，，計(jì)算算機(jī)圖圖形工工作站站經(jīng)大大量運(yùn)運(yùn)算后后，產(chǎn)產(chǎn)生與與實(shí)際際攝像像機(jī)拍拍攝的的實(shí)景景畫面面相匹匹配的的虛擬擬場(chǎng)景景。再再通過過深度度鍵和和色鍵鍵將前前景與與虛擬擬場(chǎng)景景合成成為一一個(gè)圖圖像輸輸出。。三、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)的分分類從硬件件平臺(tái)臺(tái)分類類：可分為為基于于PC平臺(tái)臺(tái)的系系統(tǒng)和和基于于UNIX平臺(tái)臺(tái)的系系統(tǒng)。。從工作作原理理分類類：可分為為二維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)、、三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)、、真三三維虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)以及及為適適應(yīng)高高清晰晰度電電視系系統(tǒng)而而開發(fā)發(fā)的HD虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)：攝像機(jī)機(jī)跟蹤蹤技術(shù)術(shù)、計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)虛擬擬場(chǎng)景景生成成技術(shù)術(shù)、藍(lán)藍(lán)箱技技術(shù)、、燈光光技術(shù)術(shù)和無無限藍(lán)藍(lán)箱技技術(shù)等等。攝像機(jī)機(jī)跟蹤蹤技術(shù)術(shù)：攝像機(jī)機(jī)跟蹤蹤技術(shù)術(shù)是虛虛擬演演播室室中一一項(xiàng)關(guān)關(guān)鍵技技術(shù)，，它可可以獲獲取攝攝像機(jī)機(jī)在演演播室室中的的實(shí)際際位置置參數(shù)數(shù)和動(dòng)動(dòng)作參參數(shù)，，從而而判斷斷攝像像機(jī)、、演員員或節(jié)節(jié)目主主持人人、計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)虛擬擬場(chǎng)景景之間間的相相對(duì)位位置關(guān)關(guān)系，，幫助助系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)真實(shí)實(shí)攝像像機(jī)與與虛擬擬攝像像機(jī)的的鎖定定。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)攝像機(jī)機(jī)跟蹤蹤技術(shù)術(shù)主要要有圖圖形識(shí)識(shí)別、、機(jī)械械傳感感、紅紅外線線傳感感和超超聲波波傳感感4種種方式式。圖形識(shí)識(shí)別方方式：：是通過過對(duì)攝攝像機(jī)機(jī)所攝攝圖像像的形形態(tài)識(shí)識(shí)別和和分析析來間間接確確定真真實(shí)攝攝像機(jī)機(jī)的各各種運(yùn)運(yùn)動(dòng)參參數(shù)。。它可可以對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫面面進(jìn)行行精確確的計(jì)計(jì)算，，獲得得攝像像機(jī)的的各項(xiàng)項(xiàng)（多多達(dá)8個(gè)））運(yùn)動(dòng)動(dòng)參數(shù)數(shù)。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)機(jī)械傳傳感方方式：：是通過過有攝攝像機(jī)機(jī)的橫橫搖、、俯仰仰、變變焦、、聚焦焦、光光圈的的機(jī)械械轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)位置置安裝裝咬合合齒輪輪來測(cè)測(cè)量攝攝像機(jī)機(jī)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)參參數(shù)（（一般般為4個(gè)參參數(shù)）），當(dāng)當(dāng)攝像像機(jī)機(jī)機(jī)頭運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，各各個(gè)傳傳感器器可以以檢測(cè)測(cè)到齒齒輪的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度度變化化，并并對(duì)變變化量量進(jìn)行行編碼碼。編編碼數(shù)數(shù)據(jù)通通過接接口送送到主主機(jī)，，主機(jī)機(jī)根據(jù)據(jù)真實(shí)實(shí)攝像像機(jī)的的機(jī)位位，在在虛擬擬場(chǎng)景景中計(jì)計(jì)算出出這一一機(jī)位位的虛虛擬背背景，，并在在虛擬擬背景景疊加加真實(shí)實(shí)人物物，從從而制制作出出虛擬擬演播播室節(jié)節(jié)目。。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)紅外線線傳感感方式式：是通過過在攝攝像機(jī)機(jī)上面面安裝裝紅外外線接接收反反射器器，在在演播播室各各個(gè)控控制點(diǎn)點(diǎn)安裝裝多個(gè)個(gè)紅外外線發(fā)發(fā)生器器，利利用紅紅外線線測(cè)距距原理理，實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)測(cè)量表表演者者和攝攝像機(jī)機(jī)在演演播室室中的的位置置，獲獲得機(jī)機(jī)位運(yùn)運(yùn)動(dòng)參參數(shù)，，紅外外發(fā)射射裝置置可安安裝于于表演演者身身上和和攝像像機(jī)上上，而而接收收裝置置（兩兩個(gè)或或更多多）可可安裝裝于藍(lán)藍(lán)色幕幕布的的上方方。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)超聲波波傳感感方式式：是通過過在攝攝像機(jī)機(jī)上面面安裝裝超聲聲波接接收反反射器器，在在演播播室各各個(gè)控控制點(diǎn)點(diǎn)安裝裝多個(gè)個(gè)超聲聲波發(fā)發(fā)生器器，利利用超超聲波波測(cè)距距原理理獲得得機(jī)位位運(yùn)動(dòng)動(dòng)參數(shù)數(shù)，一一般是是在演演播室室頂部部安裝裝超聲聲波發(fā)發(fā)射和和接收收桿，，每根根桿有有多個(gè)個(gè)發(fā)射射和接接收點(diǎn)點(diǎn)，向向下發(fā)發(fā)射超超聲波波。在在攝像像機(jī)頂頂部安安裝3個(gè)金金屬點(diǎn)點(diǎn)和陀陀螺儀儀，金金屬點(diǎn)點(diǎn)用于于反射射超聲聲波信信號(hào)，，陀螺螺儀用用于模模糊定定位，，主要要是用用在攝攝像機(jī)機(jī)傾斜斜和翻翻轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)的定定位。。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)計(jì)算機(jī)機(jī)虛擬擬場(chǎng)景景生成成技術(shù)術(shù)：是產(chǎn)生生虛擬擬演播播室中中的場(chǎng)場(chǎng)景、、道具具的技技術(shù)。。在常常規(guī)演演播室室中不不可能能做到到的復(fù)復(fù)雜而而寵大大的背背景，，甚至至許多多現(xiàn)實(shí)實(shí)生活活中人人們不不可能能見到到的景景觀，，都可可以通通過虛虛擬場(chǎng)場(chǎng)景生生成技技術(shù)，，在虛虛擬演演播室室中實(shí)實(shí)現(xiàn)。。一般來來說，，三維維虛擬擬場(chǎng)景景可以以由預(yù)生成成三維維方式式和真三維維方式式來產(chǎn)生生。四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)藍(lán)箱技技術(shù)：：藍(lán)箱也也稱為為藍(lán)背背景，，它是是主持持人活活動(dòng)的的實(shí)際際場(chǎng)景景及虛虛擬制制作的的基本本依據(jù)據(jù)。藍(lán)藍(lán)箱的的好壞壞，直直接關(guān)關(guān)系到到色鍵鍵摳像像的質(zhì)質(zhì)量。。藍(lán)背背景可可采用用藍(lán)幕幕布，，但最最好采采用藍(lán)藍(lán)背景景漆。。藍(lán)箱箱的設(shè)設(shè)計(jì)，，主要要應(yīng)考考慮以以下三三個(gè)方方面的的問題題：（1））空間間結(jié)構(gòu)構(gòu)（2））制作作工藝藝（3））藍(lán)背背景漆漆四、虛虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)燈光技技術(shù)：：虛擬演演播室室燈光光系統(tǒng)統(tǒng)是建建立在在新型型的三三基色色柔光光燈的的基礎(chǔ)礎(chǔ)之上上的，，這種種燈發(fā)發(fā)光均均勻、、陰影影小、、發(fā)熱熱少、、色溫溫恒定定而均均勻，，光布布在主主持人人臉上上自然然而逼逼真。。色鍵技技術(shù)：：虛擬演演播室室系統(tǒng)統(tǒng)的摳摳像是是由色色鍵器器來完完成的的，色色鍵器器的主主要作作用是是把背背景生生成裝裝置實(shí)實(shí)時(shí)生生成的的、和和前景景有正正確位位置及及透視視關(guān)系系的背背景圖圖像與與前景景圖像像合成成，使使虛擬擬背景景與真真實(shí)前前景達(dá)達(dá)到完完美結(jié)結(jié)合。。無限藍(lán)藍(lán)箱技技術(shù)：：無限藍(lán)藍(lán)箱技技術(shù)通通過外外部生生成的的鍵信信號(hào)，，將前前景視視頻圖圖像中中非藍(lán)藍(lán)箱內(nèi)內(nèi)的景景物濾濾除，，使攝攝像機(jī)機(jī)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)可可以不不受實(shí)實(shí)際藍(lán)藍(lán)箱尺尺寸的的限制制。五、大大洋MagicSet真真三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)五、大大洋MagicSet真真三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)五、大大洋MagicSet真真三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)五、大大洋MagicSet真真三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)光纖網(wǎng)HD矩陣多功能切換臺(tái)視頻延時(shí)器主掩膜控制色鍵器特技處理控制燈光控制物件編輯動(dòng)畫控制編輯傳感器同步時(shí)基三維造型場(chǎng)景合成器同步時(shí)基傳感器麥克風(fēng)調(diào)音臺(tái)放機(jī)錄機(jī)內(nèi)置調(diào)音臺(tái)2路音頻回放2路音頻采集字幕系統(tǒng)視頻輸出視頻輸出主輸出本地HD非線性回放非線性采集非線性編輯系統(tǒng)視頻輸出2路音頻回放2路音頻采集主機(jī)位參數(shù)主彩色場(chǎng)景主掩膜場(chǎng)景機(jī)位1機(jī)位2……RETTALLYV遙控P＆T,Z＆F鍵信號(hào)VVVVAAV大洋MagicSet虛擬演播室系統(tǒng)工作原理圖五、大大洋MagicSet真真三維維虛擬擬演播播室系系統(tǒng)功能特特點(diǎn)：：主要特特點(diǎn)之之一是是高度度的系系統(tǒng)集集成性性。它它把所所有功功能模模塊都都集成成在了了一臺(tái)臺(tái)高性性能PC圖圖形、、圖像像工作作站內(nèi)內(nèi)。系系統(tǒng)所所需要要的外外部信信號(hào)僅僅為必必需的的同步步時(shí)基基和攝攝像機(jī)機(jī)視頻頻。這這在組組建系系統(tǒng)時(shí)時(shí)可以以使信信號(hào)通通路連連接最最為簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，，最大大限度度的減減小了了信號(hào)號(hào)損失失，特特別是是針對(duì)對(duì)現(xiàn)有有演播播室改改造時(shí)時(shí)，對(duì)對(duì)現(xiàn)有有演播播室信信號(hào)通通路上上的改改動(dòng)和和破壞壞很小小。系系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部的的視頻頻信號(hào)號(hào)都是是以4:2:2的數(shù)數(shù)據(jù)流流的方方式傳傳遞，，在保保證了了不會(huì)會(huì)有任任何信信號(hào)損損失的的同時(shí)時(shí)也提提高了了系統(tǒng)統(tǒng)的可可靠性性，再再加上上系統(tǒng)統(tǒng)采用用了非非線性性方式式的視視頻采采集和和回放放，保保證了了系統(tǒng)統(tǒng)在