第九章虛擬演播室系統(tǒng)

第九章虛擬演播室系統(tǒng)第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月學(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)目第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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”等第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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)備第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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)俯仰第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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)。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、虛擬演播室工作原理虛擬演播室工作原理：是把攝像機(jī)拍攝到的以藍(lán)色幕布為背景的畫面作為前景，用一臺(tái)超級(jí)實(shí)時(shí)圖形計(jì)算機(jī)中的三維動(dòng)畫軟件生成的三維動(dòng)作圖形作為虛擬場(chǎng)景，通過跟蹤器系統(tǒng)把采集到的攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)圖形工作站，計(jì)算機(jī)圖形工作站經(jīng)大量運(yùn)算后，產(chǎn)生與實(shí)際攝像機(jī)拍攝的實(shí)景畫面相匹配的虛擬場(chǎng)景。再通過深度鍵和色鍵將前景與虛擬場(chǎng)景合成為一個(gè)圖像輸出。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、虛擬演播室系統(tǒng)的分類從硬件平臺(tái)分類：可分為基于PC平臺(tái)的系統(tǒng)和基于UNIX平臺(tái)的系統(tǒng)。從工作原理分類：可分為二維虛擬演播室系統(tǒng)、三維虛擬演播室系統(tǒng)、真三維虛擬演播室系統(tǒng)以及為適應(yīng)高清晰度電視系統(tǒng)而開發(fā)的HD虛擬演播室系統(tǒng)。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)：攝像機(jī)跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景生成技術(shù)、藍(lán)箱技術(shù)、燈光技術(shù)和無限藍(lán)箱技術(shù)等。攝像機(jī)跟蹤技術(shù)：攝像機(jī)跟蹤技術(shù)是虛擬演播室中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它可以獲取攝像機(jī)在演播室中的實(shí)際位置參數(shù)和動(dòng)作參數(shù)，從而判斷攝像機(jī)、演員或節(jié)目主持人、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景之間的相對(duì)位置關(guān)系，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)的鎖定。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攝像機(jī)跟蹤技術(shù)主要有圖形識(shí)別、機(jī)械傳感、紅外線傳感和超聲波傳感4種方式。圖形識(shí)別方式：是通過對(duì)攝像機(jī)所攝圖像的形態(tài)識(shí)別和分析來間接確定真實(shí)攝像機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)畫面進(jìn)行精確的計(jì)算，獲得攝像機(jī)的各項(xiàng)（多達(dá)8個(gè)）運(yùn)動(dòng)參數(shù)。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械傳感方式：是通過有攝像機(jī)的橫搖、俯仰、變焦、聚焦、光圈的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)位置安裝咬合齒輪來測(cè)量攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（一般為4個(gè)參數(shù)），當(dāng)攝像機(jī)機(jī)頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)傳感器可以檢測(cè)到齒輪的旋轉(zhuǎn)角度變化，并對(duì)變化量進(jìn)行編碼。編碼數(shù)據(jù)通過接口送到主機(jī)，主機(jī)根據(jù)真實(shí)攝像機(jī)的機(jī)位，在虛擬場(chǎng)景中計(jì)算出這一機(jī)位的虛擬背景，并在虛擬背景疊加真實(shí)人物，從而制作出虛擬演播室節(jié)目。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)紅外線傳感方式：是通過在攝像機(jī)上面安裝紅外線接收反射器，在演播室各個(gè)控制點(diǎn)安裝多個(gè)紅外線發(fā)生器，利用紅外線測(cè)距原理，實(shí)時(shí)測(cè)量表演者和攝像機(jī)在演播室中的位置，獲得機(jī)位運(yùn)動(dòng)參數(shù)，紅外發(fā)射裝置可安裝于表演者身上和攝像機(jī)上，而接收裝置（兩個(gè)或更多）可安裝于藍(lán)色幕布的上方。第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)超聲波傳感方式：是通過在攝像機(jī)上面安裝超聲波接收反射器，在演播室各個(gè)控制點(diǎn)安裝多個(gè)超聲波發(fā)生器，利用超聲波測(cè)距原理獲得機(jī)位運(yùn)動(dòng)參數(shù)，一般是在演播室頂部安裝超聲波發(fā)射和接收桿，每根桿有多個(gè)發(fā)射和接收點(diǎn)，向下發(fā)射超聲波。在攝像機(jī)頂部安裝3個(gè)金屬點(diǎn)和陀螺儀，金屬點(diǎn)用于反射超聲波信號(hào)，陀螺儀用于模糊定位，主要是用在攝像機(jī)傾斜和翻轉(zhuǎn)時(shí)的定位。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景生成技術(shù)：是產(chǎn)生虛擬演播室中的場(chǎng)景、道具的技術(shù)。在常規(guī)演播室中不可能做到的復(fù)雜而寵大的背景，甚至許多現(xiàn)實(shí)生活中人們不可能見到的景觀，都可以通過虛擬場(chǎng)景生成技術(shù)，在虛擬演播室中實(shí)現(xiàn)。一般來說，三維虛擬場(chǎng)景可以由預(yù)生成三維方式和真三維方式來產(chǎn)生。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)藍(lán)箱技術(shù)：藍(lán)箱也稱為藍(lán)背景，它是主持人活動(dòng)的實(shí)際場(chǎng)景及虛擬制作的基本依據(jù)。藍(lán)箱的好壞，直接關(guān)系到色鍵摳像的質(zhì)量。藍(lán)背景可采用藍(lán)幕布，但最好采用藍(lán)背景漆。藍(lán)箱的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮以下三個(gè)方面的問題：（1）空間結(jié)構(gòu)（2）制作工藝（3）藍(lán)背景漆第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、虛擬演播室系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)燈光技術(shù)：虛擬演播室燈光系統(tǒng)是建立在新型的三基色柔光燈的基礎(chǔ)之上的，這種燈發(fā)光均勻、陰影小、發(fā)熱少、色溫恒定而均勻，光布在主持人臉上自然而逼真。色鍵技術(shù)：虛擬演播室系統(tǒng)的摳像是由色鍵器來完成的，色鍵器的主要作用是把背景生成裝置實(shí)時(shí)生成的、和前景有正確位置及透視關(guān)系的背景圖像與前景圖像合成，使虛擬背景與真實(shí)前景達(dá)到完美結(jié)合。無限藍(lán)箱技術(shù)：無限藍(lán)箱技術(shù)通過外部生成的鍵信號(hào)，將前景視頻圖像中非藍(lán)箱內(nèi)的景物濾除，使攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以不受實(shí)際藍(lán)箱尺寸的限制。第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(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)工作原理圖第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)功能特點(diǎn)：主要特點(diǎn)之一是高度的系統(tǒng)集成性。它把所有功能模塊都集成在了一臺(tái)高性能PC圖形、圖像工作站內(nèi)。系統(tǒng)所需要的外部信號(hào)僅為必需的同步時(shí)基和攝像機(jī)視頻。這在組建系統(tǒng)時(shí)可以使信號(hào)通路連接最為簡(jiǎn)單，最大限度的減小了信號(hào)損失，特別是針對(duì)現(xiàn)有演播室改造時(shí)，對(duì)現(xiàn)有演播室信號(hào)通路上的改動(dòng)和破壞很小。系統(tǒng)內(nèi)部的視頻信號(hào)都是以4:2:2的數(shù)據(jù)流的方式傳遞，在保證了不會(huì)有任何信號(hào)損失的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性，再加上系統(tǒng)采用了非線性方式的視頻采集和回放，保證了系統(tǒng)在存儲(chǔ)媒介上也不會(huì)有信號(hào)損失，使整個(gè)系統(tǒng)在信號(hào)質(zhì)量上能始終保持最佳的演播室級(jí)指標(biāo)。第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)跟蹤傳感技術(shù)：跟蹤技術(shù)是攝像機(jī)和虛擬背景同步運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。它主要獲取攝像機(jī)在演播室是的實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)即機(jī)位參數(shù)和鏡頭參數(shù)，其中機(jī)位參數(shù)包括攝像機(jī)的高度和攝像機(jī)的地面位置；而鏡頭參數(shù)包括攝像機(jī)鏡頭的搖擺、俯仰、變焦、聚焦及攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)等。測(cè)量這些參數(shù)需要各種傳感器技術(shù)和測(cè)量技術(shù)。第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、大洋MagicSet真三維虛擬演播室系統(tǒng)三維場(chǎng)景生成：是用三維軟件及