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第9章虚拟演播室系统学习目标了解虚拟现实技术知道虚拟演播室系统的类型及特点理解虚拟演播室系统的工作原理了解虚拟演播室系统采用的关键技术掌握虚拟演播室的布光方法学会运用虚拟演播室制作电视节目一、虚拟现实技术虚拟现实技术：是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机技术、计算机图形学、传感技术、人体工程学、人机交互理论、多媒体技术等。在美国一家杂志社评选影响未来十大科技水平时，因特网位居第一，虚拟现实技术名列第二。虚拟现实技术，又称为“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”等一、虚拟现实技术虚拟现实（VR）：是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。构成VR系统的五个典型组成部分如下图所示：VR引擎软件和数据库任务用户I/O设备一、虚拟现实技术三维空间中的活动对象有六个自由度，其中三个用于平移，三个用于旋转。如果在活动对象上捆绑一个笛卡儿坐标系（如下图所示），那么它平移将沿着X，Y和Z三个轴，沿这些轴的旋转分别称为偏航、俯仰和滚动。当对象高速运动时，需要能迅速地测量出由这些参数定义的六维数据集。XZY偏航滚动俯仰一、虚拟现实技术虚拟现实系统：是要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其上的和谐人机环境，也就是一个由多维信息所构成的可操纵的空间，其目标就是真实的体验和方便自然的人机交互。能够达到或部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统。一、虚拟现实技术任何一个虚拟现实系统都可以用三个“I”来描述其特性，这就是沉浸（Immersion），交互（Interaction）和想象（Imagination）。（如下图所示）沉浸交互想象3I二、虚拟演播室工作原理虚拟演播室：是一套由计算机系统、电视摄像机（装有跟踪器）、三维场景发生器、色键器以及视音频切换台等构成的电视节目制作系统。其实质是将计算机产生的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的演员（或节目主持人）表演的活动图像进行数字化的实时合成，使演员（或节目主持人）的表演（前景）与虚拟场景（背景）达到同步的变化，从而实现前景与背景的完美结合。二、虚拟演播室工作原理虚拟演播室系统结构：一般有共用式结构和独立式结构两种共用式结构：它是采用共用虚拟场景生成系统的结构方式，多个摄像机机位共用一套虚拟场景生成系统，在前景机位切换的同时，在虚拟场景生成系统中完成场景的切换。但有延时现象。独立式结构：它是采用一对一的通道化结构方式，每一个摄像机对应一个图形和图像处理通道，每个通道都包括一套摄像机跟踪系统、延时器、虚拟场景生成系统、色键混合器，每个通道输出的信号都是前景、虚拟场景已经合成好的视频信号，可以直接在特技切换台上与别的通道输出的视频信号之间作特技切换。杜绝了延时现象。二、虚拟演播室工作原理虚拟演播室的组成：主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站、色键合成器4个部分组成。摄像机延时图像识别或机械跟踪图形工作站矩阵色键合成器控制信号合成图像FGMBG二、虚拟演播室工作原理二、虚拟演播室工作原理二、虚拟演播室工作原理二、虚拟演播室工作原理二、虚拟演播室工作原理虚拟演播室工作原理：是把摄像机拍摄到的以蓝色幕布为背景的画面作为前景，用一台超级实时图形计算机中的三维动画软件生成的三维动作图形作为虚拟场景，通过跟踪器系统把采集到的摄像机的运动参数实时传送给计算机图形工作站，计算机图形工作站经大量运算后，产生与实际摄像机拍摄的实景画面相匹配的虚拟场景。再通过深度键和色键将前景与虚拟场景合成为一个图像输出。三、虚拟演播室系统的分类从硬件平台分类：可分为基于PC平台的系统和基于UNIX平台的系统。从工作原理分类：可分为二维虚拟演播室系统、三维虚拟演播室系统、真三维虚拟演播室系统以及为适应高清晰度电视系统而开发的HD虚拟演播室系统。四、虚拟演播室系统关键技术虚拟演播室系统关键技术：摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景生成技术、蓝箱技术、灯光技术和无限蓝箱技术等。摄像机跟踪技术：摄像机跟踪技术是虚拟演播室中一项关键技术，它可以获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数，从而判断摄像机、演员或节目主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。四、虚拟演播室系统关键技术摄像机跟踪技术主要有图形识别、机械传感、红外线传感和超声波传感4种方式。图形识别方式：是通过对摄像机所摄图像的形态识别和分析来间接确定真实摄像机的各种运动参数。它可以对运动画面进行精确的计算，获得摄像机的各项（多达8个）运动参数。四、虚拟演播室系统关键技术机械传感方式：是通过有摄像机的横摇、俯仰、变焦、聚焦、光圈的机械转动位置安装咬合齿轮来测量摄像机的运动参数（一般为4个参数），当摄像机机头运动时，各个传感器可以检测到齿轮的旋转角度变化，并对变化量进行编码。编码数据通过接口送到主机，主机根据真实摄像机的机位，在虚拟场景中计算出这一机位的虚拟背景，并在虚拟背景叠加真实人物，从而制作出虚拟演播室节目。四、虚拟演播室系统关键技术红外线传感方式：是通过在摄像机上面安装红外线接收反射器，在演播室各个控制点安装多个红外线发生器，利用红外线测距原理，实时测量表演者和摄像机在演播室中的位置，获得机位运动参数，红外发射装置可安装于表演者身上和摄像机上，而接收装置（两个或更多）可安装于蓝色幕布的上方。四、虚拟演播室系统关键技术超声波传感方式：是通过在摄像机上面安装超声波接收反射器，在演播室各个控制点安装多个超声波发生器，利用超声波测距原理获得机位运动参数，一般是在演播室顶部安装超声波发射和接收杆，每根杆有多个发射和接收点，向下发射超声波。在摄像机顶部安装3个金属点和陀螺仪，金属点用于反射超声波信号，陀螺仪用于模糊定位，主要是用在摄像机倾斜和翻转时的定位。四、虚拟演播室系统关键技术计算机虚拟场景生成技术：是产生虚拟演播室中的场景、道具的技术。在常规演播室中不可能做到的复杂而宠大的背景，甚至许多现实生活中人们不可能见到的景观，都可以通过虚拟场景生成技术，在虚拟演播室中实现。一般来说，三维虚拟场景可以由预生成三维方式和真三维方式来产生。四、虚拟演播室系统关键技术蓝箱技术：蓝箱也称为蓝背景，它是主持人活动的实际场景及虚拟制作的基本依据。蓝箱的好坏，直接关系到色键抠像的质量。蓝背景可采用蓝幕布，但最好采用蓝背景漆。蓝箱的设计，主要应考虑以下三个方面的问题：（1）空间结构（2）制作工艺（3）蓝背景漆四、虚拟演播室系统关键技术灯光技术：虚拟演播室灯光系统是建立在新型的三基色柔光灯的基础之上的，这种灯发光均匀、阴影小、发热少、色温恒定而均匀，光布在主持人脸上自然而逼真。色键技术：虚拟演播室系统的抠像是由色键器来完成的，色键器的主要作用是把背景生成装置实时生成的、和前景有正确位置及透视关系的背景图像与前景图像合成，使虚拟背景与真实前景达到完美结合。无限蓝箱技术：无限蓝箱技术通过外部生成的键信号，将前景视频图像中非蓝箱内的景物滤除，使摄像机的运动可以不受实际蓝箱尺寸的限制。五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统光纤网HD矩阵多功能切换台视频延时器主掩膜控制色键器特技处理控制灯光控制物件编辑动画控制编辑传感器同步时基三维造型场景合成器同步时基传感器麦克风调音台放机录机内置调音台2路音频回放2路音频采集字幕系统视频输出视频输出主输出本地HD非线性回放非线性采集非线性编辑系统视频输出2路音频回放2路音频采集主机位参数主彩色场景主掩膜场景机位1机位2……RETTALLYV遥控P＆T,Z＆F键信号VVVVAAV大洋MagicSet虚拟演播室系统工作原理图五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统功能特点：主要特点之一是高度的系统集成性。它把所有功能模块都集成在了一台高性能PC图形、图像工作站内。系统所需要的外部信号仅为必需的同步时基和摄像机视频。这在组建系统时可以使信号通路连接最为简单，最大限度的减小了信号损失，特别是针对现有演播室改造时，对现有演播室信号通路上的改动和破坏很小。系统内部的视频信号都是以4:2:2的数据流的方式传递，在保证了不会有任何信号损失的同时也提高了系统的可靠性，再加上系统采用了非线性方式的视频采集和回放，保证了系统在存储媒介上也不会有信号损失，使整个系统在信号质量上能始终保持最佳的演播室级指标。五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统跟踪传感技术：跟踪技术是摄像机和虚拟背景同步运动的关键。它主要获取摄像机在演播室是的实际运动参数即机位参数和镜头参数，其中机位参数包括摄像机的高度和摄像机的地面位置；而镜头参数包括摄像机镜头的摇摆、俯仰、变焦、聚焦及摄像机的旋转等。测量这些参数需要各种传感器技术和测量技术。五、大洋MagicSet真三维虚拟演播室系统三维场景生成：是用三维软件及材质完成。实时生成背景是指在摄像机运动参数控制下，背景生成装置对制作好的背景信号进行处理，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。三维场景生成系统中的多个功能模块是：虚拟物件控制模块；虚拟物件的动作编辑模块；虚拟摄像机动画功能模块；粒子系统功能模块。六、虚拟演播室技术的特殊应用虚拟重放数字重放虚拟广告虚拟出席移动场景虚拟人物表演