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虛擬演播室系統(tǒng)(The Virtual Studio System,簡稱VSS)

虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)用攝像機跟蹤技術(shù),獲得真實攝像機數(shù)據(jù),并與計算機生成的背景結(jié)合在一起,背景成像依據(jù)的是真實的攝像機拍攝所得到的鏡頭參數(shù),因而和演員的三維透視關(guān)系完全一致,避免了不真實、不自然的感覺。由于背景大多是由計算機生成的,可以迅速變化,這使得豐富多彩的演播室場景設(shè)計可以用非常經(jīng)濟的手段來實現(xiàn),由于它本身所具有的無窮魅力以及其不可低估的發(fā)展前景,迄今已被越來越多的節(jié)目制作及有關(guān)人員所關(guān)注。

虛擬演播室是一種全新的電視節(jié)目制作工具,虛擬演播室技術(shù)包括攝像機跟蹤技術(shù)、計算機虛擬場景設(shè)計、色鍵技術(shù)、燈光技術(shù)等。虛擬演播室技術(shù)是在傳統(tǒng)色鍵摳像技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分利用了計算機三維圖形技術(shù)和視頻合成技術(shù),根據(jù)攝像機的位置與參數(shù),使三維虛擬場景的透視關(guān)系與前景保持一致,經(jīng)過色鍵合成后,使得前景中的主持人看起來完全浸盡于計算機所產(chǎn)生的三維虛擬場景中,而且能在其中運動,從而創(chuàng)造出逼真的、立體感很強的電視演播室效果。

采用虛擬演播室技術(shù),可以制作出任何想象中的布景和道具。無論是靜態(tài)的,還是動態(tài)的,無論是現(xiàn)實存在的,還是虛擬的。這只依賴于設(shè)計者的想象力和三維軟件設(shè)計者的水平。許多真實演播室無法實現(xiàn)的效果,對于虛擬演播室來說,確是"小菜一碟"。例如,在演播室內(nèi)搭建摩天大廈,演員在月球進行"實況"轉(zhuǎn)播,演播室里刮起了龍卷風等等。有的電視臺已經(jīng)起用了虛擬主持人,并且成為了明星,他們不僅可以配合真人的主持人主持節(jié)目,而且還可以單獨主持節(jié)目。這些都是虛擬演播室創(chuàng)造性的體現(xiàn)。

虛擬演播室的產(chǎn)生,給視頻節(jié)目制作、電視廣播帶來了一場革命。

三維虛擬演播室的跟蹤技術(shù)有4種方式可以實現(xiàn),網(wǎng)格跟蹤技術(shù)、傳感器跟蹤技術(shù)、紅外跟蹤技術(shù)、超聲波跟蹤技術(shù),其基本原理都是采用圖形或者機械的方法,獲得攝像機的參數(shù),包括攝像機的X、Y、Z、(位置參數(shù))Pan、Tilt、(云臺參數(shù))Zoom、Focus(鏡頭參數(shù)) 由于每一幀虛擬背景只有20ms的繪制時間,所以要求圖形工作站實時渲染能力非常強大,對攝像機的運動沒有更多的限制,一般適合專業(yè)電視臺,對節(jié)目制作要求較高的用戶使用。

另一種方法是預生成三維背景,即要首先制作好背景的三維模型,然后預先定義好攝像機的運動和參數(shù)設(shè)置,根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成每臺虛擬攝像機的視圖畫面,最后運用色健將前景和相應(yīng)的虛擬背景結(jié)合起來。這種方式可以生成比較真實的虛擬背景,對圖形工作站實時渲染能力要求不高,攝像機只可以切換機位(攝像機機位必須事先與背景調(diào)整好比例和透視關(guān)系),不可以做其他的運動,這樣的虛擬演播室適合學校以及電教中心,投資較小,要求不高的用戶使用。

1978年, Eugene L.提出了"電子布景"(Electro Studio Setting)的概念,指出未來的節(jié)目制作,可以在只有演員和攝像機的空演播室內(nèi)完成,其余布景和道具都由電子系統(tǒng)產(chǎn)生。隨著計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)的發(fā)展,在 1992年以后虛擬演播室技術(shù)真正走向了實用。1993年,以色列ORAD推出了世界上第一套真三維虛擬演播室,此后另外一家以色列廠商RTSet也推出了基于傳感器跟蹤技術(shù)的真三維虛擬演播室,此后的10年中,虛擬演播室廠商陸續(xù)推出自己的產(chǎn)品,西班牙的BrainStorm,BBC英國廣播電視公司的虛擬演播室,法國PSY等等,以及2000年之后中國大洋、奧維迅、新奧特也相繼推出自己的虛擬演播室產(chǎn)品,虛擬演播室要求實時圖形圖像渲染技術(shù)很高,并要求配合方便,使用便捷的虛擬演播室跟蹤技術(shù),經(jīng)過市場的淘汰、演變,所剩余繼續(xù)發(fā)展虛擬技術(shù)的廠商逐漸減少,2008年之后,一些無跟蹤的虛擬演播室技術(shù)開始推向?qū)�業(yè)市場,被稱為無軌跟蹤虛擬演播室,此類虛擬演播室沒有攝像機跟蹤技術(shù),無法獲得真實攝像機的運動參數(shù),圖形工作站也無需按照攝像機的運動實時渲染25幀/秒的畫面,因此此種方式的虛擬演播室適合學校、電教室等等非專業(yè)用戶的使用。

作為數(shù)字演播室發(fā)展新技術(shù),虛擬演播室技術(shù)已成為了當今數(shù)字電視演播室新技術(shù)的熱點。在1993年IBC展覽會上虛擬演播室技術(shù)首次亮像,并在各種電視轉(zhuǎn)播中得以實現(xiàn)。迄今,中央電視臺、各省級電視臺、教育行業(yè)、企業(yè)等大量采用了此技術(shù),該技術(shù)的發(fā)展促進未來電視行業(yè)低碳、減排發(fā)展。

1、虛擬背景渲染主機:

完成虛擬背景的渲染輸出工作,同時采集傳感跟蹤系統(tǒng)攝像機的運動參數(shù),最終的渲染輸出相應(yīng)的包括背景信號和作為前景遮擋的鍵信號。

控制攝像機切換模塊,當虛擬背景進行不同視角背景切換的時候,同時發(fā)出控制信號給攝像機切換模塊,切換至相應(yīng)視角的前景攝像機。

控制色鍵,通過計算機軟件調(diào)整和保存色鍵的狀態(tài)各項參數(shù)。

2、攝像機傳感跟蹤系統(tǒng):采用機械光電傳感跟蹤方式,采集攝像機平搖、俯仰、鏡頭推拉六個方位的動作信息。

3、色鍵:完成攝像機前景和虛擬背景的實時合成輸出。

4、切換器:完成攝像機前景信號的切換工作,受控于渲染主機串口信號。

5、同步信號分配器:完成外來同步信號的分配,分別將同步信號分配給背景渲染引擎、色鍵、切換模塊以及預留給用戶攝像機的三個同步信號輸出口。

6、延時器:對前景信號進行延時一幀的處理,使得前景信號和渲染主機生成的背景信號同步。

虛擬演播室系統(tǒng)是近年來隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展和色鍵技術(shù)不斷改進而出現(xiàn)的一種新的電視節(jié)目制作系統(tǒng)。在虛擬演播室系統(tǒng)中,攝像機的工作狀態(tài)信息傳送給圖形工作站,計算機依此得到前景物體與攝像機之間的距離和相對位置,從而計算出虛擬場景最適宜的大小、位置,并按要求計算生成虛擬場景的三維模型�，F(xiàn)場視頻采用色鍵原理,將主持人或演員置身于藍色背景幕布前表演,然后利用切換臺上的色鍵功能將主持人從藍色背景中分離出來,實時地與計算機產(chǎn)生的三維模型無缺地集成在一起,構(gòu)成一個現(xiàn)實中不存在的,但是在電視畫面上卻又起到演播室作用的那種假想的新的環(huán)境和氣氛,最終得到把將實拍的人物與虛擬景物無縫地融合起來的畫面。

虛擬演播室的優(yōu)勢是顯而易見的,從畫面可以明顯看出,電腦生成的背景與演員之間的融合簡直是天衣無縫。虛擬演播室系統(tǒng)用軟件來生成背景和道具,它可制作出實際不存在的或難以制作的場景,并可以在瞬間改變場景,可以制作出真實演播室無法實現(xiàn)的效果,其空間不受物理空間限制,攝像機可以以360゜旋轉(zhuǎn);還可以引人大量虛擬特殊環(huán)境與道具,因此可創(chuàng)作出更豐富、更吸引人的節(jié)目,使導演在很大程度上擺脫了時間、空間和道具制作方面的限制,獲得了更大的創(chuàng)作的想象空間,能夠以低廉的成本產(chǎn)生新奇的視覺效果。另外,由于場景的制作、修改、保存等都在計算機上進行,制作和更換電子布景快捷簡便,節(jié)省了大量的人力、物力、財力,而且縮短了節(jié)目制作周期,提高演播室的利用率等等。虛擬演播室雖然具有諸多的優(yōu)越性,但它由于價格昂貴,普及和推廣有一定的難度。

跟蹤與定位

在虛擬演播室節(jié)目制作過程中,確定攝像機的狀態(tài)信息非常關(guān)鍵。虛擬演播室專用數(shù)字攝像機通常為二到三個,攝像機配有運動檢測和識別系統(tǒng),即攝像機跟蹤器。其跟蹤方式有光學識別系統(tǒng)和機械傳感式系統(tǒng)兩種。其原理是將檢測到的攝像機的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運動數(shù)據(jù),通過一個"傳感器"裝置傳輸?shù)?校準器",這樣,理想情況下,現(xiàn)場攝像機與虛擬演播室中"虛擬"的攝像機被相對地鎖定在一個位置上。當現(xiàn)場演播室攝像機運動時,虛擬攝像機受跟蹤器的控制可以實時地與現(xiàn)場攝像機保持同步。

鎖定

虛擬演播室的另一重要而獨有的問題是攝像機之間的位置關(guān)系。虛擬攝像機與真實攝像機的初始位置并無直接關(guān)系,它可以放在虛擬空間的任意位置,當演播室有兩臺以上攝像機進行切換時,必須保持實際演員和景物在虛擬演播室中的位置不變,也就是與虛擬景物的關(guān)系不變。否則在切換時,觀眾會看到演員從背景中某個地方跳到另一個地方,在視覺上會造成不真實的效果。由于真實物體與演員是由真實攝像機給出,背景由虛擬攝像機給出,所以必須對虛擬攝像機進行位置鎖定,即虛擬攝像機之間的距離必須與真實攝像機之間的距離相等,且推拉、搖移的初始量(原位矢量)與真實攝像機的位置方向關(guān)系保持一致,才能進行切換。

變焦聚焦景深

實際拍攝時,攝像機的聚焦點一般都跟蹤主持人,如果此時前景和背景都聚焦得十分清楚,會產(chǎn)生景深的不自然感。尤其在特寫鏡頭時,背景應(yīng)該是虛焦的,使前景、背景如同出自同一攝像機,否則,這種虛擬演播室是不成功的。

色鍵與藍箱

摳像,藍箱主要有一墻一底式、兩墻一底(一角)式和三墻一底式3種。其中三墻一底式能給出更大空間,攝像機機位限制小,搖攝范圍大。藍箱必須保證均勻的藍色背景,特別是在墻墻、墻地交接處不能有接縫的痕跡。同時,由于節(jié)目制作過程中采用了色鍵技術(shù),演員及真實道具在藍室中投下的影子也要隨演員及道具一起進入虛擬空間,人物和環(huán)境景物在演播室燈光下的影子會被摳掉,造成一種不真實感。由于色鍵技術(shù)的使用,因此會產(chǎn)生延時,不僅要求系統(tǒng)增加前景視頻延時單元,而且必須考慮其它問題。一個是聲音,由于前景視頻被延時,為了保證聲畫同步,需要增加視頻幀同步器。另外,由于延時,給演員觀看反饋監(jiān)視器上的合成圖像以確定動作增加了難度。

VJDirector 的摳像功能,可以摳除藍色,紅色和黃色背景,實現(xiàn)虛擬演播廳的效果。啟動軟件后,打開"系統(tǒng)"->"摳像和顏色調(diào)整"。根據(jù)實際情況,選擇需要進行摳像的通道,并且勾上啟動摳像的復選項,然后選擇作為背景的通道或者圖片。最后,根據(jù)實際情況,稍微調(diào)節(jié)摳像的顏色范圍,達到最佳摳像效果。

計算機技術(shù)

虛擬演播室系統(tǒng)配備的計算機是一個小型計算機網(wǎng)絡(luò),主機為網(wǎng)絡(luò)中心,它是虛擬演播室的控制中心,是虛擬演播室節(jié)目制作的"導演臺"。它除了調(diào)用和調(diào)整事先做好的三維虛擬場景外,還負責向圖形發(fā)生器傳輸圖像數(shù)據(jù)及處理由攝像機跟蹤器傳來的攝像機運動數(shù)據(jù)。根據(jù)主機傳來的攝像機運動數(shù)據(jù)實時地計算出虛擬的三維電腦場景的運動,以保證其輸出的虛擬背景與真實的前景同步。

在虛擬節(jié)目準備中的一個重要任務(wù)就是建立三維模型。虛擬演播室的背景圖像可以是來自錄像機或攝像機的活動視頻,也可以是靜止圖像等,但使用最多的是由計算機創(chuàng)作的二維或三維模型CG(Computer Graphics),即虛擬場景。雖然虛擬演播室的背景原則上說可以無窮地轉(zhuǎn)換變化,但是背景的創(chuàng)意、三維建模等工作相當復雜,不再是一兩個人就能充分使用好的系統(tǒng),它需要導演、創(chuàng)意者、美術(shù)設(shè)計、二維建模者、三維建模者、演員及虛擬系統(tǒng)的操作者等人員的通力配合。因此,對于一次性節(jié)目背景的制作而言,虛擬演播室并沒有效率上的優(yōu)勢,而除了可以制造出不同凡響的特技效果外,能否真正發(fā)揮虛擬演播室的功能,創(chuàng)造出高質(zhì)量的特技效果,還在于制作者的想像力和它們之間的配合。

有軌虛擬

使用光學或機械傳感跟蹤設(shè)備,對真實攝像機的位置及其移動進行跟蹤、運算,生成數(shù)據(jù)流傳輸?shù)较?/P>

統(tǒng)主機。通過系統(tǒng)主機對數(shù)據(jù)進行運算分析,從而實現(xiàn)真實攝像機在同等比例藍箱內(nèi)的移動,體現(xiàn)3D場景中的景深景別的變化。最流行的圖像處理方法,是使用色鍵器將藍色或綠色的背景替換成實時景。

無軌虛擬

無軌虛擬演播室技術(shù)無需使用傳感器對攝像機的位置及其運動進行跟蹤、運算。 無軌虛擬演播室采用虛擬場景定位技術(shù)來實現(xiàn)虛擬攝像機的運動與3D場景實時無縫結(jié)合。 通過驅(qū)動虛擬攝像機來實現(xiàn)各個機位的推拉、搖移、搖臂、航拍等運 動效果,以及各個機位之間的快速切換。

無軌技術(shù)的工作原理: 根據(jù)主持人與虛擬場景、虛擬攝像機,三者之間的相對位置關(guān)系的變化,通過對3D場景的移動變化進行跟蹤定位,從而實現(xiàn)攝像機的推拉,搖移,搖臂乃至航拍的運動效果。 這種無軌技術(shù)減少了周邊硬件設(shè)備的使用,降低了使用成本,操作更便利。

只有對虛擬演播室系統(tǒng)有深刻的了解才能充分發(fā)揮其在節(jié)目制作中的優(yōu)勢。首先,我們應(yīng)當了解它能做什么,做出來的效果怎么樣。英語有這樣一句話可以很好地概括虛擬演播室的作用:"The only limit is imagination."這句話的意思是,局限是能否想得到,沒有虛擬演播室做不到的。當然這似乎有點夸張,但虛擬演播室在開拓電視節(jié)目的制作領(lǐng)域,充分發(fā)揮人的想象力這一點上確實為我們的導演及美術(shù)師提供了充分的創(chuàng)作空間。它是將原有的電視節(jié)目制作設(shè)備與三維動畫節(jié)目制作設(shè)備結(jié)合在一起的節(jié)目制作系統(tǒng),也是視頻制作方式的一次變革。虛擬演播室的問世,為當今電視節(jié)目制作提供了一種全新的制作觀念與方法。其具體的運作流程大致如下:

*創(chuàng)意人員擬出節(jié)目制作方案;

*導演及創(chuàng)意人員為虛擬演播室電腦虛擬三維場景的操作者"說戲";

*動畫師或模型師在電腦中創(chuàng)建模型及貼圖;

*導演與虛擬演播室操作者合作直播或錄像;

*視頻輸出、錄制及后期制作。

制作方案

由美術(shù)設(shè)計師將導演思路制作成詳細的"劇本"(story book)。所謂詳細,是指具體到每個畫面要素怎么動,主持人的位置怎么變化,是否有虛擬場景中的特寫鏡頭等。因為鏡頭推進,意味著電腦生成的圖像放大。這就必須要求事先生成的圖像尺寸大到足夠鏡頭推進也不至于產(chǎn)生像素變大的現(xiàn)象。虛擬演播室運作的這種特殊性,要求導演必須就每個鏡頭細節(jié)與電腦動畫場景的制作者事先溝通,使負責實施劇本方案的制作人員能充分理解導演的意圖,將三維場景提前做好。

三維演播室

動畫制作是隨著計算機圖形圖像學的發(fā)展應(yīng)運而生的一門專業(yè)學科,隨著影視及廣告業(yè)的發(fā)展,它的作用日益重要。動畫制作直接影響著節(jié)目制作的質(zhì)量。事實上,虛擬演播室已為傳統(tǒng)的電視節(jié)目制作人提出了一個新的課題:如何利用電腦這種現(xiàn)代科技豐富傳統(tǒng)的制作手段。說白了,虛擬演播室就是一個計算機圖像產(chǎn)生與合成系統(tǒng),是用計算機將演播室的觀念物化,在制作手段上突破了傳統(tǒng)制作手段的一些束縛,使演播室不再受時間和空間的局限。具體的虛擬演播室軟件操作者稱為"動畫師"(animator)或"模型師"(modeler)。他們在整個虛擬演播室節(jié)目制作中對演播室的最終效果起著舉足輕重的作用,他可以是導演或美工本人,也可以是專業(yè)的動畫制作者。

配合

動畫師或模型師的職責是預先完成節(jié)目中所需的電腦三維場景,包括場景中用到的所有貼圖,幾乎所有的虛擬演播室軟件本身并不帶有建模及繪畫的軟件包,多數(shù)是利用已有的三維或二維動畫、圖形圖像制作軟件來創(chuàng)建模型及模型中需要的貼圖,如3D Studio MAX、 Softimage 3D、Lightscape和Photoshop等。這些軟件中做好的模型和貼圖有的需經(jīng)過圖像格式的轉(zhuǎn)換,再存入虛擬演播室系統(tǒng)的專用目錄下,然后才能從虛擬演播室軟件環(huán)境中讀出。大量的矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過生成后產(chǎn)生的標準倍數(shù)位圖(power of 2,如256x512、512x1024等),作為虛擬環(huán)境要么直接存入圖形發(fā)生器中使用,要么貼在簡單的幾何矢量模型上。正是由于復雜的場景已預先在其他軟件中制作完成,節(jié)省了大量運算時間,所以虛擬演播室才能實現(xiàn)實時演播效果。

現(xiàn)階段幾乎所有的虛擬演播室應(yīng)用軟件還處在發(fā)展初期。有些軟件還存在著一定的局限,尚不能完全滿足節(jié)目制作與創(chuàng)新的需要。盡管這一技術(shù)發(fā)展很快,相信不久即將有相應(yīng)的更新的軟件版本問世,但至少在現(xiàn)階段,需要制作人員在技術(shù)細節(jié)上與導演配合。制作人員從傳統(tǒng)的單一的執(zhí)行導演意圖的技術(shù)員轉(zhuǎn)變成為參與前期總體方案設(shè)計的創(chuàng)作者之一。這種變化是現(xiàn)代科技發(fā)展的必然結(jié)果,無疑提高了現(xiàn)代電視節(jié)目制作人的業(yè)務(wù)要求,同時也擴大了導演的工作職能和范圍。對這種要求的變化,我們每個電視工作者特別是制片人與導演必須有充分的認識。否則可能適得其反,即:由于前期制作的局限,而影響現(xiàn)場導演的即興發(fā)揮。例如,如果導演希望虛擬場景中的某個部分動起來,如標志從墻上飛起來,主持人前的主持臺自己移走,地面某個部分騰空而起等,就必須將這些帶有"動作"的物體提前與電腦模型師講明,由模型師將這些有動作的物體用電腦創(chuàng)建時就將它們分別作為單個文件單獨儲存。這與導演看著監(jiān)視器指揮調(diào)整現(xiàn)場鏡頭中的畫面的傳統(tǒng)方法是不同的,這也正是虛擬演播室制作電視節(jié)目的主要特點。

控制員

與傳統(tǒng)演播室相比,主持人或演員所處的現(xiàn)場已不再是五顏六色的舞臺,取而代之的是一個全部涂成藍色的房間。攝像師的拍攝對象主體只剩下了主持人或演員。機位的運動取決于電腦中建立的虛擬場景。攝像師通過監(jiān)視器看到畫面的效果,導演則坐在電腦終端前與虛擬演播室軟件的具體操作者來共同控制整個節(jié)目。如果畫面"穿幫",即現(xiàn)場攝像機搖到藍色背景以外,虛擬演播室軟件能根據(jù)需要自制出虛擬藍色背景。至于控制虛擬演播室軟件的操作者的稱謂,學術(shù)界尚無統(tǒng)一的準確說法,國外習慣稱之為"Operator",這也是傳統(tǒng)說法的借用。虛擬演播室電腦機位上的操作者(暫且稱之為"虛擬控制")已不再是一般意義上的電腦操作人員。虛擬演播室系統(tǒng)是一個計算機圖像合成系統(tǒng),其控制中心是虛擬演播室的系統(tǒng)軟件,它也是虛擬演播室節(jié)目制作的"導演臺"。具體實施操作的系統(tǒng)控制員無疑成了實施導演意圖的最直接執(zhí)行者,他需要既能熟練運用虛擬演播室軟件及其相關(guān)的三維動畫制作軟件,同時又要具有一定的鏡頭意識和感覺。這樣才能更好地與導演配合,做出理想的節(jié)目。