机器视觉论文

《生活中的视觉》课程论文

基于机器视觉的虚拟演播室系统

姓名 学号

二零一七年三月

《生活中的视觉》（论文） 第II 页

摘 要

虚拟演播室系统应用摄像机跟踪技术，获得真实摄像机数据，并与计算机生成的背景结合在一起，背景成像依据的是真实的摄像机拍摄所得到的镜头参数，因而和演员的三维透视关系完全一致，避免了不真实、不自然的感觉。由于背景大多是由计算机生成的，可以迅速变化，这使得丰富多彩的演播室场景设计可以用非常经济的手段来实现，由于它本身所具有的无穷魅力以及其不可低估的发展前景，迄今已被越来越多的节目制作及有关人员所关注。

虚拟演播室在应用传统的色键合成技术的基础上实现了摄像机可以与背景同步运动的功能，使演员可以有效地融合到虚拟场景中，同时在与虚拟对象流互动时无任何违和感。演员在虚拟演播室的蓝箱中表演时，由摄像机采集前视频信号，并且通过跟踪设备实时地采集摄像机的各项参数信息，再把跟踪设的数据传给高速图形计算机，最后，通过图形发生器将演员与背景图像合成。中，在拍摄演员时采用蓝色背景，然后使计算机生成的虚拟背景与演员摄像视频步工作，再利用色键器的抠图合成技术将两路信号实时合成，将其作为最后的输出。

关键词：虚拟演播室； 机器视觉； 虚拟演播室系统；色键与蓝箱

Abstract

Application of the virtual studio system camera tracking technology, obtain the real camera data, and the computer generated background together, the background image is based on the real camera lens parameters obtained, and thus actor 3D perspective relationship is completely consistent, avoid is not true and natural feeling. Because the background is mostly produced by the computer, can change rapidly, which makes the rich and colorful design studio scene can be used to achieve a very economical means, because of its inherent charm and its development prospects should not be underestimated, so far has been more and more concerned about the production .

On the basis of the traditional color key combination technology, the virtual studio can realize the camera and the background

The synchronous motion function, the actor can be effectively integrated into the virtual scene, at the same time to interact with virtual objects flow without any sense of violation. Actor in the blue box in the virtual studio, the video signal collected by the camera, and the parameters of the information real-time camera tracking equipment, then set the tracking data to high speed graphics computer, finally, a pattern generator will actor and background image synthesis. In the blue background in the film actor, and then make the virtual background and actor computer generated video step, using matting synthesis technology key machine will be real-time synthesis of two signals, as the final output. The virtual studio turned out to be a benefit for high-definition television technology, this new technology provides a strong support for the development of the virtual studio high definition television. At the same time, the motion parameters of the sensor tracking system camera are acquired, and the final rendering output includes the background signal and the key signal as the foreground occlusion.

Keywords: Virtual studio; machine vision; virtual studio system

目 录

摘 要 .............................................................................................................................. II ABSTRACT ............................................................................................................................. I II

第1章 绪 论 ..................................................................................................................... 1

1.1 背景和意义 ......................................................................... 错误！未定义书签。

1.2 研究历史及研究进展 ......................................................... 错误！未定义书签。

1.3 基本原理 ............................................................................. 错误！未定义书签。 1.4 本论文的组织和结构

第2章 虚拟演播室的系统构成 ....................................................... 错误！未定义书签。

2.1 摄像机跟踪系统 ................................................................. 错误！未定义书签。

2.1.1 机械传感方式 ........................................................... 错误！未定义书签。

2.1.2 超声波定位方式 ....................................................... 错误！未定义书签。

2.1.3 网格图案识别方式 ................................................... 错误！未定义书签。

2.1.4 辅助摄像机技术 ....................................................... 错误！未定义书签。

2.1.5 红外传感方式 ........................................................... 错误！未定义书签。

2.2 虚拟背景生成系统 . .............................................................. 错误！未定义书签。

2.2.1 虚拟场景的制作 ....................................................... 错误！未定义书签。

2.2.2 实时背景生成 ........................................................... 错误！未定义书签。

2.3 视频合成系统 . ...................................................................... 错误！未定义书签。

第3章 虚拟演播室系统的设计 ....................................................... 错误！未定义书签。 3.1 摄像机跟踪部分的设计 . ...................................................... 错误！未定义书签。

3.1.1 基于传感器的系统 ................................................... 错误！未定义书签。

3.1.2 基于图形分析系统 ................................................... 错误！未定义书签。 3.2 计算机虚拟场景生成的设计 . .............................................. 错误！未定义书签。 3.3 视频合成部分的设计 . .......................................................... 错误！未定义书签。

3.3.1 灯光系统设计 ........................................................... 错误！未定义书签。

3.3.2 蓝箱设计 ................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.3 键控系统的设计 ....................................................... 错误！未定义书签。

第4章 虚拟演播室系统的实际运用模式 ....................................... 错误！未定义书签。

4.1 二维虚拟演播室 ................................................................. 错误！未定义书签。

4.2 三维虚拟演播室 ................................................................. 错误！未定义书签。

4.3 HD 虚拟演播室 .................................................................... 错误！未定义书签。

4.4 虚拟重放系统 ..................................................................... 错误！未定义书签。

4.5 虚拟广告系统 ..................................................................... 错误！未定义书签。

结论及展望 ......................................................................................................................... 15

参考文献 ............................................................................................................................. 17

××大学本科毕业设计（论文）

第1章 绪论 1.1 概述

虚拟演播室 (Virtual Studio)是近年发展起来的一种新兴电视制作技术, 是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的产物。它将摄像机拍摄的图像与计算机制作的虚拟场景完美地结合起来, 创造出令人异想天开的虚拟世界。这一技术的应用, 使得电视工作者摆脱了时间、空间及道具制作方面的限制, 能够自由地遨游在广阔的想象空间之中, 极大地提高了电视台的节目创作及制作能力。并且由于虚拟场景的制作、修改、保存都是在计算机中进行, 省去了真实场景的搭建、拆卸、储藏等环节, 降低了节目制作的费用, 提高了演播室的效率。

虚拟演播室系统应用摄像机跟踪技术，获得真实摄像机数据，并与计算机生成的背景结合在一起，背景成像依据的是真实的摄像机拍摄所得到的镜头参数，因而和演员的三维透视关系完全一致，避免了不真实、不自然的感觉。由于背景大多是由计算机生成的，可以迅速变化，这使得丰富多彩的演播室场景设计可以用非常经济的手段来实现，由于它本身所具有的无穷魅力以及其不可低估的发展前景，迄今已被越来越多的节目制作及有关人员所关注。

虚拟演播室是一种全新的电视节目制作工具，虚拟演播室技术包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计、色键技术、灯光技术等。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的主持人看起来完全浸尽于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

采用虚拟演播室技术，可以制作出任何想象中的布景和道具。无论是静态的，还是动态的，无论是现实存在的，还是虚拟的。这只依赖于设计者的想象力和三维软件设计者的水平。许多真实演播室无法实现的效果，对于虚拟演播室来说，确是“小菜一碟”。例如，在演播室内搭建摩天大厦，演员在月球进行“实况”转播，演播室里刮起了龙卷风等等。现在有的电视台已经起用了虚拟主持人，并且成为了明星，他们不仅可以配合真人的主持人主持节目，而且还可以单独主持节目。这些都是虚拟演播室创造性的体现。

虚拟演播室的产生，给视频节目制作、电视广播带来了一场革命。

1.2 研究历史及研究进展

1978年，Eugene L. 提出了“电子布景”（Electro Studio Setting）的概念，指出未来的节目制作，可以在只有演员和摄像机的空演播室内完成，其余布景和道具都由电子系统产生。随着计算机技术与虚拟现实（Virtual Reality）技术的发展，在 1992年以后虚拟演播室技术真正走向了实用。1993年，以色列ORAD 推出了世界上第一套真三维虚拟演播室，此后另外一家以色列厂商RTSet 也推出了基于传感器跟踪技术的真三维虚拟演播室，此后的10年中，虚拟演播室厂商陆续推出自己的产品，西班牙的BrainStorm ，BBC 英国广播电视公司的虚拟演播室，法国PSY 等等，以及2000年之后中国大洋、奥维迅、新奥特也相继推出自己的虚拟演播室产品，虚拟演播室要求实时图形图像渲染技术很高，并要求配合方便，使用便捷的虚拟演播室跟踪技术，经过市场的淘汰、演变，所剩余继续发展虚拟技术的厂商逐渐减少，2008年之后，一些无跟踪的虚拟演播室技术开始推向专业市场，被称为无轨跟踪虚拟演播室，此类虚拟演播室没有摄像机跟踪技术，无法获得真实摄像机的运动参数，图形工作站也无需按照摄像机的运动实时渲染25帧/秒的画面，因此此种方式的虚拟演播室适合学校、电教室等等非专业用户的使用。

作为数字演播室发展新技术，虚拟演播室技术已成为了当今数字电视演播室新技术的热点。在1993年IBC 展览会上虚拟演播室技术首次亮像，并在各种电视转播中得以实现。迄今，中央电视台、各省级电视台、教育行业、企业等大量采用了此技术，该技术的发展促进未来电视行业低碳、减排发展。

国内产品与国外产品差别主要是:

(1)国外的虚拟演播室产品一般基于工作站平台开发, 成本较高; 生成的三维图形图像的质量高、速度快; 摄像机参数的获取多采用机电跟踪和光电跟踪相结合的方法; 可以在场景及前景的任意位置上插入活动视频; 虚拟摄像机可以在实际演播室边界以外的地方漫游摄像:三维音响效果可以被激活并与其他动画或特技联系起来:具有完备的提示系统; 在制作过程中没有现场视频和音频的延迟等等。

(2)国内同类虚拟演播室系统多基于PC 机:主要用二维图像作为虚拟背景, 通过视角变化产生三维的视觉效果; 通过图形加速卡生成真三维的背景图形:摄像机参数的获取采用机电跟踪和光电跟踪相结合的方法; 能够进行多个摄像机机位的预监和多通道的特技切换; 提供移动机位, 使摄像机在拍摄过程中可以自由的移动。

1.3 虚拟演播室的基本原理

在虚拟演播室中, 把摄像机拍摄到的人物、景物称为前景图像, 而把通过计算机动画软件制作的二维或三维动画图形, 称为虚拟背景或虚拟场景。虽然虚拟演播室前景、背景图像也是靠色键技术合成的, 但二者之间却有“同步联动”关系, 即将拍摄前景的摄像机进行摇移、俯仰、变焦、聚焦动作时, 可以通过获取摄像机的各种运动参数(摇移、俯仰、变焦、聚焦、摄像机空间位置等), 去控制背景图像生成装置, 使之生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像, 最后通过色键将前景、背景图像合成输出。

随着各种先进电视节目制作技术的发展，虚拟演播室得到了越来越多的应用，它主要包括了摄像机系统、虚拟场景生成系统以及视频合成系统。所谓的前景指的 就是在虚拟情况下得到的各种风景以及人物的视频，与其相对应的是虚拟场景。虚拟场景并不是真实的，是借助虚拟生成系统生成的。摄像机的拍摄工作中不可避免的会进行角度的调整，姿势的俯视仰视、变焦动作，摄像跟踪系统的职责就在于对摄像机进行跟踪监视，并且将采集到的各种运动信息传送到虚拟生成系统中，从而使得到的各种虚拟场景对前景透明。有的情况下我们会发现得到的虚拟场景和前景之间会存在一定的延时现象，因此需要增加相应的延时器，确保制作的视频系统能够实现虚拟背景和实际背景之间的有效合并，为人们呈现一个虚实相结合的场景，达到前景同虚拟场景进行交融贯通，合为一体。

1.4 本论文的组织和结构

第2章 虚拟演播室的系统构成

1套典型的虚拟演播室系统主要由摄像机跟踪系统、 虚拟背景生成系统及视频合成系统组成。

2.1 摄像机跟踪系统

摄像机跟踪系统在在虚拟演播室中扮演着重要角色，确保摄像机、演员以及虚拟场景之间保持一个同步关系，同时保持对摄像机进行精密的监视并将其中的运 动参数提取出来，其中最为重要参数主要为镜头运动参数、机头运动参数、空间坐标参数等，然后通过串行接口RS232或 RS422实施传输，虚拟场景生成系统接收后 生成同前景相融合的虚拟场景。常见的摄像机跟踪技术 主要包含下列几种方式 ：网格图案识别、红外传感、超声波定位、机械传感。

2.1.1 机械传感方式

优点：此种方式的优点在于性能稳定可靠，对于摄像机的跟踪参数的获取精度较高，数据处理效率较高；背景颜色采用单一蓝色；同时对于摄像机的拍摄位置的选择比较宽松，没有苛刻的要求，所以在使用过程中不用考虑摄像机的摆放位置和拍摄角度；演员还可以在背景范围内进行自由活动。

缺点：跟踪系统每次重新启动都需对摄像机重新进行校正定位；摄像机的种类和数量受到了极大的限制；如果必须多台摄像机，那么任何一台摄像机必须相应的配备一套跟踪系统，这对于系统成本来说无疑是一个极为不利的因素。

2.1.2 超声波定位方式

该方式能够有效提高摄像机在视频录制过程中的定位精度；安装方式也进行了大幅的简化，初始化设置的简便快捷化，另外当摄像机重新启动后将自动进行定位校正；摄像机的参数采集精度得到了较大的提升，对于数据处理效率较高，运算量较小、延时短；拍摄方式简单、多样化，包括肩扛、手提、液压云台、摇臂、吊臂、滚轮三角架等。

缺点：当前采用的超声波定位技术的实际产品比较少，应用并未成熟。

2.1.3 网格图案识别方式

1. 优点

无需对摄像机安装附加方式；拍摄过程中能够对摄像机实施自由转动，这对于摄像师的创作是极为方便的；能够原封不动的对演播室摄像机进行使用；对于一个跟踪器能够运用于多台摄像机。

2. 缺点

对于色键混合器的细节表现能力有所牺牲，同时灯光布置要求比较苛刻；由于受到网格角度的此限制，摄像机的俯仰角范围较小，不得摇摆出网格，否则定位精度将会大打折扣；相比起机械传感方式，该识别方式采集到的数据精度较小；所以为了保证视频拍摄过程中的跟踪精度，使用过程中应保证摄像机的焦点不得移出网格，这无疑将会大大限制了摄像机的景深以及演员的活动范围，这给特写拍摄带来较大难度，演员不得走出网格范围之外，同时演员的蓝色背景也有限制，不能对网格进行遮掩，否则的话，跟踪信号将会受到影响，甚至消失；摄像机移动过程中要保持缓慢的速度，从而避免摄像机在移动过程中出现跟踪混淆现象，导致录制的图像出现一定程 度的跳帧现象；需要额外时间对网格图案进行辨识，这无疑增加了节目录制所需要的时间，导致视频播放需要的时长较多。

2.1.4 辅助摄像机技术

上一个图像识别方式为辅助摄像机的设计和应用提供了必备条件，实现了摄像机向着小型化的方向发展，体积的小型化给安装工作提供了极大的便利，一般可安装到演播室摄像机顶部，但是也可安装到其他部位，不管是侧墙或者天花板。辅助摄像机的作用在于配合演播 室摄像机的演员拍摄工作，并且对拍摄工作内容进行实施分析，确保摄像机采集到的各个参数正确无误。这种摄像技术具有较大的便利性，能够实现各种高难度的视频拍摄。

红外传感方式

1. 优点

对于摄像机角度坐标参数的测定非常简单快捷，只要处于其所控制的范围内；拍摄方式简单快捷，无论是肩扛还是手提式拍摄。

2. 缺点

安装程序复杂，初始化比较麻烦；容易遭受外界环境干扰；一般情况下如果红外线相互交织就会出现炫光现象，对演播室中的人员眼睛造成一定的损害；另外该方式在使用过程中的运算量较大，视频录制和播放过程中存在较严重的而言是现象。

2.2 虚拟背景生成系统

2.2.1 虚拟场景的制作

虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机或摄像机的视频图像, 也可以是静止

图像, 但使用最多的是计算机创作的二维或三维图形CG(Computer Graphics),即虚拟场景。虚拟场景可分为二维虚拟场景和三维虚拟场景, 所谓二维虚拟场景是指景

物没有厚度, 只提供一个平面背景, 而在三维虚拟场景中景物是立体的, 具有Z 方向

的厚度, 在具有虚拟后景的同时, 也提供虚拟前景。人物可在前景与后景之间穿插, 运动, 从而增强了视觉效果的纵深感和真实感。三维虚拟场景的制作可分为几个步

骤:首先要对虚拟场景中出现的所有物体按自然尺寸比例建成三维模型, 然后在模

型上添加材质, 描绘纹理; 其次是将模型在虚拟场景中定位, 制作灯光效果以及阴影; 最后是制作在实际拍摄过程中虚拟场景出现 的事件序列和特技效果, 目前用于虚

拟场景制作的主要软件有 Softimage , Alias/wavefront , 3Dmax 等, 它们一般都具有建模、描绘和特技等功能 。

2.2.2 实时背景生成

实时背景生成是指在摄像机运动参数控制下, 背景生成系统对预先制作好的虚

拟场景信号进行处理, 实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。这就意味着背

景生成系统必须要以 25 帧/秒的速度实时处理数据流。如果生成三维虚拟场景, 其计算量是非常大的。在不降低图形照明度、阴影, 纹理和建模结构的前提下, 提高图形工作站图形刷新速率成为实时生成虚拟背景的关键 。

2.3 视频合成系统

虚拟演播室的视频合成系统仍采用传统演播室多年来一直使用的色键抠像技术,

即前景与背景的混合是通过色键混合器来完成的, 一般采用 Ultimatte 、Primatte 等色键合成器。为保证容易抠像, 应使蓝色幕布处于均匀照明之下 ,演员的服装及小道具的颜色也应注意。蓝色幕布应使用纯正的色键蓝色, 其空间大小应保证演员

有足够的移动范围。另外, 由于图形工作站创建出来的三维虚拟场景中每一个像素

都带有景深值 Z ,即深度信息, 而摄像机提供的前景图像是没有深度信息的, 因此要实现演员在虚拟环境中行为逼真, 各物体间的遮挡关系显得尤为重要。这便引出

了深度键的概念。采用层次等级深度键可将物体分为有限数目的深度层次, 使物体

之间实现相互遮挡; 而像素等级深度键是按像素划分等级 ,可使演员处于虚拟场景

中的正确位置。当真实的人物、景物与虚拟景物动态遮挡时, 通过深度键技术 ,就

可以实现逼真的三维效果 。

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第3章 虚拟演播室的设计

3.1 摄像机跟踪部分的设计

摄像机在拍摄过程中有平移X 、纵移Y 、高度移Z 、水平角、俯仰角、镜头变焦Z00M ，聚焦FOCUS 等变化，这些参数的改变会引起所摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，计算机必须根据这些参数不断调整三维视图。而摄像机跟踪部分的作用正是收取摄像机的位置信息和运动数据，实时的跟踪真实摄像机，以保证前景与计算机背景“联动”。由于这种“联动”是以高速计算机运算的结果，而这种运算永远是存在着一个运算时间，所以这种“联动”是有时间差的。只是设计者保证使这种时间差在一个人眼不易察觉的范围之内，因此要求前景摄象机只能在一个有限的速率内改变位置参数。目前虚拟演播室的摄像机跟踪系统主要有以下几种方式：

3.1.1 基于传感器的系统

基于机械传感器跟踪方式是首先应用于虚拟演播室系统的一种跟踪方式，并且

至今还在广泛应用。这种跟踪方式原理很简单，即在摄像机的镜头上、液压摇摆头上装有精确的编码器，可以精确地检测相应参数，通过RS-232或RS-422端口送给控制计算机，要获得正确的透视合成效果，就要使虚拟背景的立体透视关系实时地跟上真实摄像机拍摄的状态变化。为此，二维虚拟演播室系统中虚拟摄像机应跟踪真实摄像机机头的左右摇移、上下俯仰、镜头推拉三个参数，采用这种方式的有益世的Minset ，RT-set 的IBIS ；三维虚拟演播室系统中，除了上述三个参数外，还应跟踪真实摄像机的机位横向、纵向位移，机座高度升降，摄像机旋转，镜头光圈变动，采用这种方式的有RT-set 系统的Larus 。虚拟摄像机各项参数与真实摄像机间各项参数之间并非是一一对应的线性关系，这就更增加了用模拟控制的困难程度。为此，采用基于编码的传感技术，并对这些参数进行编码，经过分析判断这些参数的优先级别，并将这些编码信息馈送到同步跟踪分析处理计算机优先译码，转为虚拟摄像机的参数指令，控制高性能的图形计算机生成虚拟背景，跟随真实摄像机同步移动。

3.1.2 基于图形分析系统

基于图形识别技术的虚拟演播室，是在演播室的蓝幕上画上两种蓝色深浅不

同、线条粗细不等、线间空格不均匀的网络图案。真实摄像机在摄取前景图像的同时，也摄取了网格图案的影像，将这一图像数字化后送入同步跟踪的图形处理计算机，利用图像分析法，参照摄像机起始参数，根据网格图案的变化，计算出摄像机左右摇摄、上下俯仰摄及视角的变化，用这些参数的变化量去控制图形计算机生成虚拟背景的变化，使虚拟摄像机中看到场景中物体位置的变化及透视关系与真实摄像机中看到的一致。

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图像识别的简单原理，用图像分析的方法检测其亮度的变化，以求出每一帧图

像中由于摄像机运动而引起的水平位移、垂直位移Δxi 、Δyi 及放大系数Z 的变化。用图像分析法求取摄像机运动参数的原理，主要是把摄像机的帧间的运动与亮度的时间、空间梯度联系起来。在每一个像素位置都有如下关系成立：

Gi=GxX+GyY+（Z-1）（GxX+GyY）

其中，Gi 、Gx 、Gy 为图像亮度于水平、垂直方向及时间上的梯度。X 、Y 、Z 则

为水平、垂直位移及推拉镜头比例系数的变化。x 、y 为像素在当前图像帧内的坐标值。

由于每帧图像中都有大量像素，每点都可以列出一个如上的方程，因而可以得

到一个已知条件高度冗余的线性方程组。由此可以求出运动参数的最小均方值。实验证明，为获得可靠的、质量足够好的摄像机运动参数，每帧取500-1000个有规

律的点即可达到要求。

3.2 计算机虚拟场景生成的设计

虚拟演播室的场景是计算机绘制的图形，计算机绘图有二维和三维之分，因而

虚拟场景也有二维和三维之分，二维场景没有厚度，只是一个平面图形，所以二维虚拟场景只能作为背景平面，出现在真实人物的后面，而三维虚拟场景中的景物具有Z 方向的厚度，是立体的，以背景中的一个长方体为例，长方体是一种六面体，其底面和背面一般是看不见的。然而随拍摄角度的不同，有可能看见其正面，侧面和顶面。在计算机中应保存其正面、侧面和顶面的图像，实际上，在计算机内，其正面、侧面和顶面的图像都分解为像素的形式，保存在存储器中，当摄像机处于任意的角度位置时，计算机即进行计算，获得相应的画面。同时，三维的场景中，虚拟景物既能作为真实人物的前景出现，也能作为背景出现，并且真实人物还能围绕虚拟景物运动：

这样在视觉效果上更具纵深感，更加真实。显然对于计算机的运算能力、运算

速度提出了很高的要求。当然还必然进一步考虑许多细节问题，比如灯光和阴影的问题，当摄像机改变其取向位置时，根据照明条件，阴影部分将发生相应的变化，背景画面应该能够反映出这种变化。

3.3 视频合成部分的设计

虚拟演播室系统视频合成的基本技术是色键器抠像，摄像机拍摄的蓝幕布前的

真实景物：通过色键器进行抠像处理，与计算机生成的虚拟场景合成一个画面。

3.3.1 灯光系统设计

在一般情况来讲，虚拟演播室有多个摄像机来拍摄。通过这个特征，为了能让

每个角度拍摄出来的画面都防止出现边角抠透或者是出现蓝边的现象，所以就要求蓝箱一定要照射的非常柔和。尤其要注意的就是对于蓝箱的表面和地面的照射，一

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定要注意在抠画面以后，在场面地面和蓝箱背景有均匀的照度。而且每当主持人在坐着主持节目的时候，尤其注意当灯光投射在主持人身上或者是主持人整面的时候，灯光必须是均匀柔和的。一旦灯光不均匀，就会出现把主持人的腿部照射的弯曲，将衣服照射的不平或者有些地方没有灯光从而出现抠透这个现象。所以说，虚拟演播室的灯光一定要全面的均匀布光手法，这样才能抠出最理想的画面，主持人在这个场景中也会显得真实。

虚拟演播室抠像的技术运用的是色键机器进行消除蓝处理，所以说，在对蓝色

进行消除的同时要注意把主持人刨除在外，也就是一定要具有立体光布局的概念。 前面进行灯管布局，后面进行蓝箱布置灯光：由于光的三种基本颜色柔光等所发出的光亮非常广阔，对于主持人进行灯光布局之后，一定要在蓝箱上再照射出一定灯光。所以说，前面景色光照度满足需求以后，还要再对蓝箱进行一定范围的补光才能满足出蓝色的要求。比较亮的蓝箱能够让前面主持人的边角比较光亮，用被色器中的消除蓝色的按键对蓝光进行消除，导致主持人的边角显得比较黑，可以对主持人用少量侧面的光来弥补。

3.3.1 蓝箱设计

在实际进行蓝箱设计时，首要考虑的问题就是蓝箱所在演播室的空间问题。目

前各电视台的演播室多是一室多用，即同一个演播室由多个节目共用，也就有多个场景。这就要求在设计蓝箱时要充分考虑到其它场景的位置和灯光需求，不能使节目在录制时出现质量下降或穿帮现象。倘若演播室一室一用，专为虚拟演播室所用，

就不存在这个问题。所以，建议最好是选用面积适合的小演播室作为虚拟系统专用。

其次，要根据虚拟系统的机位，来设计蓝箱的形状并计算其大小。也就是说，

蓝箱的大小一定要能够满足摄像机的推拉摇移的范围要求，既不能过小而限制镜头的活动，又不能盲目加大蓝箱面积而导致造价的大幅度提高。

然后，就是要根据使用虚拟演播室制作节目的性质来规划蓝箱的大小。大家知

道，新闻及小型访谈类的节目在录制时镜头一般较为简单，大多是以正面近景辅以少量侧面全景，且镜头固定，无需推拉摇移，主持人的位置也固定不动，这样对蓝箱的要求也就不高，只要顾及到侧面全景不穿即可，蓝箱可以做的较小。如果是录制文艺性节目，主持人不但会来回走动，且镜头的推拉摇移较多，变化较大。这就要求蓝箱要相对较大，给出足够的镜头活动空间。

3.3.3 键控技术的设计

我们知道传统视频领域中的键控技术的本质就是应用视频开关控制图象的" 抠

" 和" 填" 。" 抠" 就是利用前景物体轮廓作为遮挡控制电平将背景画面的颜色沿该轮

廓线抠掉，使背景变成黑色。" 填" 就是将所要叠加的视频信号填到被抠掉的无图象区域，而最终生成前景物体与叠加背景合成的图象。在这个处理过程中，依赖于前景物体所产生的遮挡轮廓信号，作为外键信号输入，背景图象中输出像素的键值为

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0%，而前景物体输出像素的键值为100%。这种传统处理方式存在的缺陷是对于前景物体的软边，比如头发丝，会产生兰色镶边，就是我们通常说的" 兰溢出" （blue spill ）。

由于人体肤色的原因，传统的键控处理中背景画面的颜色一般选择高饱和度的兰色和绿色，所需的门控开关信号称为键控信号或键信号，键信号由作为键源的视频信号通过键处理器产生。一个键开关信号在有键信号（键值为100%）的时候背景图像通不过，让前景图像通过，没有键信号（键值为0%）的时候让背景图像通过，而前景图像通不过，根据不同的前景图象视频所获得的，并因此控制视频切换开关的键信号的频率，大约在几十Hz--几MHz 。如此一个模拟色键处理的结果即是我们通常所说的" 扣像" 。传统键信号波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，在合成输出图像时前景物体与背景画面的分界处有锯齿、抖动和突变现象，使人感到生硬和不自然，还存在分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等现象。另外，对于自然景物中的半透明物体作为合成图像前景图像时，其后面的背景图像应该是部分地透明，但是在传统色键处理时，任何瞬间其键信号所控制的视频切换开关不是接通就是断开，键信号只有两种取值，不是高电平就是低电平，因此传统色键合成图像中前景图像不是全透过就是全不透过其后的背景图像，这与我们日常见到的自然景观是不同的，效果十分生硬与缺乏真实感的，我们称之为硬色键。在硬色键中，键信号为高电平时视频开关接通，前景图像全透过其后的背景图像，键信号为低电平时视频开关切断，前景图像全不透过其后的背景图像。

在早期的视频领域要想很好的解决" 兰溢出" 的发生，很好的保留前景图象的细节，或者是针对半透明前景物体作键处理，是一件很难做到的事情。但是在数字视频领域里，由于引入多种数字色键处理方式，使得我们基本上走出了此类困惑。

（1）深度键（depth-key ）

深度键不是键技术，它根本是解决主持人与三维虚拟场景的前后遮挡关系，以确定键或非键。深度键的概念是由三维实时虚拟演播室技术引入的，与传统的键控技术不同，目前市场出现的三维实时虚拟演播室产品中，合成图象的真实性主要表现在可以产生一个纵深方向的信息（即Z 轴方向的参数值，称为Z 值），它不象二维处理时所用的层技术，是一种基于三维画面的混合技术，称为深度键。

虚拟演播室的出现，对传统色键技术提出了更高的要求，为了使同一节目中的主持人、实物道具和虚拟背景之间可以相互动态遮挡，实现主持人在虚拟或实际物体后方或前方行走，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄象机到每个像素的距离。使用传统的色键技术，将主持人从兰色幕布中提取出来的同时产生一个前景遮

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挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出色键的深度值。深度键发生器有两种：一种是将物体分成有限数目的分层级；另一种是将像素分成等级的像素级。在分层级深度键中，物体被分别归类到数目有限的几个深度层中，因此演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。而在像素级深度键中，构成虚拟场景中的每一个像素都有相应的Z 轴深度值。因此演员在虚拟场景中的位置可以连续变化。

目前，获得深度键的方法大致有两种：一种靠近似判断的方法得出。它是用近似的方法判断出前景主持人和摄象机的相对距离，并且用这个值作为整个前景的深度值。如果主持人移动，那么这个值也将改变。

通过对合成画面上每个像素Z 值的计算和实际内容的需要用手控方式决定前景主持人和虚拟背景的相对关系，这种方法实现起来比较容易，缺陷是逼真度差，而且对主持人的要求较高。另一种获得Z 值的方法是采用" 自动主持人跟踪系统" 。它主要是由一个固定在主持人身上的红外发射器和一套安装在演播室墙上的红外接收装置完成。它可以准确定位出主持人的三维位置，自动识别主持人和虚拟背景的相对位置关系。

(2)数字色键

数字色键与模拟色键的最大不同在于它可以在数字领域的1千6百万种颜色中任选一种，这1千6百万种颜色得自计算机的32位机器字长，其中有8位专门用于表示每一种颜色的256种明暗（灰度）变化（即下文提到的ALPHA 键），另外的24位可以表示224种（约为1千6百万种）颜色。当然这是由计算机的处理能力得出的，并不代表自然界真实存在的颜色，有很大一部分为非法色。模拟色键在做扣像时，可以不分级的连续选择无数色作为键出色，通常选择高饱和度的兰或绿色。高质量的数字色键针对画面的三个分量（Y ，B-Y ，R-Y ）的每一路进行处理，并分别产生一个线性键。这种将一个色键分为三个键来处理的方法，可以允许保留更多的图象细节。

由于色键处理是针对背景画面的某一种颜色分量进行键出覆盖，因此键源信号的质量高低决定了键信号的质量。为了对色度信号做尽可能细的区分，带宽的保证是必不可少的。众所周知，模拟或数字分量的NTSC 或PAL 制全电视信号的带宽为6MHz ，而在ITU-601数字分量演播室标准内，采用对Y ，（R-Y ），（B-Y ）3个信号分量分别编码的方式，取样频率为13.5 MHz ，取样结构为4：2：2，假如以10bit 作为量化比特数，其编码后的总码率R=10*（13.5+6.75+6.75）=270Mbit/s。通常，信道带宽至少是数码率的0.5至1倍，数字化后的信号带宽就达到了（67.5--135）MHz （只有Y 时）或（135--270）MHz 。即使经过数据压缩之后，其带宽仍远远高于

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模拟或数字分量信号。因此，ITU-601数字分量演播室标准就为色度提供了更大可用的带宽。使得数字色键产品可以得到比模拟色键产品好得多的质量。但是数字色键也有它自身不可克服的缺陷，那就是由于数字图象的压缩，哪怕是极轻微的压缩，都有可能导致键错误的发生。尤其是在DCT 分块处理的边界处。在新的数字电视标准中，已经将键信号规定为彩色图象除了Y ，（R-Y ），（B-Y ）的第四个分量，其采样结构为4：2：2：4或4：4：4：4（此时为R ，G ，B 处理），采样频率为13.5MHz 。

（3）柔化键（Soft-key ）

在数字键控技术领域，提到柔化键，一般包括两层含义。一种是针对传统开关切换的硬色键而言的软色键，其键信号波形是与前景图像透明度相关的斜坡形（梯形）信号，键信号在上升和下降期间有一定的斜率，能够在很大程度上克服硬色键非0即1的缺点，软色键中将用于硬色键的脉冲门控混合电路改成了线性混合电路。还有一层含义是指在一些数字色键处理过程中，为了得到精细逼真的画面效果，而将处理模块细化，比如Primatte 色键处理软件，在处理兰屏前的物体与背景叠加时，将处理过程细分为背景彩色分量处理、柔化键彩色分量处理（针对前景物体的透明或半透明部分进行）、兰色溢出彩色分量处理与前景彩色分量处理。四个过程分别进行，然后再合成。此时的柔化键，已经是特指对前景物体的透明度所进行的软件运算了。

（4）线性键（linear-key ）

线性键是在柔化键中软色键技术的基础上发展而来的，它借用了计算机图象处理软件中的ALPHA 通道分层技术的精髓，通过对键信号的分级来均匀地混合前景与背景。采用线性键技术合成的图像，可以根据前景图像的透明度线性成比例地透过背景图像，因此也被称为ALPHA 键。

线性键是具有半透明混合效果的键控特技，其键信号决定合成图像中前景图像（填充信号）后背景图像以什么样的透明度可见，即键信号根据前景图像的透明度而线性地成比例地决定前景信号与背景信号的合成比例或混合程度。线性键的数学模型可用下式表示： VOUT = VF * K + VB *（1 - K） 其中VOUT 为前景（填充）信号和背景信号合成后的输出信号，VF 为前景信号，VB 背景信号，K 为键信号，K 值取值范围为大于等于0而小于等于1，从该式可知，当K=1时，VOUT = VF ，此时线性键的合成输出就是前景（填充）信号，这种情况称为完全叠加。当K=0时，VOUT = VB ，此时线性键的合成输出就是背景信号，这种情况称为完全不叠加。当大于0而小于1时，线性键的合成输出为前景（填充）信号VF 和背景信号VB 按照K 值所决定的比例进行合成以后的图像，合成图像看上去是半透明的效果，透过前景可以看到背景，透明度的大小取决于键信号K 的值。 从

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上述表达式可以看出，线性键并不是作完全的相加混合，在前景（填充）信号为半透明的情况下，要看到背景画面，必须削弱前景信号，这样势必会损失图象细节。实际上，当K=0或K=1时，线性键就工作在硬色键方式，但反过来硬色键却不能达到线性键的效果，因为硬色键的键信号K 的值只有0（低电平）和1（高电平）两个值，所以硬色键合成输出要么是前景信号，要么是背景信号，不可能出现半透明的混合效果。

线性键在处理前景信号细节边缘或兰色阴影时，是在整个背景范围内抵消相应的色度，在混合输出时前景的边缘信号被减弱了，保留下的亮度级也被减弱了，这样在加混输出时，前景的细节就可能变得灰暗与模糊。

第4章 虚拟演播室的实际应用模式

4.1 二维虚拟演播室

通常情况下，对于图像处理硬件有很大的依赖，通过其完成处理，实现对摄像机运行过程中参数的监视，营造一个良好的二维虚拟场景。

4.2 三维虚拟演播室

此种系统相对来说比较复杂，其中包含有高速实时渲染技术，还有虚拟阴影反射技术、像素级深度键技术等，通过上述技术相配合，方可做好演播室中三维场景的生成。从而为演播室中演员提供真实的背景信息，演员在其中能够进行连续性的动作、位置变化，一些虚拟的场景配合真实人物以及场景能够相互融合，最终形成具有纵深感觉的视觉效果。

4.3 虚拟演播室 HD

虚拟演播室的横空出世对于高清电视技术来说是一项福利，这一新颖技术的出现为高清晰度电视的虚拟演播室的发展提供了强有力的支撑。

4.4 虚拟重放系统

此种系统比较适合一些球类体育赛事的录制和播放，一方面能够模拟体育场中的模型信息，并且将要播出的图像信息进行冻结，然后将其转化为三维视频，虚拟摄像机可以进行多维角度的拍摄，观众能够在各个角度的比赛瞬间进行观赏。

4.5 虚拟广告系统

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该系统常用来播放各种类型的体育比赛或者综艺节目，在播出过程中能够方便的进行各种广告标识的插入，也可采用虚拟广告牌替代现场广告牌，这样对于广告牌尺寸以及位置均不再有任何要求，也可制作成动画形式。

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结论及展望 色键抠像同电脑虚拟技术的完美结合孕育出虚拟演播室，其实现了摄像机所拍摄的图像同电脑虚拟场景的巧妙结合，这将是电视节目的一大福音，节目的制作将 不再会受制于传统的时间空间以及道具，大大提高了电视节目制作的质量。在真实的演播室中，通过虚拟现实技术，虚拟出超越现实的虚拟现实环境，将前景融入其中，穿越时空，是影视节目制作的一次变革。优秀的团队是前提，他们必须具备良好的艺术素质和对建模工具的使用能力以及通力合作的精神, 只有这样才能发挥虚拟演播室的功能。随着虚拟技术的不断发展及应用的深入, 虚拟演播室技术会日趋完善, 走向成熟, 其前景是不可估量的。

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参考文献

（参考的中文文献排在前面，英文文献排在后面。作者与作者之间用逗号隔开，不写“等，编著”等字样，如果版次是第一版，则省略。没有引用书籍文字则不写引用起止页，且以“ . ”结束）

(著作图书文献)

[1] 作者，作者. 书名. 版次. 出版社，出版年：引用部分起止页

[2] 作者. 书名. 出版社，出版年.

(翻译图书文献)

[3] 作者. 书名. 译者. 版次. 出版者，出版年：引用部分起止页

（学术刊物文献）

[4] 作者. 文章名. 学术刊物名. 年，卷（期）：引用部分起止页

(学术会议文献)

[5] 作者. 文章名. 编者名. 会议名称，会议地址，年份. 出版者，出版年：引用部

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[6]

（学位论文类参考文献）

[7] 研究生名. 学位论文题目. 学校及学位论文级别. 答辩年份：引用部分起止页