電視虛擬演播室的跟蹤技術及選擇路徑
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【摘要】虛擬演播室是先在計算機上利用專業軟件制作虛擬三維場景，然后再將虛擬場景與攝像機現場拍攝的圖像進行實時合成，從而得到更加完美、生動和逼真的合成畫面。在虛擬演播室系統中，應用到的關鍵技術有跟蹤技術、色鍵技術、鎖定技術等。本文以跟蹤技術中的圖形識別、機械傳感、紅外線等幾種技術為例，對比分析了技術原理、優缺點，并就電視虛擬演播室中跟蹤技術的具體選擇進行了簡要概述。
【關鍵詞】虛擬演播室;跟蹤技術;圖形識別;選擇方法
一、電視虛擬演播室的組成
典型的虛擬演播室系統是由攝像設備、攝像機位置參數分析和控制、圖形計算機、背景材料庫和圖像合成等設備組成。在藍背景中的主持人由前景攝像機（真實攝像機）拍攝，而背景圖像記錄及生成系統稱為虛擬攝像機。真實的和虛擬的攝像機始終是鎖定的。因此，需要確定真實攝像機的位置參數，包括攝像機在演播室中的空間位置，攝像機的運動參數等。所有這些數據都被送入計算機中進行分析，實時生成與前景圖像保持正確透視關系的背景圖像。然后，前景圖像與計算機生成的背景圖像通過色鍵控制器進行天衣無縫的合成。
二、虛擬演播室的跟蹤技術
（一）圖形識別技術
?。?）技術原理。圖像分析識別方式是利用圖像分析識別技術在拍攝期間同步控制并檢測攝像機的各項運動參數，包括位置參數、水平轉動參數。所有這些參數都被轉化成位置參數，這就使得攝像師能夠在拍攝過程中隨意移動攝像機，而且也不需要特殊的攝像機。目前已在使用的一種在藍箱正面有用淺藍色組成的網格圖案，而且正面是傾斜放置的。這種精確的網格圖案以兩種不同的藍色形狀繪制于藍背景上，因此仍可利用色鍵合成技術。
?。?）優缺點分析。圖形識別跟蹤的技術優點是：其一，使用普通攝像機就可以完成拍攝工作，并且精確度上完全能夠滿足要求，不需要攝像師重新對鏡頭進行校準。在攝像機的選擇上，也能夠支持手持式攝像機，可以方便在不同室內外環境下完成拍攝任務。其二，在拍攝成本上，一個跟蹤器能夠通過無線連接的方式，同時作用于多個攝像機，無形中降低了拍攝成本。在拍攝過程中，攝像機可以通過遠程控制，對攝像機進行高精度、隨意的移動，讓圖像細節變得更加清晰。
圖像識別跟蹤的技術缺陷主要有：后期進行三維虛擬場景和真實場景合成時，采用圖像識別跟蹤技術獲取的圖像，往往需要進行更大的運算量。如果處理效果不理想，將會直接導致最終合成的圖像分辨率不高，畫面質量差。圖像識別跟蹤技術的背景圖像采用網格化圖案，相比其他跟蹤技術采用的藍屏背景，后期需要使用色鍵進行陰影處理，但是經過陰影處理后容易損失圖像的細節。在進行特寫拍攝時，如果人物移動速度過快或活動范圍過大，容易出現攝像機丟失跟蹤方向的情況，拍攝到的圖像模糊。
?。ǘC械傳感技術
（1）技術原理。這種攝像機跟蹤系統采集攝像機的位置及透視數據，為測量攝像機的鏡頭（機頭）運動參數，需要在攝像機鏡頭和云臺上安裝附加裝置。這個裝置中包含有傳感器和有關電子裝置，稱為運動參數編碼器，簡稱編碼器。通過托架與鏡頭上變焦環和聚焦環的齒輪緊密咬合。當變焦環或聚焦環發生位置變化時，鏡頭編碼器測量攝像機上下左右運動的角度得到其位置參數，通過液壓搖擺頭上的編碼器得到上下左右位置參數。
?。?）優缺點分析。機械跟蹤技術的優點體現在以下幾個方面：其一，相比于傳統的攝像機跟蹤控制方式，使用機械傳感設備作為輔助控制，能夠將攝像機旋轉角度的精確度控制到1.0×10-3度，移動距離上的精確度可以達到1.0×10-4cm，并且跟蹤調控速度高，處理起來更加方便。其二，系統提供藍色背景墻，使用機械傳感技術能夠根據藍色背景墻的亮度，自動進行攝像機控制，這樣表演者就可以有更大范圍的活動場景，從而讓動作更加靈活。其三，機械傳感技術保證了跟蹤數據的同步，例如以60Hz的頻率，完成360°旋轉，這樣獲取到的圖像信息，后期不需要技術人員重新進行信息處理，從而減輕了后期處理的壓力。
當然，機械跟蹤技術在應用中也存在一些不足，例如為了實現對圖像的跟蹤拍攝，需要在攝像機的鏡頭上額外的連接編碼器。但是無形中也增加了設備占用的空間，相比來說演播室內可以同時運行的攝像機數量減少30%-50%;還有就是為了提高圖像精度，在拍攝時也無法適用手持式攝像機，攝影師對攝像機的操作難度系數上升，在細節圖像的獲取上，以及攝像機角度的調整上也有較大的難度。
?。ㄈ┘t外線跟蹤技術
（1）技術原理。紅外線跟蹤是近年來電視虛擬演播室制作中新興的一種常用技術，其基本原理為：首先將紅外線的發射裝置分別安裝在表演者和攝像機上，而紅外線的接受裝置則在藍色幕布的上下方各安裝一個。這樣就可以360°的獲取表演者的移動圖像，并且當表演者移動時，紅外線信號同步的反饋到攝像機中，控制攝像機做出定向移動。在拍攝過程中，由于不需要在攝像機上額外安裝編碼器或其他控制設備，因此可以根據現場拍攝需要靈活的選擇手持式或固定式攝像機。根據紅外跟蹤系統能否活動，可以將其細分為被動式紅外跟蹤和主動式紅外跟蹤兩類。
?。?）優缺點分析。紅外線跟蹤技術的優勢主要體現在兩個方面：其一，雖然紅外線跟蹤相比于機械傳感跟蹤等技術，前期需要花費更多的時間進行系統搭建，但是后期操作起來更加方便。例如在進行拍攝時，能夠根據表演者的動作和移動，進行靈活的定位。每次完成拍攝后，控制系統能夠控制攝像機進行自動復位和位置校正，這樣也就不需要攝像師每次完成一個畫面的拍攝后，重新手動校準，節約了拍攝時間。其二，根據后期拍攝需要，如果需要臨時增加攝像機數量，在紅外線跟蹤技術下可以更低成本完成增加任務。并且即便是增加攝像機臺數后，不會影響現場攝像操作，拍攝靈活、方便，拍攝精度也不會受到影響。
紅外線跟蹤技術作為一種新技術，由于應用不夠成熟，現階段還存在諸多問題需要完善，主要體現在以下幾個方面：首先，紅外線反射過程中容易受到拍攝現場其他物體的干擾影響，例如光滑的金屬等，紅外線折射后影響接收效果，最終獲取的拍攝圖像不穩定;其次，紅外攝像機與接收器之間必須保持沒有其他物體遮擋，但是在一些復雜的拍攝現場，經常會有大屏幕或其他物體，如果攝像機移動過程中因為這些物體遮擋，導致紅外線不能正常接收，攝像機也會因為接收不到信號而出現無響應的問題。 （四）輔助攝像機技術
?。?）技術原理。輔助攝像機是在圖像識別基礎上發展形成的一種跟蹤技術，相比于圖像識別，輔助攝像機跟蹤技術的基本原理是：使用一種高分辨率的小型攝像機，將其安裝在攝像機的頂部。在開機拍攝時，攝像機頂部的小型輔助攝像機會自動獲取表演者的位置，當主攝像機對準表演者之后，輔助攝像機機械拍攝格子圖案。然后設備自動對獲取到的圖像信號進行分析，并以二進制數據的形式，將這些運動參數存儲起來，后期經過加工處理后可以形成高精度的圖像。
?。?）優缺點分析。輔助攝像機的應用優勢是對放寬了對格子圖案的要求，例如在紅外線跟蹤技術中，必須使用藍色背景墻，并且背景墻的安裝位置也受到限制。但是在輔助攝像機技術中，格子圖案可以是任意顏色，安裝位置也更加靈活，像攝影棚的天花板等位置，都能夠滿足現場拍攝需求。除此之外，演播室攝像機的拍攝也不受環境的影響，例如攝像師可以根據現場拍攝需要，可以實現寬角度拍攝、極端推進等。技術缺點是對輔助攝像機的要求較高，如果輔助攝像機分辨率不足，或是拍攝過程中對攝像機自由運動要求較高時，可能會導致最終拍攝所得圖像質量受到影響。
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超聲波跟蹤與上文中提到的紅外線跟蹤具有較高的類似性，即將紅外線收發裝置替換為超聲波收發裝置。相比來說，超聲波跟蹤技術不容易受到拍攝環境的影響，例如紅外線跟蹤中可能因為遮擋導致的攝像機移動不靈敏問題，在超聲波跟蹤中就可以避免。但是超聲波跟蹤目前也存在技術瓶頸，例如超聲波傳播過程中會出現損耗，如果表演者距離攝像機的距離過遠，最終接收到的超聲波信號質量也會相應變差。
三、電視虛擬演播室跟蹤技術的選擇
通過以上分析可以發現，當前主流的虛擬演播室跟蹤技術有機械傳感跟蹤、輔助攝像機技術、紅外線跟蹤技術等幾種，并且這些跟蹤技術的適用條件、應用優缺點等方面，均存在較大差異。在應用電視虛擬演播室系統時，需要根據具體的需要來選擇使用哪種跟蹤技術。例如，要想拍攝一些高精度的特寫鏡頭，可以采用機械傳感器跟蹤方式，這樣可以清晰的捕捉快速移動的畫面，并且拍攝過程中不受網格的限制，拍攝的靈活性較強。如果錄制過程中主持人或表演者需要頻繁的移動，則可以考慮使用紅外線跟蹤技術，紅外線收發裝置能夠動態的跟蹤表演者，讓攝像機做出相應的空間位置調整，為增強拍攝畫面感起到了必要的幫助。當然，在應用虛擬演播室時，除了跟蹤技術方面的影響因素外，像拍攝成本、設備的兼容性等等，也都是需要重點考慮的內容，只有綜合這些影響因素，才能獲取最佳的拍攝效果。
四、結語
虛擬演播室系統可以使用計算機軟件，制作虛擬的背景或道具，然后使用合成技術將虛擬畫面與攝像機拍攝到的真實畫面結合起來，從而制作出許多不能在真實演播室呈現出來的視覺效果。近年來，電視虛擬演播室系統得到了廣泛應用，跟蹤與定位作為虛擬演播室節目制作中的關鍵技術，也需要引起媒體制作人的重視。根據不同的電視虛擬演播室節目制作要求，綜合考慮技術條件、制作成本等多項影響因素，最終選擇一種科學的跟蹤技術，更好的體現出虛擬演播室在電視節目制作中的應用優勢。
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