电视虚拟演播室的跟踪技术及选择路径
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【摘要】虚拟演播室是先在计算机上利用专业软件制作虚拟三维场景，然后再将虚拟场景与摄像机现场拍摄的图像进行实时合成，从而得到更加完美、生动和逼真的合成画面。在虚拟演播室系统中，应用到的关键技术有跟踪技术、色键技术、锁定技术等。本文以跟踪技术中的图形识别、机械传感、红外线等几种技术为例，对比分析了技术原理、优缺点，并就电视虚拟演播室中跟踪技术的具体选择进行了简要概述。
【关键词】虚拟演播室;跟踪技术;图形识别;选择方法
一、電视虚拟演播室的组成
典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析和控制、图形计算机、背景材料库和图像合成等设备组成。在蓝背景中的主持人由前景摄像机（真实摄像机）拍摄，而背景图像记录及生成系统称为虚拟摄像机。真实的和虚拟的摄像机始终是锁定的。因此，需要确定真实摄像机的位置参数，包括摄像机在演播室中的空间位置，摄像机的运动参数等。所有这些数据都被送入计算机中进行分析，实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像。然后，前景图像与计算机生成的背景图像通过色键控制器进行天衣无缝的合成。
二、虚拟演播室的跟踪技术
（一）图形识别技术
（1）技术原理。图像分析识别方式是利用图像分析识别技术在拍摄期间同步控制并检测摄像机的各项运动参数，包括位置参数、水平转动参数。所有这些参数都被转化成位置参数，这就使得摄像师能够在拍摄过程中随意移动摄像机，而且也不需要特殊的摄像机。目前已在使用的一种在蓝箱正面有用浅蓝色组成的网格图案，而且正面是倾斜放置的。这种精确的网格图案以两种不同的蓝色形状绘制于蓝背景上，因此仍可利用色键合成技术。
（2）优缺点分析。图形识别跟踪的技术优点是：其一，使用普通摄像机就可以完成拍摄工作，并且精确度上完全能够满足要求，不需要摄像师重新对镜头进行校准。在摄像机的选择上，也能够支持手持式摄像机，可以方便在不同室内外环境下完成拍摄任务。其二，在拍摄成本上，一个跟踪器能够通过无线连接的方式，同时作用于多个摄像机，无形中降低了拍摄成本。在拍摄过程中，摄像机可以通过远程控制，对摄像机进行高精度、随意的移动，让图像细节变得更加清晰。
图像识别跟踪的技术缺陷主要有：后期进行三维虚拟场景和真实场景合成时，采用图像识别跟踪技术获取的图像，往往需要进行更大的运算量。如果处理效果不理想，将会直接导致最终合成的图像分辨率不高，画面质量差。图像识别跟踪技术的背景图像采用网格化图案，相比其他跟踪技术采用的蓝屏背景，后期需要使用色键进行阴影处理，但是经过阴影处理后容易损失图像的细节。在进行特写拍摄时，如果人物移动速度过快或活动范围过大，容易出现摄像机丢失跟踪方向的情况，拍摄到的图像模糊。
（二）机械传感技术
（1）技术原理。这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据，为测量摄像机的镜头（机头）运动参数，需要在摄像机镜头和云台上安装附加装置。这个装置中包含有传感器和有关电子装置，称为运动参数编码器，简称编码器。通过托架与镜头上变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合。当变焦环或聚焦环发生位置变化时，镜头编码器测量摄像机上下左右运动的角度得到其位置参数，通过液压摇摆头上的编码器得到上下左右位置参数。
（2）优缺点分析。机械跟踪技术的优点体现在以下几个方面：其一，相比于传统的摄像机跟踪控制方式，使用机械传感设备作为辅助控制，能够将摄像机旋转角度的精确度控制到1.0×10-3度，移动距离上的精确度可以达到1.0×10-4cm，并且跟踪调控速度高，处理起来更加方便。其二，系统提供蓝色背景墙，使用机械传感技术能够根据蓝色背景墙的亮度，自动进行摄像机控制，这样表演者就可以有更大范围的活动场景，从而让动作更加灵活。其三，机械传感技术保证了跟踪数据的同步，例如以60Hz的频率，完成360°旋转，这样获取到的图像信息，后期不需要技术人员重新进行信息处理，从而减轻了后期处理的压力。
当然，机械跟踪技术在应用中也存在一些不足，例如为了实现对图像的跟踪拍摄，需要在摄像机的镜头上额外的连接编码器。但是无形中也增加了设备占用的空间，相比来说演播室内可以同时运行的摄像机数量减少30%-50%;还有就是为了提高图像精度，在拍摄时也无法适用手持式摄像机，摄影师对摄像机的操作难度系数上升，在细节图像的获取上，以及摄像机角度的调整上也有较大的难度。
（三）红外线跟踪技术
（1）技术原理。红外线跟踪是近年来电视虚拟演播室制作中新兴的一种常用技术，其基本原理为：首先将红外线的发射装置分别安装在表演者和摄像机上，而红外线的接受装置则在蓝色幕布的上下方各安装一个。这样就可以360°的获取表演者的移动图像，并且当表演者移动时，红外线信号同步的反馈到摄像机中，控制摄像机做出定向移动。在拍摄过程中，由于不需要在摄像机上额外安装编码器或其他控制设备，因此可以根据现场拍摄需要灵活的选择手持式或固定式摄像机。根据红外跟踪系统能否活动，可以将其细分为被动式红外跟踪和主动式红外跟踪两类。
（2）优缺点分析。红外线跟踪技术的优势主要体现在两个方面：其一，虽然红外线跟踪相比于机械传感跟踪等技术，前期需要花费更多的时间进行系统搭建，但是后期操作起来更加方便。例如在进行拍摄时，能够根据表演者的动作和移动，进行灵活的定位。每次完成拍摄后，控制系统能够控制摄像机进行自动复位和位置校正，这样也就不需要摄像师每次完成一个画面的拍摄后，重新手动校准，节约了拍摄时间。其二，根据后期拍摄需要，如果需要临时增加摄像机数量，在红外线跟踪技术下可以更低成本完成增加任务。并且即便是增加摄像机台数后，不会影响现场摄像操作，拍摄灵活、方便，拍摄精度也不会受到影响。
红外线跟踪技术作为一种新技术，由于应用不够成熟，现阶段还存在诸多问题需要完善，主要体现在以下几个方面：首先，红外线反射过程中容易受到拍摄现场其他物体的干扰影响，例如光滑的金属等，红外线折射后影响接收效果，最终获取的拍摄图像不稳定;其次，红外摄像机与接收器之间必须保持没有其他物体遮挡，但是在一些复杂的拍摄现场，经常会有大屏幕或其他物体，如果摄像机移动过程中因为这些物体遮挡，导致红外线不能正常接收，摄像机也会因为接收不到信号而出现无响应的问题。 （四）辅助摄像机技术
（1）技术原理。辅助摄像机是在图像识别基础上发展形成的一种跟踪技术，相比于图像识别，辅助摄像机跟踪技术的基本原理是：使用一种高分辨率的小型摄像机，将其安装在摄像机的顶部。在开机拍摄时，摄像机顶部的小型辅助摄像机会自动获取表演者的位置，当主摄像机对准表演者之后，辅助摄像机机械拍摄格子图案。然后设备自动对获取到的图像信号进行分析，并以二进制数据的形式，将这些运动参数存储起来，后期经过加工处理后可以形成高精度的图像。
（2）优缺点分析。辅助摄像机的应用优势是对放宽了对格子图案的要求，例如在红外线跟踪技术中，必须使用蓝色背景墙，并且背景墙的安装位置也受到限制。但是在辅助摄像机技术中，格子图案可以是任意颜色，安装位置也更加灵活，像摄影棚的天花板等位置，都能够满足现场拍摄需求。除此之外，演播室摄像机的拍摄也不受环境的影响，例如摄像师可以根据现场拍摄需要，可以实现宽角度拍摄、极端推进等。技术缺点是对辅助摄像机的要求较高，如果辅助摄像机分辨率不足，或是拍摄过程中对摄像机自由运动要求较高时，可能会导致最终拍摄所得图像质量受到影响。
（五）超声波跟踪技术
超声波跟踪与上文中提到的红外线跟踪具有较高的类似性，即将红外线收发装置替换为超声波收发装置。相比来说，超声波跟踪技术不容易受到拍摄环境的影响，例如红外线跟踪中可能因为遮挡导致的摄像机移动不灵敏问题，在超声波跟踪中就可以避免。但是超声波跟踪目前也存在技术瓶颈，例如超声波传播过程中会出现损耗，如果表演者距离摄像机的距离过远，最终接收到的超声波信号质量也会相应变差。
三、电视虚拟演播室跟踪技术的选择
通過以上分析可以发现，当前主流的虚拟演播室跟踪技术有机械传感跟踪、辅助摄像机技术、红外线跟踪技术等几种，并且这些跟踪技术的适用条件、应用优缺点等方面，均存在较大差异。在应用电视虚拟演播室系统时，需要根据具体的需要来选择使用哪种跟踪技术。例如，要想拍摄一些高精度的特写镜头，可以采用机械传感器跟踪方式，这样可以清晰的捕捉快速移动的画面，并且拍摄过程中不受网格的限制，拍摄的灵活性较强。如果录制过程中主持人或表演者需要频繁的移动，则可以考虑使用红外线跟踪技术，红外线收发装置能够动态的跟踪表演者，让摄像机做出相应的空间位置调整，为增强拍摄画面感起到了必要的帮助。当然，在应用虚拟演播室时，除了跟踪技术方面的影响因素外，像拍摄成本、设备的兼容性等等，也都是需要重点考虑的内容，只有综合这些影响因素，才能获取最佳的拍摄效果。
四、结语
虚拟演播室系统可以使用计算机软件，制作虚拟的背景或道具，然后使用合成技术将虚拟画面与摄像机拍摄到的真实画面结合起来，从而制作出许多不能在真实演播室呈现出来的视觉效果。近年来，电视虚拟演播室系统得到了广泛应用，跟踪与定位作为虚拟演播室节目制作中的关键技术，也需要引起媒体制作人的重视。根据不同的电视虚拟演播室节目制作要求，综合考虑技术条件、制作成本等多项影响因素，最终选择一种科学的跟踪技术，更好的体现出虚拟演播室在电视节目制作中的应用优势。
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