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虛擬演播室的場景定位分析
虛擬演播室的場景定位分析
2002中南地區(qū)廣播電視技術(shù)年會優(yōu)秀論文三等獎為了適應(yīng)節(jié)目制作的發(fā)展要求，依據(jù)實(shí)際情況，我臺購置了 Vi〔 Z 〕SET公司的IBIS兩維虛擬演播室系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的使用，在虛擬場景定位的設(shè)置上有了一些體會。現(xiàn)做以下分析。
一 概 述
二維虛擬演播室的出發(fā)點(diǎn)，是在合理的價(jià)位上建立一個簡單實(shí)用而且圖像質(zhì)量高的虛擬演播室系統(tǒng)。二維虛擬演播室系統(tǒng)的場景生成與變換，是指場景工作站根據(jù)實(shí)時獲取的攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行比例變換，并用與真實(shí)攝像機(jī)一致的透視關(guān)系繪制背景圖像。這類系統(tǒng)的背景生成裝置一般采用圖像處理器硬件，對預(yù)先渲染好的一幅大圖像進(jìn)行變換，生成類似于二維DVE效果的背景圖像，由于系統(tǒng)中各種數(shù)字視頻效果的生成都是在攝像機(jī)運(yùn)動參數(shù)的控制下進(jìn)行的，因此二維虛擬演播室與一般的DVE系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。
虛擬演播室的雙機(jī)位的準(zhǔn)確定位，主要是使真實(shí)攝像機(jī)所拍攝的實(shí)際前景與虛擬攝像機(jī)所產(chǎn)生的虛擬背景在定位后，實(shí)際前景的移動在相應(yīng)的雙機(jī)位虛擬場景上做出符合正確的透視關(guān)系。
二 場景定位
1、攝像機(jī)的安裝
攝像機(jī)的安裝是一個IBIS自帶的工具，使用正確可以使前景圖片（攝像機(jī)的輸出）的運(yùn)動和背景（計(jì)算機(jī)的輸出）一致。這是場景定位的第一步。
一旦所有的視頻線都連接好以后，色鍵被設(shè)置好，攝像機(jī)的軌跡被跟蹤后就可以開始進(jìn)行攝像機(jī)的安裝過程。其攝像機(jī)的安裝界面如圖（1）以下是它的校準(zhǔn)步驟：
（1）檢查攝像機(jī)搖動的方向、俯仰、縮放和焦距
在Pan（搖動）、Tilt（俯仰）、Zoom（縮放）、Focus（焦距）下的按鈕就是在響應(yīng)攝像機(jī)的軌跡時設(shè)置虛擬背景的方向。
當(dāng)攝像機(jī)鏡頭推上時，場景圖片也要同時縮小。假如背景放大可以在zoom(縮放)標(biāo)題下按Plus/Minus(加/減)按鈕后再次進(jìn)行縮放操作，去驗(yàn)證場景圖片是否恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)鏡頭的運(yùn)動。
設(shè)置好縮放的方向后，左右搖動攝像機(jī)檢查pan（搖動）的方向。場景圖片（在操作中要將tilt鎖住）應(yīng)該隨著攝像機(jī)的移動而左右移動。 如果場景圖片向相反的方向移動，在pan（搖動）標(biāo)題下按Plus/Minus（加/減）按鈕后再次檢查搖動的方向。
鎖定搖動只檢查俯仰的方向。驗(yàn)證當(dāng)攝像機(jī)向上傾斜的時候場景圖片也要隨著向上傾斜。如果場景圖片向相反的方向移動，在Tilt（俯仰）標(biāo)題下按Plus/Minus（加/減）按鈕調(diào)整后再重新檢查傾斜的方向。
當(dāng)攝像機(jī)拍攝在藍(lán)屏內(nèi)部的物體時要鎖定搖動、俯仰和縮放。變換焦距檢查場景圖片是否和前景在相同方向上移動。如果場景圖片向相反的方向移動，在Focus（焦距）標(biāo)題下按Plus/Minus（加/減）按鈕調(diào)整后再重新檢查焦距的方向。
（2）設(shè)置鏡頭參數(shù)范圍
（3）調(diào)整鏡頭光軸軸心固有誤差
每個鏡頭在中心附近的位置有輕微的不同。Center X, Center Y 可以使場景圖片的中心和實(shí)際鏡頭的中心相匹配。進(jìn)行Zoom in （鏡頭推上）操作，定位在演播室中尖物體的邊緣（例如硬紙盒的邊沿）。調(diào)整框使來自場景圖片的十字（見步驟1）正確的定位在盒子的邊緣。鎖定搖動和俯仰的跟蹤頭，然后調(diào)整焦距使邊緣盡可能尖。一旦調(diào)整好攝像機(jī)后，再不斷進(jìn)行幾次Zoom out（鏡頭拉出）操作來檢查場景圖片的十字是否和盒子的邊緣在一個位置上。如果十字移動了，可以調(diào)整Center X 和Center Y的值，使十字和盒子的邊緣再次匹配。最后再進(jìn)行幾次Zoom in（鏡頭推上）操作檢查一下十字是否還有偏移。這是一個交互式的過程，可以重復(fù)幾次直到達(dá)到最好的結(jié)果。
在移動攝像機(jī)時，這調(diào)整它可以使在框中的真實(shí)物體和場景圖片之間的漂移最小。在地面上放一個盒子，調(diào)整攝像機(jī)的視頻框?qū)⒑凶右频娇蛑虚g，調(diào)整焦距然后進(jìn)行Zoom out（鏡頭拉出） 操作。鎖定跟蹤頭的傾斜軸，然后將攝像機(jī)左右搖動并保持盒子始終在框中。假如盒子"漂浮"在場景圖片上，就調(diào)整Nodal Point Slider(節(jié)點(diǎn)滑動條)（1/-1米是最大值）然后再次左右搖動攝像機(jī)。這是一個交互式的過程，你可以重復(fù)幾次直到達(dá)到最好的結(jié)果。
（7） 下一步調(diào)整FOV Ratio（視野比率）.
（8）當(dāng)在場景圖片和演播室間在部分運(yùn)動中有位置漂移時可以調(diào)整Minimum FOV facto(最小的FOV系數(shù))和 Maximum FOV factor(最大的FOV系數(shù)).當(dāng)進(jìn)行縮放操作時,如果演播室和graphics大多數(shù)時間都是一起運(yùn)動的，只有一部分發(fā)生了移動（接近最小的FOV或最大的FOV）可以用滑動條糾正漂移。
對系統(tǒng)中的每個攝像機(jī)重復(fù)上述過程。
經(jīng)過以上的調(diào)整可以使虛擬攝像機(jī)的虛擬背景和真實(shí)攝像機(jī)的前景在融合后達(dá)到同軸同點(diǎn)。
2、虛擬場景的設(shè)置
第二步是對虛擬場景的設(shè)置，現(xiàn)在以兩機(jī)位為例，虛擬場景的設(shè)置步驟如下：
（1）在藍(lán)箱中心（前景定位點(diǎn)）放置一個十字架，十字架的中心點(diǎn)高度與攝像機(jī)鏡頭的光軸中心點(diǎn)高度平齊。同時將兩個攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)復(fù)位，并且統(tǒng)一焦距和聚焦，保證兩個攝像機(jī)所拍攝到的十字架中心重合到一點(diǎn)。
以上步驟完成后，場景定位基本完成，由于攝像機(jī)鏡頭的固有差異，會有一定的偏差，再細(xì)調(diào)場景，可以達(dá)到更好的效果。
需要特別注意的是，攝像機(jī)高度尺寸小于場景尺寸很多時，虛擬攝像機(jī)的高度與實(shí)際攝像機(jī)的高度應(yīng)保證在最小誤差。因?yàn)檫@時所在非相對鏡頭垂直面的景物因距離因?yàn)閷⒁勒战∵h(yuǎn)大的透視關(guān)系產(chǎn)生拉伸效果，這種拉伸效果的誤差很容易被反映出來，影響合成效果的透視關(guān)系。
三 關(guān)于三維和二維虛擬場景定位的比較
以下是一商業(yè)公司三維虛擬演播室的場景定位方法：
（1） 首先要測量真實(shí)藍(lán)箱的大小尺寸，以及攝像機(jī)距離藍(lán)箱的位置和角度。
（2） 在設(shè)計(jì)場景圖片時，把這些真實(shí)尺寸放在3D場景建模中，這就是前景的活動范圍以及虛擬攝像機(jī)的相對位置，保證虛擬場景的坐標(biāo)零點(diǎn)與真實(shí)藍(lán)箱的中心點(diǎn)吻合。
（3） 制作完成場景后，在實(shí)際使用前進(jìn)行真實(shí)攝像機(jī)的初始定位。取藍(lán)箱中四個點(diǎn)，分別把攝像機(jī)鏡頭在此四點(diǎn)上初始化傳感系統(tǒng)，通過"四點(diǎn)定位"算法即可確定攝像機(jī)在虛擬場景中的位置，并把該位置坐標(biāo)分別賦予對應(yīng)的虛擬攝像機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)場景大小、位置與真實(shí)藍(lán)箱吻合，并且從各個機(jī)位看上去，場景的相對位置關(guān)系正確。
四 總 結(jié)
虛擬場景的定位是虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)用中非常重要的一環(huán)，準(zhǔn)確的場景定位保證了多機(jī)位切換時前景與背景準(zhǔn)確的透視關(guān)系，使虛擬演播室的使用發(fā)揮更大的作用。
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