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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，是在合理的價位上建立一個簡單實用而且圖像質(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)實時獲取的攝像機參數(shù)進行比例變換，并用與真實攝像機一致的透視關(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運動參數(shù)的控制下進行的，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。
虛擬演播室的雙機位的準確定位，主要是使真實攝像機所拍攝的實際前景與虛擬攝像機所產(chǎn)生的虛擬背景在定位后，實際前景的移動在相應(yīng)的雙機位虛擬場景上做出符合正確的透視關(guān)系。
二 場景定位
1、攝像機的安裝
攝像機的安裝是一個IBIS自帶的工具，使用正確可以使前景圖片（攝像機的輸出）的運動和背景（計算機的輸出）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，攝像機的軌跡被跟蹤后就可以開始進行攝像機的安裝過程。其攝像機的安裝界面如圖（1）以下是它的校準步驟：
（1）檢查攝像機搖動的方向、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)攝像機的軌跡時設(shè)置虛擬背景的方向。
當攝像機鏡頭推上時，場景圖片也要同時縮小。假如背景放大可以在zoom(縮放)標題下按Plus/Minus(加/減)按鈕后再次進行縮放操作，去驗證場景圖片是否恰當?shù)捻憫?yīng)鏡頭的運動。
設(shè)置好縮放的方向后，左右搖動攝像機檢查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。驗證當攝像機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）標題下按Plus/Minus（加/減）按鈕調(diào)整后再重新檢查傾斜的方向。
當攝像機拍攝在藍屏內(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際鏡頭的中心相匹配。進行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)整好攝像機后，再不斷進行幾次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)幾次直到達到最好的結(jié)果。
在移動攝像機時，這調(diào)整它可以使在框中的真實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)整攝像機的視頻框?qū)⒑凶右频娇蛑虚g，調(diào)整焦距然后進行Zoom out（鏡頭拉出） 操作。鎖定跟蹤頭的傾斜軸，然后將攝像機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)點滑動條)（1/-1米是最大值）然后再次左右搖動攝像機。這是一個交互式的過程，你可以重復(fù)幾次直到達到最好的結(jié)果。
（7） 下一步調(diào)整FOV Ratio（視野比率）.
（8）當在場景圖片和演播室間在部分運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)).當進行縮放操作時,如果演播室和graphics大多數(shù)時間都是一起運動的，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)中的每個攝像機重復(fù)上述過程。
經(jīng)過以上的調(diào)整可以使虛擬攝像機的虛擬背景和真實攝像機的前景在融合后達到同軸同點。
2、虛擬場景的設(shè)置
第二步是對虛擬場景的設(shè)置，現(xiàn)在以兩機位為例，虛擬場景的設(shè)置步驟如下：
（1）在藍箱中心（前景定位點）放置一個十字架，十字架的中心點高度與攝像機鏡頭的光軸中心點高度平齊。同時將兩個攝像機跟蹤系統(tǒng)復(fù)位，并且統(tǒng)一焦距和聚焦，保證兩個攝像機所拍攝到的十字架中心重合到一點。
以上步驟完成后，場景定位基本完成，由于攝像機鏡頭的固有差異，會有一定的偏差，再細調(diào)場景，可以達到更好的效果。
需要特別注意的是，攝像機高度尺寸小于場景尺寸很多時，虛擬攝像機的高度與實際攝像機的高度應(yīng)保證在最小誤差。因為這時所在非相對鏡頭垂直面的景物因距離因為將依照近小遠大的透視關(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） 首先要測量真實藍箱的大小尺寸，以及攝像機距離藍箱的位置和角度。
（2） 在設(shè)計場景圖片時，把這些真實尺寸放在3D場景建模中，這就是前景的活動范圍以及虛擬攝像機的相對位置，保證虛擬場景的坐標零點與真實藍箱的中心點吻合。
（3） 制作完成場景后，在實際使用前進行真實攝像機的初始定位。取藍箱中四個點，分別把攝像機鏡頭在此四點上初始化傳感系統(tǒng)，通過"四點定位"算法即可確定攝像機在虛擬場景中的位置，并把該位置坐標分別賦予對應(yīng)的虛擬攝像機，即可實現(xiàn)場景大小、位置與真實藍箱吻合，并且從各個機位看上去，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)，準確的場景定位保證了多機位切換時前景與背景準確的透視關(guān)系，使虛擬演播室的使用發(fā)揮更大的作用。
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