【文章摘要】

虚拟演播室系统是一种新型的技术手段，虚拟演播室系统中植入无限蓝箱技术更是实现了两种技术的结合，大大促进了两者的发展，受到了社会的广泛关注。

【关键词】

无限蓝箱；虚拟演播室；发展

0 前言

虚拟演播室技术, 简称V S, 它是将摄像机拍摄的图像实时地与计算机三维图形进行合成, 从而形成一种新的电视节目制作系统。它可以更为有效的利用演播室资源, 节省大量的制景费用, 还可以使制作人员摆脱了时间、空间的限制, 充分发挥其想象力进行自由创造，因此可以认为虚拟演播室系统为电视制作开辟了一个崭新的空间。

1 虚拟演播室技术原理

虚拟演播室技术是由传统色键技术发展而来的, 它是把以主持人为主的前景画面和由计算机生成的背景画面, 采用色键抠像的方法融成一体, 产生人物置身于背景的组合画面。在真正的虚拟演播室技术中, 背景是由图形工作站产生的, 图形工作站接受摄像机的推拉摇移的位置变化, 相应改变场景的大小和角度, 正确的再现前景与背景的空间透视关系。

主持人和演员一般是在演播室的“U” 型或“L " 型的蓝箱里工作。与传统的蓝幕抠像技术截然不同的是, 虚拟演播室技术中的真实摄像机( 前景图像) 与图形工作站( 产生背景图像) 始终保持同步联动, 为此, 必须对真实摄像机的以下参数进行确定: 摄像机的俯仰、摇移以及可旋转角度的数值; 镜头的变焦和聚焦参数; 然后, 摄像机的所有上述参数都送入图形工作站分析, 图形工作站根据这些参数调整相应的虚拟背景图像。最后, 带有表演者和真实道具的前景图像与图形工作站生成的背景图像在色键控制器里合成为一幅画面, 传送至视频切换台输出。

2 无限蓝箱技术与虚拟演播室系统结合

演员的表演都在蓝箱中进行，但是由于实际场地的限制，蓝箱的天花板可能较低或对于宽角度拍摄来说太窄，当摄像机进行推拉摇移等运动时，拍摄的图像中会有蓝箱以外的景物，图像输入到视频合成系统与虚拟场景抠像合成时，这些景物也会出现在输出的视频中，达不到所需要的演员与虚拟场景融合的效果。因此，在实际使用虚拟演播室时必须使用无限蓝箱功能。无限蓝箱实际上是遮挡关系的一种，即将图像中超出蓝箱的区域遮住。它可以通过如下方法实现：

采用图像算法，将摄像机拍摄的图像实时抠像，并将不需要的区域从图像中滤掉；生成前景掩膜，即在缓存中产生一个水平带。将这个水平带输入到视频合成系统，在与前景、背景一起合成时可以遮住不需要的区域；利用视频合成系统中控制键窗口。在视频合成系统中一般都有控制键窗口的功能，即控制抠像合成时的窗口，前景进行抠像时即将不需要的区域排除在键窗口之外，使得在合成时该区域为三维虚拟背景，达到遮挡的效果。

3 无限蓝箱的算法实现

算法基本思路是将蓝箱模型简化为有向多边形面片模型, 根据透视投影变换的原理确定图像空间中蓝箱对应的多边形区域, 对多边形区域进行视口裁剪, 获得实际所能观察到的蓝箱区域, 最后进行边界过渡的区域填充, 生成最终的色键信号输出。

对实际蓝箱进行建模，并建立统一的世界坐标系。作者实施使用的蓝箱为长方体形，顶部用于放置演播室灯光设备，正面用于摄像机拍摄演员表演。以蓝箱的地面与背面交线的中心点为世界坐标系的原点，建立坐标系，可以通过精确地测量得到实际蓝箱的几何尺寸。

摄像机可得空间位置、方向以及垂直视角。已知, 其参数由摄像机跟踪系统获取。根据透视投影变换原理计算当前蓝箱边界顶点的世界坐标到摄像机图像坐标的映射。引入观察坐标系, 首先计算蓝箱边界顶点从世界坐标系到观察坐标系的变换。这样, 视点平移矩阵可以得出, 旋转矩阵通过计算也可以实现, 尺度变换矩阵通过坐标轴得出。然后计算观察坐标系到成像平面的变换, 设摄像机成像平面分辨率为1920×1080 (PAL 制高清大小) , 图像坐标系原点落在图像左上角, x 轴向右, y 轴向下, 根据摄像机当前垂直视角，最终实现图像定位。

4 有效蓝箱区域填充算法

有效蓝箱区域多边形经过区域填充可以作为垃圾键信号输出, 然而在实际应用中, 这种方式得到的键信号边缘太硬, 缺少平滑过渡, 合成后的视频有明显的硬边现象, 所以填充后的区域还要进行边界过渡处理。边界过渡处理的目的是在多边形的边界形成几个像素宽的边缘过渡带。其中多边形的边界分为两类: 第一类边界点落在视口的边界上, 边界点有一侧是不可见区域, 不需处理; 另一类为视口内的边界点, 必须模糊处理。我们提出改进的边标志区域填充算法如下:

设多边形内填充颜色为White , 多边形区域外填充颜色为Black , 过渡带分为N 个等级, 由外至内对应的填充颜色分别为Gray [ n ] ( n = 1 , …, N) 。改进算法分为以下四个步骤:

第一步, 对多边形的每条边进行直线扫描转换时, 对多边形边界所经过的像素给出边标志Is Border= TRU E , 并判断各线段是否落在视口的边界上, 若不是, 该边界需要过渡处理, 将该线段所经过的像素加入第一级过渡带数组Array Band[1]。

第二步, 区域填充。对每条与多边形相交的扫描线, 依从左到右的顺序, 逐个访问该扫描线上的像素。使用一个布尔量Is Inside 来指示当前像素的状态, 若像素在多边形内, 则Is Inside = TRU E; 否则Is Inside = FAL S E。设定初始值Is Inside = FAL S E , 每当当前访问像素的边标志Is Border = TRU E 时, 填充该像素后, Is Inside 取反。对边标志Is Border = FAL S E 的像素, Is Inside 不变, 并且当Is Inside =TRU E 时, 填充该像素。

第三步, 边界过渡处理。取数组Array B and [ n ] 中的像素, 对该像素进行过渡处理。该像素填充当前过渡带颜色Gray [ n ] , 若n ≠ N , 分别考察上下左右四个领域像素, 若领域像素颜色等于White , 则该领域像素为下一级的过渡带像素, 像素加入下一级过渡带数组A rrayB and [ n + 1 ] 。

第四步, 如果n = N , 算法退出; 否则, n = n + 1 , 重复第三步, 左边为边标志算法填充的结果, 对应的右边为改进后加入过渡带的算法填充的结果( 过渡带级数N = 5) 。

5 结论

无限蓝箱技术在虚拟演播室系统中的应用实现使我们突破了虚拟演播室系统中实际蓝箱在尺寸大小方面的局限性，在很大程度上拓展了实际操作中摄像机的移动范围，为我们带来了很大的应用价值。

【参考文献】

邓伟. 基于虚拟演播室的高职实训教学的实践与思考[J]. 宁德师专学报( 自然科学版),2008(5) 050