[图文]虚拟演播室跟踪技术及选择
2003-06-09 慧聪广电商务网

张琳 南京电视台总工办工程师

关键词：虚拟演播室　跟踪技术　红外跟踪系统　混合系统

引言

当你决定使用虚拟演播室系统的时候，选择什么样的跟踪技术十分重要。现今，虚拟演播室有许多种跟踪系统，各有优缺点。事实上，并不存在适合任何场合的完美解决方案，采用何种方案取决于节目制作和演播室类型。

虚拟演播室跟踪技术

虚拟演播室中的跟踪技术分以下几种：

机电跟踪系统

它建立在成熟稳定的技术之上，可能是所有的跟踪系统中最精确的一种。它易于维护，但容易产生物理磨损。它的工作原理是，系统直接将机械运动转换成电子脉冲并进行处理，再将处理后的数据传送给虚拟演播室系统。具体又可分成机械云台和电动云台两种工作方式。

a. 机械云台方式

摄像机的运动由演播室内的摄像师手动操作。常见的有云顿(Vinten)以及Vizrt公司Tomboy系列的PTZF(Pan/Tilt/Zoom/Focus)云台等，通常由改进后的摄像机云台、脚轮或升降杆等装置，再配备编码器、传感器和相应的电子设备组成。

b. 电动云台方式

由操作人员远程控制摄像机的运动。常见品牌有Vinten和Radamec等。由于电动云台本身就包含了电动设备和编码器，只要简单地和系统相连，即可提取摄像机的运动参数。老式的可遥控电动云台精度较低，在虚拟演播室中相应的修正。

机电跟踪系统的主要优势是：高可靠性、高精度、高准确度(摄像机参数角度精度为0.001°，位移精度可达到0.01mm)；安装简单，操作方便；摄像机可以自由摇移、俯仰、变焦和聚焦，也可以结合导轨、升降台、吊臂进行拍摄；支持多台摄像机；获取跟踪数据没有延迟。

缺点：安装成本高；机械云台校正时间较长，跟踪系统重启后，需进行演播室校正；增加摄像机时，须增加相应的跟踪装置；摄像机只能进行一定程度的运动(PTZF)，采用PTZF云台的系统，拍摄过程中摄像机位置不能移动，摄像机位更换后须重新进行演播室校正。

图像分析识别系统

它是以摄像机获取的图像为基础进行处理的系统，可分为模式识别和背景图像识别两种方式。而两者都需要对摄像机运动前后拍摄的图像进行边缘处理、图像模块匹配、透视关系变化分析等计算，以得出系统所需的机头运动、镜头运动和机位位置等参数。这些工作通常是逐场进行的。数字视频包含大量数据流，须要进行数亿次图形计算，一般使用图形工作站来处理数据，延迟较大。

a. 模式识别方式

在计算机内预先储存了设定的模式，系统不断将摄像机获取的视频图像与之进行对比，获得演播室摄像机参照，确定物体和虚拟场景的透视关系与距离。傲威(Orad)的虚拟演播室系统是典型，它利用蓝箱中的编码网格图案及摄像机获取的视频信号，从中得出位置信息、方位信息，并能根据摄像机机位变化调整虚拟场景的显示，使它的视角与摄像机的视角相吻合。

优点：给摄像师提供较高的自由度，使其能够在拍摄过程中随意移动摄像机；对摄像机没有特殊要求，可以直接使用演播室原有的摄像机，包括便携式摄像机；增加机位时成本较低；摄像机上无需安装附加装置。

缺点：由于系统需要蓝幕上精确的蓝色网格图案作为参考，摄像机必须探测到至少4个网格以便跟踪；前景不能挡住网格参考点，如果特写拍摄推得太近，系统有可能失去跟踪方向；在接近拍摄角度极限或聚焦极限时，无法获得提示或信号指示。

b. 背景图像识别方式

工作流程与模式识别方式大致相同，但没有设定固定的图案模式，而是以实际的背景图案(不包括任何前景物体)作为预定模式储存在计算机中。这种系统可以随时随地搭建起来，提高了拍摄的自由度，但延迟时间更长，系统容易产生较多误差，摇移、俯仰及变焦范围受限，视角范围较小。

红外跟踪系统

此类跟踪分被动和主动两种工作方式。

a. 被动方式

Thoma的Walkfinder使用这种跟踪技术。该系统中用户需要在蓝幕上方安装一套可以发射和接收红外线的红外摄像机对准演播室，摄像机顶部还需安装红外线反射球。通过对反射回摄像机的红外线进行图像处理，以确定摄像机的位置和方位。镜头信息则通过安装在镜头上的机械编码器传回。

图1 Thoma红外跟踪系统工作示意图

b. 主动方式

Xync公司的X-pecto和Thoma的改进型Walk-finder系统均使用这种方式。其工作原理与被动方式类似，只不过系统以动态红外发射器替代了安装在摄像机顶上的红外反射球。
优点：一旦系统搭建好，即可迅速重新定位和校正；增加机位时成本较低；摄像机可自由运动，不受任何限制。

缺点：覆盖范围小，容易受到红外反射面(如橡胶运动鞋、金属反射面等)的影响；对演播室高度及可支持的机位数有一定的限制；红外摄像机与接收器之间不能有遮挡，所以对道具放置的要求比较苛刻；对镜头运动的支持精度不及机械方式的镜头编码器；须要在摄像机上安装传感装置，可能会对其它设备如提示器的安装产生影响。

混合系统

混合系统实际上就是采用多种跟踪技术的综合系统。从某种角度讲，红外系统也是混合系统——它将红外跟踪方式与机械编码器结合起来使用。大多数混合系统依据一种系统提供位移和方位参数，利用另一种系统获取视角镜头参数。混合系统通过结合不同的跟踪系统来提高跟踪的精确性和可靠性。比如，机械跟踪和红外系统结合，可获得更大的拍摄自由度，同时能保证变焦范围较大时由机械云台提供参数的精确性。

跟踪技术的选择

电视台在选择虚拟演播室时，应根据实际情况，选择最适合自己的跟踪解决方案。除了对各种跟踪技术有详细的了解之外，还必须考虑其它一些问题，如附表所示。

此外，还要考虑系统的可靠性、可扩展性、易维护性，软硬件兼容性等因素。

表1 各种跟踪技术的比较