虚拟演播室作为由计算机图形计算生成系统、摄像机及其传感跟踪系统、色键器以及视/音频切换器构成的综合节目制作系统，以其使用灵活方便、效果丰富、节省资源等诸多优点，在近几年得以迅速推广使用。虚拟演播室技术发展到今天应该说已经比较成熟，虽然所基于的原理是基本一致的，但不同厂商所推出的虚拟演播室在具体结构和采用的技术方面也不尽相同，本文仅对虚拟演播室的重要组成部分——传感跟踪系统的几种主要技术解决方案作以简要分析。

一、 虚拟演播室的系统构架

任何的虚拟演播室系统无非都是由以下这四部分组成：

  ①获取摄像机运动的传感跟踪系统。

  ②生成与摄像机运动相匹配的虚拟背景渲染系统。

  ③控制、选择摄像机的前景通路系统，包括切换器、特技台和前景视频延时器等。

  ④将前景、背景无缝合成的键控系统，大部分是运用RGB三基色的色键系统，也有运用深度键的系统。

  由于背景渲染系统的不同，直接影响到摄像机传感跟踪系统的不同，这样也就形成了两种不同虚拟演播室系统的分类——二维半虚拟演播室和真三维虚拟演播室。所谓二维半虚拟演播室，其背景渲染系统会根据摄像机的动作参数，针对一幅已经渲染好的场景位图文件进行诸如平移、旋转、缩放的再渲染（在多机位的系统中，它将会对不同视角的场景位图分别进行渲染）。正因为渲染系统只是对一幅预渲染的位图文件进行再渲染，虚拟场景物体之间以及它们与前景物体之间的透视关系不会改变，所以它只能支持摄像机的平摇（Pan）、俯仰（Tilt）和变焦（Zoom）运动，而不能支持摄像机的移动，通常在二维半系统中采用的摄像机传感跟踪方式多为机械式（具体的传感跟踪技术将在下一部分进行介绍）。而在真三维虚拟演播室中，其背景渲染系统将会对场景的矢量文件进行实时的渲染，场景中所有物体的透视关系都会根据真实摄像机的运动而改变，所以它是完全支持真实摄像机全自由度的移动的，它可采用的摄像机传感跟踪方式就不受到限制了，可以采用机械式传感、网格识别和红外线跟踪等方式。

  在真三维虚拟演播室的渲染系统中，由于计算机的渲染工作量非常繁重，所以笔者认为采用C－S（客户机－服务器）的系统构架将会很合理。这样可以将繁重的场景渲染工作交给专门的渲染服务器，而将摄像机运动参数的采集、运算和对切换器、色键器的控制，甚至是软件界面的操作等工作都交由专门的控制客户机来完成，它与渲染服务器之间可以通过网络、串口等方式进行数据交换，这样就实现了渲染和控制很好的分工，大大提高了这两方面的效率。

二、 传感跟踪系统解决方案的技术比较和分析

  为了将蓝箱中的演员、道具完美的融合在虚拟场景的空间里面，特别是在摄像机运动的时候，精确、同步的采集摄像机运动参数，包括摄像机的位置坐标X、Y、Z和平摇（Pan）、俯仰（Tilt）和变焦（Zoom）的参数，甚至是聚焦（Focus）的状态，成为虚拟演播室系统的技术关键。从虚拟现实技术的原理上说，通过传感跟踪系统，实现虚拟空间里的虚拟摄像机的运动、状态与真实摄像机完美的匹配。所以，传感跟踪系统的精度、跟踪的平稳行，以及在电视领域中所要求的同步性，成为衡量其优劣的技术指标。下面将对三种主流的虚拟演播室传感跟踪系统做一个比较。

目前，虚拟演播室一般采用以下三种主流的摄像机传感跟踪方式：①网格识别方式（Pattern Recognition）②红外线侦测方式（Infrared Detection）③光电机械传感方式（Opto-Mechanical）。作为虚拟演播室摄像机传感跟踪的解决方案，可以单独采用这三种方式其中一种，也可以混合采用。

1、网格识别方式

  网格识别方式的原理是，通常在蓝箱漆上两种深浅不同的蓝色，例如以深蓝色作为背景，浅蓝色作为网格（如图2所示）。从摄像机拍摄的前景画面中，网格上的每一个点都是唯一的并且被一部专门用于分析、计算摄像机运动的计算机所定义，这部计算机根据前景摄像机拍摄来的每一帧画面，分析其中网格角度的变化，采用一定的数学算法，从而得出摄像机运动和状态的参数。这种方式多在国外的虚拟演播室系统中采用，并拥有其自主的专利权。据称，只要在前景画面中网格的面积占到10％以上，就具备了足够的信息来获取摄像机的运动。

  采用这种传感跟踪方式的优势和不足是显而易见的。因为它采取的是一种图像分析的技术，无需对摄像机的云台等部件以及演播室做大的改造，只需在蓝箱上漆上网格，安装、调整非常简便快捷；同时，摄像机的移动更为自由，可支持肩扛摄像机。但是，由于前景摄像机的画面必须时刻包含10％以上的网格信息，否则对摄像机的跟踪将失效，所以摄像机移动的空间受到限制。同时，对色键的抠像域度也要求更大，因  为要求色键必须同时抠掉深蓝和浅蓝部分，势必影响色键的最终抠像效果。另外，由于需要分析、计算网格信息来获取摄像机的运动参数，也增大了前景的延时时间。

最后，也由于这种方式的技术含量较高，属于国外专利，并且需要专门图像分析计算机，造价将会较高。

2、红外线侦测方式

  红外线侦测方式的原理是，通常在蓝箱或演播室的顶端加装若干个红外线的接收装置（如图3所示），在摄像机甚至演员身上加装红外线发射装置。根据处于运动状态的接收装置（如装在摄像机、演员上的接收器）接收到不同的处于固定的发射器信号的差量，计算出运动物体的运动状态。当然，发射器与接收器的安装方式也可以与上述相反。

  这种跟踪方式的优势在于，摄像机也可以随意移动，获得摄像机运动的时间较少，即前景延时的时间较少。同时，如果在演员身上加装红外装置，可以获知演员的景深参数，实现在虚拟空间虚拟物件的自动遮挡功能。另外，甚至可以摒弃色键和蓝箱而采用深度键进行前、背的合成。但是，采用这种摄像机传感跟踪方式不足也是很明显的：跟踪精度相对较低，是三种方式中最低的一种；容易受到演播室灯光红外分量的干扰；无法捕捉摄像机镜头的状态（如变焦、聚焦），需加装对镜头的机械式传感方式。

3、光电机械式传感方式

  光电机械式传感的原理是，在摄像机的云台、镜头、摇臂或脚轮上通过机械的方式（如齿轮、联接轴等）加装传感器，这种传感器实质上是一种光电编码器，将以上配件的机械运动传递至编码器的转轴上，编码器最终转变成数字脉冲信号，输送至计算机。所以这种方式通常也叫数字机电传感跟踪方式。光电编码器属于光栅式的传感器类型，它利用了莫尔条纹的原理。在它里面会有一个激光发射端以及一个固定的主光栅发盘和一个会随转轴转动的指示光栅发盘，从而产生莫尔条纹，莫尔条纹具有位移放大作用，通过光电元件和测量电路产生相应脉冲，从而测量出两光栅的相对位移量（即相对角度）。

通常光电编码器的精度可以达到1/1000度，所以此种传感跟踪方式的精度是最高的。另外，在虚拟演播室系统中，对由编码器送出的数字脉冲的采集也是一个技术难点。因为在电视领域中，所有电视设备信号都是由同步信号锁定的，由传感跟踪系统送来的摄像机运动的参数也不例外，也需要确定在一场的时间里面，摄像机运动的相对量是多少，否则背景移动的画面将不会和摄像机前景运动的画面同步，出现背景画面抖动、撕裂的现象。在这里会有两种技术实现手段：

A、将同步信号输入至编码器的编码电路中，用同步信号（包括场频和行频）调制编码器的数字脉冲，再发给背景渲染计算机，控制其虚拟摄像机的运动；

B、将编码器的数字脉冲直接输送至脉冲采集电路，脉冲采集电路按同步信号频率（包括场频和行频）采集需要的脉冲，如在某场某行的时间内采集若干脉冲，这样也就知道了摄像机运动的相对位移了。至于在行逆  程和场逆程的时间了，可以不用采集编码器脉冲，这样也不会影响电视画面的跟踪效果。从以上分析看来，显然采用第二种方法是较为合理，首先它不必专门给装在摄像机上面的编码器送同步信号，不需要对编码器的信号进行同步调制，这样整个传感跟踪系统不需要延时，降低了整个前景通路系统的延时时间。同时，它的数据采集方法也是更为有效率的，不需要采集处于行、场逆程时段无用脉冲信号。

  另外，在采用光电机械传感的方案，存在一个摄像机镜头张角拟合的过程。因为摄像机镜头的变化不象平摇（Pan）、俯仰（Tilt）或摄像机移动（Move）等动作，这些动作的增量与编码器转角的增量在数学上是线性的关系，可以通过乘以一个系数（如齿轮传动比）直接计算出虚拟摄像机动作的增量。而摄像机张角的增量与镜头传感器转角的增量在数学上是非线性的关系。

  蓝色曲线表示摄像机真实张角与镜头传感器转角之间的数学关系，它们是非线性的，并且有一个区域，而且不同型号的镜头这条曲线的形状也是不同的。在这个区域我们可以采用一定的数学方法，近似的拟合出这条曲线，用来模拟虚拟摄像机张角的变化，达到虚拟摄像机张角的变化与真实摄像机张角的变化相匹配的目的。我们可以用在这段区域取点，两点之间用直线联接的数学方法拟和出这条曲线，如图5红色线段所示。显而易见，取的点越多，拟和的曲线越接近，精度越高。但是，如果取的点过多，势必增加镜头初始化过程的繁琐性。所以，在拟和的精确和操作的简单之间必须寻找一个平衡点。从大庆电视台新近购买的三维虚拟演播室U-Set系统的使用来看，系统采用的就是光电机械的传感方式，在镜头张角曲线的拟合过程中，镜头初始化程序仅仅选择了包括最大、最小值在内的五个点进行调整，就可以实现较高精度的镜头拟合，摄像机在变焦过程中，前、背景保持非常稳定的同步和一致。同时，该系统还提供了拟合文件的管理功能，如果两部摄像机使用同一种型号的镜头，可以将一部已经调整好的镜头曲线文件直接拷贝到另一部摄像机的镜头上。同时，我们用户还可以建立摄像机镜头的曲线库，供不同型号的镜头使用，使用起来非常方便快捷。

三、 结论

  通过比较、分析以上三种主流的虚拟演播室传感跟踪系统解决方案，可以得出如下表所示结论：

  从上表的比较可以看出，作为国内虚拟演播室系统的生产厂家，要开发研制出既拥有自主知识产权，又能很好满足虚拟演播室摄像机前景跟踪的技术要求，同时又能适合目前国内用户经济实力的虚拟演播室产品，光电机械传感应该成为虚拟演播室摄像机传感跟踪系统的首选。