随着电子产业的发展、硬件成本下降以及图像视频处理各种算法不断推陈出新，视频处理技术在工业、商业以及民用方面已经达到实用的阶段。在视频处理技术快速发展的环境下，虚拟广告系统应运而生。虚拟广告技术在电视节目播出中提供大量虚拟信息，如三维动画、虚拟广告牌、虚拟信息提示等。这些虚拟信息提供大量观众单纯从节目本身无法或很难得到的信息，不仅丰富了节目的内容，而且还提供了新的广告形式，能产生巨大的经济效益和社会效益。虚拟融合技术使得虚拟物体与视频场景在几何位置和光色度上保持一致性，虚拟物体完全融入到视频场景中，给观众强烈的真实感。本文主要对高清体育视频中实时摄像机运动跟踪技术和虚拟广告区域快速前景分割技术进行了研究，旨在研究虚拟融合技术在高清数字视频时代的可行性和实用性。首先，设计并实现了高清音视频同步采集系统，实时采集HD-SDI高清音视频数据。本文采用DirectShow来实现高清音视频的采集功能。高清音视频同步采集系统可以针对不同的视频采集卡进行高清音视频采集，并实现了Filter过滤器中的回调函数，可以在回调函数中实现对视频的融合以及为其他模块处理提供视频流数据。其次，利用GPU中CUDA框架的并行运算和高速浮点计算特性，提出并实现了基于GPU的摄像机运动跟踪算法。论文阐述了基于自然特征点匹配的运动跟踪算法和基于Hough空间变换的运动跟踪算法的具体实现流程。通过GPU加速和优化的摄像机运动跟踪算法，将求解场地线端点信息和获得摄像机的投影变换矩阵的时间消耗，从每帧193ms提升到了每帧16ms，大大提高了摄像机跟踪算法在处理高清视频的能力。最后，提出了基于可靠背景模型的运动目标分割算法和基于GPU的运动目标分割算法。基于可靠背景模型的运动目标分割算法能够达到了准确分割前景目标的要求，但在实际应用中却发现存在相机大幅度移动和高清视频大数据实时处理问题。基于GPU的运动目标分割算法，主要利用GPU并行处理技术来动态构建背景模型和分割运动目标。基于GPU的运动目标分割算法技术很好地解决了摄像机移动和高清视频大数据量实时处理的问题。本文提出的高清视虚拟融合技术的可行性在高清音视频采集融合系统中得到充分验证。系统表明这几项技术在不同体育视频中具有较好的实用效果。