教學(xué)用虛擬演播室的選型探索

孟慶華

中國教學(xué)儀器設(shè)備總公司 北京 100032

虛擬演播室技術(shù)的實質(zhì)是將電視攝像機現(xiàn)場拍攝的人物活動圖像與計算機中虛擬攝像機實時生成的三維場景，通過色鍵技術(shù)實時合成以獲得完美的合成畫面的技術(shù)。并且，當電視攝像機進行推、拉、搖、移取景構(gòu)圖變化時，人物與虛擬場景能夠同步實時地變化，從而實現(xiàn)真實與虛擬天衣無縫的圖像融合與動作的完全匹配。由于場景是計算機生成的，這使得豐富多彩的演播室現(xiàn)場畫面和動態(tài)場景設(shè)計可隨心所欲地進行創(chuàng)意和實現(xiàn)，并可以在瞬間進行更換。不僅提高節(jié)目制作的效率和演播室的利用率，而且主持人擺脫物理上的空間、地域、道具等的限制，完全置身于虛擬的環(huán)境中自由發(fā)揮，實現(xiàn)傳統(tǒng)演播室無法實現(xiàn)的拍攝效果，使電視節(jié)目制作進入一個全新的境界。

1 虛擬演播室的應(yīng)用分類和特點

按照應(yīng)用場合來分，虛擬演播室目前可以分為電視臺用虛擬演播室、氣象臺用虛擬演播室和學(xué)校教學(xué)用虛擬演播室三大類。

1.1 電視臺用虛擬演播室

電視臺是最早應(yīng)用虛擬演播室的場所，也是目前應(yīng)用最多和最廣泛的場所。虛擬演播室的誕生給節(jié)目制作人員帶來無限的創(chuàng)意空間，大大提高電視節(jié)目的創(chuàng)作水平。尤其是在受設(shè)備和演播室大小局限的電視臺，虛擬演播室的虛擬布景可使節(jié)目制作人員突破這些限制，隨意設(shè)計，隨時修改，可以制作出場面宏大的背景，制作出一些不可能在現(xiàn)實中出現(xiàn)的影像效果，即用小演播室來實現(xiàn)大演播室拍攝的效果。并且，還能充分發(fā)揮創(chuàng)作人員的藝術(shù)創(chuàng)造力及想象力，創(chuàng)作出高質(zhì)量的電視節(jié)目，滿足廣大觀眾的欣賞要求。電視臺使用虛擬演播室既節(jié)省建筑面積，節(jié)省燈光配置和搭建道具費用，又能實現(xiàn)真實演播室所不能實現(xiàn)的效果，實現(xiàn)多個電視欄目的流水線作業(yè)，減少重復(fù)配置。技術(shù)上，電視臺對虛擬演播室功能性模塊的要求不高，所以通常選用普通的虛擬演播室就可滿足需要。但由于節(jié)目播出的需要，電視臺對虛擬演播室合成的圖像質(zhì)量要求較高。因此，新建設(shè)的電視臺用虛擬演播室多以高清或高標清兼容系統(tǒng)為主。

1.2 氣象臺用虛擬演播室

全國各地的氣象臺也是虛擬演播室生產(chǎn)廠家大客戶群。虛擬演播室在氣象節(jié)目制作上的廣泛使用讓天氣預(yù)報節(jié)目更加直觀。虛擬演播室不僅可以模擬各種天氣現(xiàn)象，如臺風(fēng)、海嘯等場面，而且可以借助其合成技術(shù)讓主持人不離開藍箱，通過遠端傳送來的外視頻在雨雪等現(xiàn)場解說，提高氣象節(jié)目的新聞性。利用計算機的虛擬背景和虛擬人物可以實現(xiàn)氣象節(jié)目主持人和虛擬人物及背景互動，讓氣象節(jié)目更新奇、神秘。

針對氣象臺專門開發(fā)的虛擬演播室，還可以輸入原始地理數(shù)據(jù)以及云頭、氣流、雨雪、冰雹、泥石流、地形地貌等氣象符號，經(jīng)過合理優(yōu)化建立三維地形和對地形實時渲染，實現(xiàn)電視氣象節(jié)目由平面示意型向三維寫實型跨越，使電視氣象節(jié)目以更加精確真實的內(nèi)容、更加生動形象的視覺感受呈現(xiàn)給觀眾。例如，因為使用專門針對氣象臺開發(fā)的氣象用虛擬演播室，2009年河北省氣象影視中心制作的天氣預(yù)報、生活資訊、農(nóng)業(yè)氣象、交通旅游等四類節(jié)目在第七屆全國電視氣象節(jié)目觀摩評比中均獲得綜合一等獎。

1.3 教學(xué)用虛擬演播室

相對于電視臺和氣象臺而言，學(xué)校是對虛擬演播室功能要求最高的使用場所。但由于選型不當，許多學(xué)校的虛擬演播室還僅局限于學(xué)校校內(nèi)新聞和普通節(jié)目制作。事實上，教學(xué)用虛擬演播室除了制作學(xué)校新聞、訪談和教學(xué)專題外，還可以用于遠程教學(xué)、精品課程制作和實時播出、實訓(xùn)課教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等。下面介紹教學(xué)用虛擬演播室的應(yīng)用。

1）實時教學(xué)動畫、教學(xué)圖表和曲線的生成與播放。在錄制教學(xué)精品課時，用教學(xué)用虛擬演播室能實時渲染靜態(tài)場景和物體的簡單縮放、旋轉(zhuǎn)和沿路徑的運動功能，也能把抽象概念模型的任意變形功能實時渲染。并且根據(jù)課堂需要，教師可隨時繪制相關(guān)圖表和曲線等。這些都能被實時地渲染后供教師隨時調(diào)用和播放。這在理工科教學(xué)中有著非常重要的意義，實時對物體和抽象概念的模型以及圖表進行實時渲染，所產(chǎn)生的教學(xué)效果是普通錄播教室所不能實現(xiàn)的。

2）PPT電子教案在任意物體表面開窗口并顯示。PPT是教師常用的教學(xué)手段，在教學(xué)虛擬演播室里，PPT電子教案可以在場景中的任意物體表面以開窗口的形式顯示，可通過界面操作任意放大、縮小，或改變位置、形狀，也可以通過攝像機任意進行推拉，讓整個場景和構(gòu)圖關(guān)系發(fā)生變化以方便學(xué)生記筆記。

3）演播室課堂與遠端教學(xué)現(xiàn)場或三維模型實時切換和合成。授課教師不離開演播室就能站到外景地進行教學(xué)，如實時進入工廠車間輔導(dǎo)學(xué)生操作機床，實時站在果園指導(dǎo)學(xué)生修剪果枝；也可以讓教師站在人體內(nèi)部講解器官的構(gòu)造，站在原子結(jié)構(gòu)的模型中講解電子沿其軌道運動；還可以使教師不離開藍箱就進入宇宙太空講解天體的構(gòu)造。在外景地現(xiàn)場環(huán)境下，可將虛擬場景中的任意動態(tài)、靜態(tài)元素搬到外景基地進行實時合成，使虛擬的場景模型和真實的場景現(xiàn)場進行有機合成。教師在講課時不僅可以看到近端課堂上學(xué)生的反映，同時可以看到遠端學(xué)生聽課的反應(yīng)情況，學(xué)生在看到教師授課的同時也能看到自己。而且教師不離開演播室就能走到遠端聽課學(xué)生中間進行面對面的“近距離”輔導(dǎo)。

4）學(xué)生課程與畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)作。學(xué)生以虛擬演播室節(jié)目制作系統(tǒng)為平臺，做三維動畫、平面設(shè)計、節(jié)目編輯、節(jié)目包裝、計算機通訊、數(shù)據(jù)采集、程序設(shè)計等涉及計算機、圖形圖像處理、影視創(chuàng)作各個方面的課程和畢業(yè)設(shè)計工作，可以大大提高畢業(yè)論文水平。

2 教學(xué)用虛擬演播室的特別要求

根據(jù)前面所述的虛擬演播室在教學(xué)上的應(yīng)用特點來選擇虛擬演播室，才能實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代教學(xué)手段最完美的結(jié)合，才能從真正意義上實現(xiàn)三維生動的多媒體教學(xué)。但是，針對電視臺和氣象臺開發(fā)的虛擬演播室是很難滿足或全部滿足這些教學(xué)上的應(yīng)用要求的，因此，需要選擇針對教學(xué)需求開發(fā)的教學(xué)用虛擬演播室。

2.1 初始化定位簡單方便

定位方式應(yīng)該是物理攝像機對虛擬攝像機作直接的自動初始化定位，而不應(yīng)該在攝像機前面設(shè)置任何形式的標志。不應(yīng)限定物理攝像機在演播室的架設(shè)位置，更不能限定授課教師的位置，也不應(yīng)做任何的手工測量和計算。電教節(jié)目制作人員在演播室藍箱前面任何理想的取景位置架設(shè)好攝像機后，應(yīng)在瞬間由計算機自動完成多個機位的初始化定位并開始工作，不再有任何復(fù)雜的調(diào)整和限制，做到隨架設(shè)隨使用。

2.2 色鍵要求

教學(xué)節(jié)目不同于一般影視節(jié)目，教師不像演員那樣在強的燈光下表演，而是在自然的環(huán)境中授課。因此，色鍵應(yīng)對燈光無苛刻要求，對藍箱也無苛刻要求。即使是在只有一盞燈，藍箱也不干凈的情況下，也應(yīng)獲得滿意的色鍵效果。色鍵應(yīng)在同一參數(shù)下能同時色鍵出頭發(fā)絲、陰影、半透明教學(xué)物體、亮藍色、實驗煙霧等，實現(xiàn)柔和自然的輪廓邊緣和正確的膚色還原，這樣制作和播出的效果才能滿足教學(xué)需要。

2.3 實時渲染要求

因為教師通常使用通用計算機軟件，所以虛擬演播室應(yīng)接受3D Max、Maya、Softimage等通用軟件建模。所建的模型無需任何修改，就應(yīng)該可以直接導(dǎo)出在虛擬演播室中使用。所建三維場景物體應(yīng)有足夠多的三角面，否則就很難使教學(xué)演示的物體或抽象模型精細，出而影響教學(xué)效果。允許所建三維場景物體的三角面越大越好。物體表面貼圖紋理量的大小直接影響到場景的視覺效果，如果貼圖紋理量的大小受限制，就很難制作出效果滿意的教學(xué)場景，因此，貼圖紋理量應(yīng)該是越大越好。物體表面貼圖分辨率直接影響到場景特寫鏡頭的清晰度，允許的貼圖分辨率越高越好，并且能夠做實時的插值和剔除處理，保證特寫時不出現(xiàn)馬賽克、全景時不爬行或閃爍。應(yīng)允許在任意物體表面播放外視頻和動畫，才能實現(xiàn)各種教學(xué)媒體的有機結(jié)合。同時，應(yīng)支持多機位同時實時渲染，以滿足多機位的前景與背景同幀逆程實時切換。

2.4 特有的教學(xué)功能模塊

教學(xué)上使用虛擬演播室的應(yīng)用特點決定了其功能模塊不同于氣象臺和電視臺對虛擬演播室的功能要求。教學(xué)用虛擬演播室除了應(yīng)該具備電視臺用虛擬演播室的基本功能外，至少還應(yīng)該具有：1）實時教學(xué)動畫生成與顯示模塊；2）教學(xué)動畫實時任意點播模塊；3）PPT電子教案在任意物體表面開窗口顯示模塊；4）臺詞與圖文實時創(chuàng)作生成顯示模塊；5）實時字幕在任意物體表面映射生成顯示模塊；6）實時圖文特技播控模塊；7）常用教學(xué)圖表和曲線實時生成顯示模塊；8）演播室課堂與外景地教學(xué)現(xiàn)場實時切換生成顯示模塊；9）演播室教學(xué)動畫與外景地教學(xué)現(xiàn)場實時合成模塊；10）本地課堂教師與遠端教室學(xué)生面對面教學(xué)交互模塊；11）學(xué)生課程與畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)作環(huán)境模塊。

3 總結(jié)

虛擬演播室在教學(xué)上的應(yīng)用可以從根本上改善傳統(tǒng)的演播室錄制課程和教學(xué)直播的諸多缺陷。但是如果不能正確選擇好教學(xué)用虛擬演播室，就無法發(fā)揮虛擬演播室在教學(xué)上的作用。因此，根據(jù)教學(xué)應(yīng)用的特點來選擇虛擬演播室是學(xué)校虛擬演播室建設(shè)中最重要的因素。必要時，學(xué)校應(yīng)和生產(chǎn)廠家共同開發(fā)具有自己特色的虛擬演播室，用虛擬演播實驗室來實現(xiàn)更多傳統(tǒng)教學(xué)方式所不能實現(xiàn)的教學(xué)效果。

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