虛擬演播室技術(shù)在教學(xué)資源建設(shè)中的應(yīng)用研究

武增強

（天津廣播電視大學(xué)教學(xué)資源管理與建設(shè)處 中國 天津 300191）

0 引言

虛擬演播室技術(shù)是新興的融合計算機(jī)虛擬現(xiàn)實與傳統(tǒng)演播室色鍵摳像以及多媒體、三維和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合媒體技術(shù)。通過虛擬演播室技術(shù),計算機(jī)制作的三維虛擬場景與攝像機(jī)拍攝的人物活動圖像進(jìn)行數(shù)字化實時合成, 使人物與虛擬背景能夠同時變化,實現(xiàn)兩者緊密融合。它的出現(xiàn)豐富了演播室的表現(xiàn)手段，為觀眾呈現(xiàn)了更加新奇的視覺體驗，同時節(jié)省了大量演播室建設(shè)的時間和經(jīng)費。

在教育領(lǐng)域中，建設(shè)豐富多彩的教育視頻節(jié)目是教學(xué)資源建設(shè)的重要目標(biāo)之一。 當(dāng)前，教育視頻節(jié)目主要由教育機(jī)構(gòu)自身制作，環(huán)境、布景和場地的經(jīng)費投入相對有限,而虛擬演播室技術(shù)正好滿足了這種需求。 其有效利用演播室資源、降低搭建布景成本、豐富表現(xiàn)形式手段、使制作者擁有更大的想象空間和創(chuàng)作空間等優(yōu)點是傳統(tǒng)演播室所無法企及的。尤其是制作教育視頻節(jié)目時有許多內(nèi)容上的要求, 如表現(xiàn)宏觀天體與微觀世界、抽象的科學(xué)技術(shù)原理等,虛擬演播室技術(shù)在表現(xiàn)虛擬現(xiàn)實方面的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。

1 虛擬演播室的基本原理

所謂虛擬演播室技術(shù)就是利用色鍵摳像技術(shù)更換視頻背景，再用由計算機(jī)制作的二、三維場景替換被色鍵摳除的藍(lán)箱背景，利用計算機(jī)三維圖形技術(shù)和視頻合成技術(shù)，根據(jù)前景攝像機(jī)的位置焦距等參數(shù)，使三維虛擬場景的透視關(guān)系與前景保持一致，通過色鍵器合成，使前景中的人物、道具看起來完全處于計算機(jī)生成的虛擬場景中， 從而創(chuàng)造出逼真、立體的演播室效果。

虛擬演播室系統(tǒng)組成按功能分為視頻、 音頻、 虛擬、通話、TALLY、藍(lán)箱燈光等子系統(tǒng)。 簡單描述其工作流程為：在演播室搭建一個藍(lán)箱替代實景演播區(qū)背景，進(jìn)行高均勻度的布光。 攝像機(jī)拍攝主持人在藍(lán)箱上的前景視頻信號，并輸入到虛擬演播系統(tǒng)主機(jī)中。 同時攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)采集到的攝像機(jī)運動參數(shù)被送到虛擬場景生成系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)實時生成相應(yīng)的虛擬場景，使背景與前景的空間透視關(guān)系保持一致。 將前景信號進(jìn)行色鍵處理，把藍(lán)箱換成電腦制作的虛擬場景，再與前景掩膜合成后形成節(jié)目輸出。 這樣，制作人員就可以在一塊場地、一臺虛擬設(shè)備上分別制作多個不同風(fēng)格的節(jié)目，且場景可以隨時、任意的修改。

2 虛擬演播室的主要技術(shù)

從系統(tǒng)架構(gòu)上看， 虛擬演播室技術(shù)包括攝像機(jī)跟蹤技術(shù)、三維場景造型與掩膜生成技術(shù)、背景藍(lán)箱技術(shù)、色鍵摳像合成技術(shù)、燈光技術(shù)等幾個主要部分。

2.1 攝像機(jī)跟蹤技術(shù)

攝像機(jī)跟蹤技術(shù)是虛擬演播室中的一項關(guān)鍵技術(shù)，是指在節(jié)目拍攝過程中實時獲取攝像機(jī)在演播室中的實際位置參數(shù)和動作參數(shù)。 包括攝像機(jī)鏡頭參數(shù)、云臺運動參數(shù)、攝像機(jī)空間位置和角度參數(shù)。 借助參數(shù)判斷攝像機(jī)、前景人物、虛擬場景之間的相對位置關(guān)系，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)真實攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)的鎖定。 使虛擬場景產(chǎn)生對應(yīng)的變化，與前景真實地結(jié)合在一起。 目前應(yīng)用較多的跟蹤技術(shù)有機(jī)械傳感、圖形識別、紅外線跟蹤、超聲波定位等方式。

2.2 三維場景造型與掩膜生成技術(shù)

虛擬演播室中的背景圖像可以是來自錄像機(jī)的動態(tài)圖像，也可以是靜止圖像，使用最多的是由計算機(jī)創(chuàng)作的三維虛擬場景。 虛擬演播室的三維場景是立體的, 景物具有縱深方向的厚度。它能同時提供虛擬后景和虛擬前景,拍攝主體可以在前景和后景之間穿插運動, 從而增強視覺效果的縱深感和真實感。

首先要對場景中的所有物體進(jìn)行建模，也就是設(shè)計物體的外形和尺寸。 場景制作功能包括虛擬物件控制模塊和動作編輯模塊兩部分。 其中，可以對虛擬場景中每個獨立的虛擬物件進(jìn)行調(diào)整該物件的大小、位置、朝向等。 我們還可以在系統(tǒng)中設(shè)定某個虛擬物件的動作，包括設(shè)置物件的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等等。 虛擬場景和物件的尺寸都是根據(jù)演播室的實際大小而設(shè)計的。 這樣可以做到虛擬場景與實景和主持人的尺寸大小相符，便于操作人員隨時進(jìn)行調(diào)整。

同時背景實時生成系統(tǒng)與攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，在攝像機(jī)運動參數(shù)控制下實時渲染、生成與拍攝主體有正確透視關(guān)系的前景和背景圖像。

2.3 背景藍(lán)箱技術(shù)

虛擬演播室的藍(lán)箱與普通鍵特技摳像的藍(lán)背景不同，技術(shù)要求較高。 要求背景平滑且具有空間感，尤其是所有轉(zhuǎn)角處的圓弧應(yīng)平滑過渡。 通常拍攝空間的兩面或三面墻和地面為藍(lán)色，該藍(lán)色應(yīng)為純正的色鍵藍(lán)色，以獲得最好的色鍵效果；天花板則利用“虛擬藍(lán)背景”技術(shù)，制作一個“虛擬天花板”來遮擋住頂棚上的燈具。 為保證全景鏡頭的使用，照射在藍(lán)背景上的光線必須均勻且沒有反光點。 否則一些使用網(wǎng)格定位的定位系統(tǒng)會產(chǎn)生錯誤判斷，引起圖像抖動，摳像效果也會變差。

2.4 色鍵摳像合成技術(shù)

虛擬演播室的色鍵摳像合成技術(shù)是指，處理攝像機(jī)在綠色或藍(lán)色背景中拍攝的真實景物視頻信號時，運用色鍵技術(shù)指定色度和飽和度值，圖像信號中與這個指定數(shù)據(jù)相同的區(qū)域?qū)⒈粨溉ィ贡粩z主體同純色背景分離。 摳去的背景區(qū)域被虛擬場景所替代，完成圖像的合成。 在合成圖像時，為使拍攝主體圖像與虛擬場景準(zhǔn)確地合成，要保持真實攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)的運動參數(shù)一致并始終保持同步。 色鍵分離的效果對制作節(jié)目的質(zhì)量影響很大，它與藍(lán)背景、制作環(huán)境燈光和攝像機(jī)有關(guān)，同時色鍵器本身的質(zhì)量也很重要。

2.5 燈光技術(shù)

在虛擬演播室節(jié)目制作中燈光所起的作用十分關(guān)鍵。 應(yīng)運用立體布光的理念。先前景布光，后藍(lán)箱布光?？紤]三基色柔光燈發(fā)光面積大，對主持人布好光后，必將在藍(lán)箱上產(chǎn)生一定的光照度。 針對虛擬演播室的多個機(jī)位，藍(lán)箱要被布光得非常均勻。 尤其是藍(lán)箱的地板和墻面，防止出現(xiàn)地面與背景部分顏色深淺不一的現(xiàn)象。 如果主持人以坐姿出現(xiàn)，要求燈光在人身上和道具桌椅上的照射均勻。 主持人及真實道具在藍(lán)箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進(jìn)入虛擬空間。要合理調(diào)配燈光， 使前景與虛擬背景的照明亮度及方向匹配。 實際光源和虛擬合成光源之間的同步變化也很重要。 因此，虛擬演播室的布光照射越全面、越均勻，摳像效果越好，人物在場景中的感覺越真實。

3 虛擬演播室技術(shù)在教學(xué)資源建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 運用虛擬演播室技術(shù)進(jìn)行教學(xué)資源建設(shè)的設(shè)計原則

運用虛擬演播室技術(shù)進(jìn)行教學(xué)資源建設(shè)時需要把握好設(shè)計原則，充分使這種先進(jìn)的技術(shù)手段融于高質(zhì)量教育資源的制作中，創(chuàng)建特定的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者沉浸于其中，從而能夠輕松自如地學(xué)習(xí)知識獲取技能，充分實現(xiàn)教學(xué)目的。

設(shè)計原則主要有以下幾點:

（1）教學(xué)性：要適應(yīng)學(xué)科知識特點，適應(yīng)教學(xué)對象特點，應(yīng)該在分析教學(xué)內(nèi)容、明確教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇適用虛擬演播技術(shù)表現(xiàn)的內(nèi)容。 尤其對難以理解，抽象復(fù)雜，教師用語言和常規(guī)方法不易講清的內(nèi)容， 需要借助虛擬演播技術(shù)，利用多媒體動畫演示的形式，調(diào)動文字、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等多種媒體信息為教學(xué)服務(wù)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣倍增，注意力集中，思維活躍，增強對知識的理解和記憶。

（2）科學(xué)性：利用虛擬演播技術(shù)制作的教育資源應(yīng)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，不僅要有系統(tǒng)的學(xué)科知識體系，引用的資料必須準(zhǔn)確，內(nèi)容表述清晰準(zhǔn)確。 同時在表現(xiàn)手法和形式上要符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律和思維特點。

（3）技術(shù)性：根據(jù)教學(xué)設(shè)計的要求，利用虛擬演播各項技術(shù)，可以輕松的創(chuàng)設(shè)環(huán)境，制作各種逼真的場景，還可以對一些抽象復(fù)雜的內(nèi)容進(jìn)行動畫演示，使學(xué)生獲取直觀的形象。

（4）規(guī)范性：利用虛擬演播技術(shù)制作的教育資源，要求屬性完備，符合相關(guān)規(guī)定的要求，便于拓展。

（5）藝術(shù)性：利用虛擬演播技術(shù)制作的教育資源應(yīng)當(dāng)具有較高的藝術(shù)性，有強烈的吸引力、感染力和表現(xiàn)力。 它不僅能獲得良好的教學(xué)效果，而且使學(xué)習(xí)者獲得美的享受，是內(nèi)容與藝術(shù)的完美統(tǒng)一。

3.2 虛擬演播室技術(shù)在教學(xué)資源建設(shè)中的應(yīng)用方向

虛擬演播室技術(shù)更多的運用在教學(xué)視頻資源的建設(shè)中，主要應(yīng)用方向有：

（1）制作虛擬背景，降低制作成本：在制作教學(xué)視頻資源時，有可能同時制作多門課程。由于演播室的場景必須要與視頻資源的內(nèi)容相符合， 制作每門課程所需的演播室場景應(yīng)不相同，理論上每門課程都要有一個演播室。而虛擬演播室利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以制作出各種形式與主題相配的場景。其置景輕松，換景方便，可實現(xiàn)演播室復(fù)用，及大拓展演播空間。 節(jié)省了時間成本和布景、制作道具等的人力、物力成本。

（2）虛擬教學(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)習(xí)視角：教學(xué)視頻資源所表現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，從微觀的核物理到宏觀的天文學(xué)，包羅萬象、無所不有，其中的大部分內(nèi)容，現(xiàn)有的攝像手段無法表現(xiàn),或還不能充分表達(dá)其復(fù)雜過程。 而虛擬演播室技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，表現(xiàn)這部分內(nèi)容則有很大優(yōu)勢。 尤其是虛擬演播室中虛擬攝像機(jī)的運用，為我們提供了學(xué)習(xí)的全新視角。

（3）虛擬移動場景，增添節(jié)目活力：在教學(xué)視頻資源制作中，虛擬背景結(jié)合移動場景功能，可將視頻及動畫插入到節(jié)目制景中。如在背景中以顯示器的形式展示動畫，而且其透視關(guān)系與背景完全一致。 通過移動場景將教師講授的內(nèi)容與實例在畫面上播放， 從而一改以往講授型教育節(jié)目中以教師頭像為主的呆板風(fēng)格，而給節(jié)目增添活力,帶來耳目一新的感覺。

（4）虛擬環(huán)境合成，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境：在藝術(shù)類、文學(xué)類視頻教學(xué)資源制作中，多運用虛擬演播室技術(shù)創(chuàng)設(shè)與教學(xué)情境相協(xié)調(diào)的環(huán)境。依靠生動豐富的虛擬場景烘托教學(xué)氣氛,增強教學(xué)效果。 教師不一定要去實景拍攝,借助已有的外景素材,就能實現(xiàn)教師從演播室背景到藝術(shù)殿堂、文學(xué)情境等場景的轉(zhuǎn)換, 效果與實拍外景大體相同,大幅提高外景講授型教材的教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

虛擬演播室作為新興的綜合媒體技術(shù)，在應(yīng)用中已經(jīng)證明了其無可比擬的優(yōu)勢。 盡管現(xiàn)階段虛擬演播室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠廣泛，但隨著現(xiàn)代學(xué)習(xí)需求的變化和虛擬演播室技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，該技術(shù)會被更好更多的應(yīng)用于教學(xué)資源建設(shè)中。

［1］王忠偉,奚磊,李民.氣象虛擬演播室燈光系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2012,06：20-21.

［2］張儉,司大劍.虛擬演播室技術(shù)及故障排查[N].電子報，2012-05-13（014）.

［3］季偉強.虛擬演播室技術(shù)在教育電視中的應(yīng)用探索[J].中國有線電視,2006,06：580-583.

［4］董武紹,李端強.對高校虛擬演播室建設(shè)的探討[J].電化教育研究,2007,02：62-64.