基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字演播室及其教育應(yīng)用研究

梁驥

（寧波廣播電視大學(xué)文法系,浙江寧波315016）

數(shù)字虛擬演播室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在影視節(jié)目制作上的一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和色鍵技術(shù)不斷改進(jìn)，虛擬演播室進(jìn)入了成熟的實(shí)用階段。傳統(tǒng)的色鍵技術(shù)只是將演播室拍攝的主持人進(jìn)行摳像，并沒有記錄主持人和攝像機(jī)的位置及透視關(guān)系，所以畫面立體感不強(qiáng)，一般只適合制作兩維的合成畫面節(jié)目。而虛擬演播室是將攝像機(jī)拍攝到的畫面進(jìn)行摳像然后和事先制作好的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行合成，攝像機(jī)拍攝時(shí)使用跟蹤技術(shù)，從而可以使得攝像機(jī)拍攝的畫面可以和虛擬場(chǎng)景完美融合，不管是攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)還是主持人的活動(dòng)，合成的畫面都會(huì)展現(xiàn)自然的立體效果。[1]

一、虛擬演播室技術(shù)的形成、發(fā)展及其原理

1.虛擬演播室技術(shù)的形成

虛擬演播室技術(shù)來源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上就是采用技術(shù)的手段營造出一個(gè)虛擬的環(huán)境，給人以真實(shí)的感覺。換句話說，就是使用技術(shù)的手段欺騙我們的感官，讓我們把虛擬的環(huán)境當(dāng)成是真實(shí)的世界。在這個(gè)人為營造的虛擬世界里，我們可以實(shí)現(xiàn)所有我們想要的事情，可以這么說：“只有想不到，沒有做不到”。沉浸其境、實(shí)時(shí)交互作用、自由構(gòu)想構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征。[2]

“沉浸+交互作用+構(gòu)想=虛擬現(xiàn)實(shí)”，虛擬現(xiàn)實(shí)是信息科學(xué)領(lǐng)域中的新技術(shù)，由于其廣泛的實(shí)用性，引起多學(xué)科領(lǐng)域的重視。現(xiàn)在不僅在軍事、建筑、醫(yī)療、教育、娛樂、培訓(xùn)等方面得到應(yīng)用，而且正在步入電影及廣播電視制作系統(tǒng)之中，形成了虛擬演播室技術(shù)。

2.虛擬演播室的發(fā)展

1978年，Eugene L.首先提出“電子布景”的概念，他認(rèn)為將來的電視節(jié)目制作不需要真實(shí)的布景，演員在一個(gè)空演播室里就可以完成節(jié)目制作，所有的布景都是使用電子系統(tǒng)生成的。歐洲IMP和VAP公司在1994年的IBC展覽會(huì)上首次公開推出了虛擬布景系統(tǒng)。1997年的NAB上，以生產(chǎn)軍用和商用飛行模擬器而聞名的美國Evans&Sutherland公司推出了Mindset虛擬演播室系統(tǒng)，該系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能、簡便的操作以及低廉的價(jià)位獲得了一致好評(píng)，并被NAB評(píng)為當(dāng)年的十大數(shù)字產(chǎn)品之一。

許多虛擬演播室廠家一直進(jìn)行這一技術(shù)的開發(fā)研究，并不斷把自己的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，國外的相關(guān)產(chǎn)品有GMD公司的3DK系統(tǒng)、Orad公司的Cyberset系統(tǒng)、Accom公司的 Elset系統(tǒng)、Evans and Sutherland公司的MindSet系統(tǒng)、Discreet Logic公司的Vapour系統(tǒng)等等，其中以色列兩家公司的RT-Set和ORAD系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。目前國內(nèi)也有大洋、新奧特、奧維訊、宏源等多家廠商推出成熟的虛擬演播室產(chǎn)品，其性能并不遜色于國外產(chǎn)品。

虛擬演播室技術(shù)發(fā)展的歷史很短，而且遠(yuǎn)未達(dá)到我們的期望。但由于它比實(shí)景演播室系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)，所以被業(yè)界廣泛推薦。除了省時(shí)省力以外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給我們提供了極大的發(fā)揮想象的空間，我們可以把想象中的情景變成現(xiàn)實(shí)，制作出超出觀眾想象的新穎的電視節(jié)目畫面。[3]

3.虛擬演播室實(shí)現(xiàn)原理

虛擬演播室技術(shù)主要由攝像機(jī)和主持人的跟蹤與定位、色鍵摳像及三維虛擬場(chǎng)景的制作等組成。它的基本原理是：用攝像機(jī)拍攝前景圖像，通過幀延時(shí)后，利用色鍵技術(shù)與經(jīng)過數(shù)字處理的高清晰度背景圖像合成，而背景圖像的生成受跟蹤攝像機(jī)的控制。這樣當(dāng)攝像機(jī)進(jìn)行變焦、俯仰、搖移等操作時(shí)，背景圖像也會(huì)作相應(yīng)的改變。通過這種色鍵合成技術(shù)產(chǎn)生的合成圖像，比傳統(tǒng)色鍵產(chǎn)生的圖像要生動(dòng)、真實(shí)得多。虛擬演播室的原理如圖1所示。

圖1 雙機(jī)位單通道虛擬演播室系統(tǒng)原理圖

“虛擬演播室”中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是如何判斷攝像機(jī)、主持人、計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景之間的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系。為了解決這種復(fù)雜的位置關(guān)系，我們需要綁定攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)真實(shí)攝像機(jī)和虛擬場(chǎng)景的信息交互。對(duì)于攝像機(jī)而言，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有推、拉、搖、移、升、降、變焦、調(diào)焦、光圈、旋轉(zhuǎn)，共10個(gè)參數(shù)，除調(diào)焦與旋轉(zhuǎn)外，其他8個(gè)參數(shù)在理論上講都是可以做到精確跟蹤的。目前虛擬演播室系統(tǒng)中較為流行的跟蹤技術(shù)主要有機(jī)械傳感器和圖形識(shí)別兩種方式，這兩種跟蹤方式就是下面所要講到的紅外線跟蹤技術(shù)和圖形輔助定位技術(shù)。

二、數(shù)字虛擬演播室的技術(shù)發(fā)展

1.紅外線跟蹤技術(shù)

紅外線跟蹤技術(shù)采用紅外線技術(shù)來確定演播室里攝像機(jī)和主持人的位置信息。我們事先將紅外線接收裝置放置于演播室的頂部，在攝像機(jī)和主持人身上安裝紅外線接收器，這樣就可以獲取攝像機(jī)和主持人在演播室里的位置信息。紅外線跟蹤技術(shù)配合”像素級(jí)”深度鍵之后，主持人可以在虛擬場(chǎng)景中自由移動(dòng)，可以走到虛擬景物的前面或后面，甚至可以走到虛擬景物的里面。

2.圖形輔助技術(shù)

圖形輔助定位技術(shù)就是使用圖形識(shí)別技術(shù)來對(duì)演播室里的攝像機(jī)和主持人的相對(duì)位置進(jìn)行判斷，從而得到他們的位置信息。節(jié)目拍攝之前，我們?cè)谔摂M演播室藍(lán)箱上方安置一臺(tái)小型輔助攝像機(jī)，在虛擬演播室藍(lán)箱對(duì)面的墻面或者天花板上安置方格圖案。這樣一來，當(dāng)節(jié)目錄制的時(shí)候，我們?cè)谒{(lán)箱上方安裝的輔助攝像機(jī)就會(huì)拍攝到演播室攝像機(jī)和主持人在方格圖案背景前面的畫面，通過對(duì)輔助攝像機(jī)畫面分析，便可以得到演播室攝像機(jī)和主持人在節(jié)目拍攝過程中的位置信息。[4]

3.高清深度鍵技術(shù)

以前我們是使用“圖層”深度鍵技術(shù)來處理主持人在虛擬場(chǎng)景中的位置關(guān)系，虛擬場(chǎng)景中的虛擬物體被分別放置在幾個(gè)不同的圖層里，主持人在虛擬場(chǎng)景中的位置是不可能做到連續(xù)變化的。目前最新的高清深度鍵技術(shù)中，虛擬場(chǎng)景畫面中每一個(gè)畫面象素都有其對(duì)應(yīng)的空間位置信息，那么主持人在虛擬場(chǎng)景中自然可以隨意走動(dòng)。高清深度鍵技術(shù)可以讓節(jié)目中的主持人、虛擬物體、真實(shí)物體表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的位置關(guān)系，使得虛擬場(chǎng)景效果變得更加完美和真實(shí)。

4.無限藍(lán)箱技術(shù)

無限藍(lán)箱技術(shù)又被稱為“垃圾色塊”技術(shù)。一般來說，虛擬演播室的藍(lán)箱的面積都不會(huì)太大 （如圖2所示），主持人一旦走動(dòng)范圍過大超出藍(lán)箱便會(huì)造成穿幫。所謂的無限藍(lán)箱就是指當(dāng)演播室攝像機(jī)在運(yùn)動(dòng)中拍攝畫面超出了藍(lán)箱本身的時(shí)候，系統(tǒng)可以把藍(lán)幕以外的畫面使用虛擬場(chǎng)景畫面進(jìn)行自動(dòng)填充。這樣一來演播室攝像機(jī)便可以不受藍(lán)箱面積所限，自由進(jìn)行運(yùn)動(dòng)拍攝，無限藍(lán)箱技術(shù)無疑從技術(shù)層面上把演播室面積進(jìn)行了擴(kuò)展。另外，這種技術(shù)還可用來制作虛擬天花板。[5]

圖2 虛擬演播室藍(lán)箱效果圖

5.三維遮擋

三維遮擋技術(shù)可以讓演播室中的主持人和虛擬場(chǎng)景中的某個(gè)虛擬物體（如講臺(tái)、桌子、椅子等）互相遮擋形成透視關(guān)系，這樣一來主持人在虛擬場(chǎng)景中的真實(shí)感得到了大大提升。

6.其它新技術(shù)

其它新技術(shù)還有很多，如虛擬陰影及鏡像反射（如圖3所示）、虛擬模糊濾鏡、虛擬運(yùn)動(dòng)濾鏡等等。

圖3 數(shù)字虛擬演播室鏡像反射效果圖

三、數(shù)字虛擬演播室系統(tǒng)的分類

隨著虛擬演播室技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其系統(tǒng)類型可大致分為以下幾種類型。

1.三維系統(tǒng)

三維虛擬演播室系統(tǒng)是目前檔次最高的技術(shù)、最先進(jìn)的系統(tǒng)，它最大的特點(diǎn)就是可以實(shí)時(shí)生成全三維的虛擬場(chǎng)景。全三維的虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染需要具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的硬件支持，所以，三維虛擬演播室中一定有性能強(qiáng)大的圖形工作站或者圖形處理設(shè)備對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)三維渲染。該系統(tǒng)采用鏡面反射、虛擬陰影以及高清深度鍵等新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)完美逼真的三維虛擬場(chǎng)景效果。[6]

2.二維系統(tǒng)

二維虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本較低，適合類似學(xué)校這樣經(jīng)費(fèi)相對(duì)緊張的單位。該系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景一般為二維圖像，演播室中的攝像機(jī)通常是固定機(jī)位，所以實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)三維系統(tǒng)來說要簡單許多。對(duì)于教育領(lǐng)域來說，對(duì)絢麗的畫面效果相對(duì)要求不高。該系統(tǒng)適合學(xué)校用于制作網(wǎng)絡(luò)視頻公開課，可以很方便地將教師講課過程中所涉及到的各類教學(xué)資料穿插合成在視頻畫面中。

3.虛擬出席

虛擬出席可以將遠(yuǎn)地的實(shí)時(shí)畫面和本地演播室的畫面完美合成在一起。也就是說，虛擬出席可以實(shí)現(xiàn)身處異地的兩個(gè)人坐在同一個(gè)虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行互動(dòng)交流。成品節(jié)目中，人們看起來他們是在同一個(gè)地方進(jìn)行互動(dòng)交流的。這一功能也適合用于網(wǎng)絡(luò)視頻公開課的制作，如教師在教學(xué)活動(dòng)的過程中便可將身處異地的專家隨時(shí)請(qǐng)到身邊與之交流。[7]

4.移動(dòng)場(chǎng)景

移動(dòng)場(chǎng)景是一個(gè)很有意思的功能，在節(jié)目拍攝中，我們可以隨意將需要的視頻或動(dòng)畫放置在虛擬場(chǎng)景里的任意物體上。當(dāng)演播室攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)拍攝時(shí)，虛擬場(chǎng)景中物體上的視頻或動(dòng)畫的畫面會(huì)隨之發(fā)生透視變化。

5.高清數(shù)字視頻

隨著視頻技術(shù)的發(fā)展，電視節(jié)目從模擬信號(hào)走向了數(shù)字型號(hào)，視頻畫面的清晰度也從標(biāo)清走向了高清、全高清。對(duì)于目前的數(shù)字虛擬演播室系統(tǒng)而言，全高清的節(jié)目制作已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

四、虛擬演播室的教育應(yīng)用

數(shù)字虛擬演播室系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，如影視節(jié)目制作、電視廣告、綜藝節(jié)目、現(xiàn)場(chǎng)訪談、體育賽事轉(zhuǎn)播、財(cái)經(jīng)互動(dòng)、氣象預(yù)報(bào)、遠(yuǎn)程教育等應(yīng)用領(lǐng)域。而目前數(shù)字虛擬演播室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也愈發(fā)的廣泛和深入。隨著多媒體教學(xué)的日趨普及，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要。多媒體教學(xué)以其生動(dòng)形象、靈活多樣的表達(dá)方式越來越受到學(xué)生的喜愛。那么我們想到更多的是如何將教師所進(jìn)行的多媒體教學(xué)活動(dòng)過程完美記錄下來，制作成網(wǎng)絡(luò)視頻課，以便放在互聯(lián)網(wǎng)上供大家分享。

目前很多學(xué)校都在研究制作網(wǎng)絡(luò)課程，從早期的簡單錄制教師上課畫面以及教師電腦畫面的分屏網(wǎng)絡(luò)課件 （如電大系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育的TOD課件、IP課件）到現(xiàn)在的全智能錄課系統(tǒng)，[8]網(wǎng)絡(luò)視頻公開課制作在很多學(xué)校已經(jīng)變得非常普及。雖然網(wǎng)絡(luò)視頻公開課的制作因?yàn)閼?yīng)用了智能錄課系統(tǒng)而變得異常簡單，但是其形式也僅限于全程簡單錄制，教師上課講到的內(nèi)容并不能很直觀地穿插在畫面中。而數(shù)字虛擬演播室在這方面可以很簡便地做到將穿插教學(xué)中的各種圖片、動(dòng)畫、視頻和教學(xué)活動(dòng)畫面進(jìn)行無縫疊加。所以在現(xiàn)代化教學(xué)模式中，數(shù)字虛擬演播室可以將教學(xué)活動(dòng)及相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行高度集成、融合，方便快捷地制作出高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻公開課。[9]

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，我們還會(huì)看到虛擬演播室可以通過網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)學(xué)習(xí)移動(dòng)終端連接起來（如智能手機(jī)、iPad平板電腦、筆記本等），學(xué)生可以通過這些移動(dòng)終端向位于虛擬演播室的教師提問，教師可以通過虛擬教學(xué)系統(tǒng)將提問學(xué)生的視頻轉(zhuǎn)發(fā)到所有在線的移動(dòng)終端上，以這樣的方式突破空間的限制，實(shí)現(xiàn)虛擬課堂教學(xué)。

五、結(jié)束語

技術(shù)永遠(yuǎn)都在進(jìn)步，數(shù)字虛擬演播室也不例外。虛擬演播室技術(shù)取代了傳統(tǒng)的色鍵摳像技術(shù)，制作技術(shù)手段也愈發(fā)先進(jìn)，從二維虛擬演播室到三維虛擬演播室，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)虛擬演播室和終端用戶的互動(dòng)交流。只要我們能想到的，從技術(shù)層面來上說，就一定可以實(shí)現(xiàn)。技術(shù)永遠(yuǎn)是為我們所服務(wù)的，隨著對(duì)數(shù)字虛擬演播室技術(shù)研究的不斷深入，其實(shí)際應(yīng)用一定會(huì)越來越廣泛、越來越深入；隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究不斷深入，數(shù)字虛擬演播室會(huì)走向互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)終端互動(dòng)，從而改變我們的生活。

[1]方莉萍.電視節(jié)目制作中的虛擬演播室技術(shù)[J].中國有線電視,2007(Z2):920-923.

[2]魏偉,馬歌.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用和展望[J].中國教育信息化,2012(1):83-84.

[3]李昌.淺析虛擬演播室的發(fā)展[J].現(xiàn)代電視技術(shù), 2011(6):112-113.

[4]王宇飛.虛擬演播室的類型及其在電視節(jié)目制作中的優(yōu)勢(shì)[J].中國有線電視,2004(Z2):112-114.

[5]孫墀.網(wǎng)絡(luò)直播數(shù)字三維虛擬演播室系統(tǒng)改造方案[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(2):65-69.

[6]朱巍峰,李震陽.數(shù)字化三維虛擬演播室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2010(12):213-216.

[7]何一輝.虛擬演播室系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)課程資源建設(shè)的研究[J].中國教育信息化,2012(1):23-25.

[8]范志孝,李玉霞.錄課室在教育教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(14):79-80.

[9]曹衛(wèi)真.中小學(xué)教師繼續(xù)教育網(wǎng)絡(luò)課程資源建設(shè)的策略[J].中國電化教育,2007(4):65-68.