高 清 虛 擬 演 播 室 建 設(shè) 的 探 索 與 實(shí) 踐

林 鐄， 陳 龍， 路 慧

(杭州電子科技大學(xué) 教務(wù)處， 杭州 310018)

0 引 言

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》指出:“加快教育信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視[1]。”隨著在線教育和移動(dòng)學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，《2015地平線報(bào)告(高等教育版)》顯示，高等教育機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)更多的在線課程[2]，微課視頻逐漸成為一種高等教育中常見(jiàn)的學(xué)習(xí)資源[3]，但部分高校的精品課程與目前高端的在線開(kāi)放課程水平還有差距，主要原因是缺少虛擬演播室這種類型的軟硬件拍攝設(shè)施[4]。虛擬演播室是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作的延伸，也是高校信息化建設(shè)的重點(diǎn)工作。

虛擬演播室是近年來(lái)在傳統(tǒng)的色鍵摳像技術(shù)基礎(chǔ)上興起的新一代視頻制作技術(shù)，融合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳統(tǒng)演播室摳像技術(shù)、三維圖像技術(shù)和視頻合成技術(shù)，將攝像機(jī)拍攝的以藍(lán)幕為背景的視頻圖像作為前景畫(huà)面實(shí)時(shí)與計(jì)算機(jī)圖形工作站的虛擬背景按照一定的透視關(guān)系進(jìn)行數(shù)字化合成，使前景畫(huà)面與虛擬背景能夠同時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)兩者完美融合[5]。高清虛擬演播室建設(shè)一般分為環(huán)境建設(shè)(聲學(xué)系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、藍(lán)箱)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)(音視頻系統(tǒng)、錄制直播系統(tǒng)、編輯制作系統(tǒng))兩個(gè)方面，兩個(gè)階段相互配合、有效銜接，與傳統(tǒng)演播室相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 不需要搭建場(chǎng)景，場(chǎng)景由計(jì)算機(jī)制作完成，可實(shí)現(xiàn)一室多用，根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如精品課程制作、實(shí)訓(xùn)課教學(xué)、校園電視臺(tái)等；② 教學(xué)內(nèi)容實(shí)時(shí)直播，可滿足遠(yuǎn)程異地教學(xué)需要；③ 能輕松創(chuàng)設(shè)出生動(dòng)的教學(xué)情景，置景輕松、交互性強(qiáng)，增強(qiáng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)感和參與感。因其具有多場(chǎng)景、多功能應(yīng)用，越來(lái)越受到高校的重視，并且在教育領(lǐng)域的應(yīng)用做了具體探索[6-7]。

1 高清虛擬演播室環(huán)境建設(shè)

高清虛擬演播室是由原有教室改造而成，原教室墻壁和天花板都是粉刷面，地面采用瓷磚，吸音和隔音功能有限，需要多方進(jìn)行改造達(dá)到規(guī)范要求。① 環(huán)境空間布局設(shè)計(jì)。將原有教室劃分成藍(lán)箱區(qū)、觀眾區(qū)、導(dǎo)播區(qū)和編輯制作室等區(qū)域；② 聲學(xué)設(shè)計(jì)。著重對(duì)原有結(jié)構(gòu)、墻面、地面、吊頂以及門(mén)窗做隔聲和吸音處理，實(shí)現(xiàn)與外部隔離和內(nèi)部噪聲控制。③ 燈光和藍(lán)箱設(shè)計(jì)。滿足前景畫(huà)面和虛擬背景完美融合。

1.1 聲學(xué)系統(tǒng)

高清虛擬演播室對(duì)聲學(xué)要求越來(lái)越高，主要包括噪聲和混響時(shí)間處理，噪聲處理的主要手段是采用隔聲措施，處理混響時(shí)間的主要手段是采用吸聲措施[8]。從吊頂、墻面、地面和門(mén)窗等多方面入手，確保演播室隔聲和吸聲要求達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范。

在原來(lái)的天花板增加隔聲吊頂，用輕鋼龍骨做柵格式吊頂，覆蓋礦棉吸音板，板與天花板之間有一定空隙，穿過(guò)吊頂?shù)穆曇艚?jīng)過(guò)頂部粉刷面仍然會(huì)被反射到礦棉吸音板上被吸收。墻面搭建輕鋼龍骨基層骨架，在龍骨中填充吸音棉，而后訂上聚酯纖維吸音板；門(mén)窗做隔聲處理，表面覆蓋吸音板，門(mén)縫隙粘貼密封膠條，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的聲音隔離。地面鋪設(shè)地膠板，耐磨、易清掃、低噪音，隔音效果優(yōu)于大理石、木地板等傳統(tǒng)地板材料，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部噪音的控制。

1.2 燈光系統(tǒng)

高清虛擬演播室中人、道具與虛擬場(chǎng)景完美融合的關(guān)鍵在于藍(lán)箱的制作工藝和合理的布光，藍(lán)箱和燈光效果直接決定摳像質(zhì)量的高低。燈光系統(tǒng)包括燈具、吊掛和調(diào)光系統(tǒng)等[9]，燈光布局圖如圖1所示。

圖1 燈光布局圖

燈具選型：對(duì)比LED燈和傳統(tǒng)燈光，鑒于LED光源技術(shù)具備傳統(tǒng)燈光不具備的產(chǎn)生熱量小、節(jié)能環(huán)保、智能亮度調(diào)節(jié)、高光效、使用壽命長(zhǎng)、能滿足高清拍攝等優(yōu)勢(shì)[10]，采用18只LED柔光燈和4只LED聚光燈，LED柔光燈分別作為背景光、頂光、面光使用，LED聚光燈分別作為輪廓光和修飾光。

燈具吊掛系統(tǒng)包括DMX512信號(hào)控制線、固定鋁合金、滑動(dòng)鋁合金軌道、燈具、電纜滑車、固定軌支架、軌道連接板和調(diào)光桿等設(shè)備。調(diào)光系統(tǒng)是一款標(biāo)準(zhǔn)DMX信號(hào)控制臺(tái)，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)推子和按鈕實(shí)現(xiàn)燈光亮度的控制，可以實(shí)現(xiàn)“一桿對(duì)一燈”、“一桿對(duì)多燈”的控制，根據(jù)視頻拍攝要求對(duì)燈光進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。

1.3 藍(lán) 箱

藍(lán)箱是一個(gè)藍(lán)色的盒子，攝像機(jī)在藍(lán)箱中拍攝的前景畫(huà)面所有藍(lán)色成分會(huì)被摳除，然后與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)合成，如果藍(lán)箱的工藝水平不能滿足高清虛擬演播室系統(tǒng)的要求，就會(huì)產(chǎn)生人物出鏡的跟蹤路徑不準(zhǔn)確的狀況[11]。因此高標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)箱是保證虛擬演播室摳像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

藍(lán)箱類型主要有I型(1墻1底式)、L型(2墻1底式)和U型(3墻1底式)3種。對(duì)比這3種類型，U型活動(dòng)空間大、攝像機(jī)受限小，能滿足建設(shè)需要。藍(lán)箱占地面積約30 m2，高出地面5 cm，結(jié)構(gòu)框架、底面、墻面部分采用方形平板連接，墻面與底面連接處采用弧形處理，避免因產(chǎn)生陰影或黑線而影響摳像質(zhì)量(見(jiàn)圖2)。經(jīng)過(guò)膩?zhàn)哟蚰?、底漆和面漆多次上漆處理，在上漆過(guò)程中，采用進(jìn)口ROSCO摳像漆，選擇滾刷更能使整個(gè)箱體涂抹均勻。底面配有一條藍(lán)色摳像地膠，避免底面重復(fù)刷漆，方便清潔和保護(hù)底面漆面，延長(zhǎng)使用壽命。

2 高清虛擬演播室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高清虛擬演播室由專門(mén)的藍(lán)箱和燈光系統(tǒng)構(gòu)成(見(jiàn)圖3)，通過(guò)多臺(tái)高清攝像機(jī)同時(shí)工作，每臺(tái)攝像機(jī)的位置、角度和景別可以根據(jù)實(shí)際的拍攝需要進(jìn)行調(diào)整；電容話筒、領(lǐng)夾話筒等拾音設(shè)備輸入調(diào)音臺(tái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量聲音采集，提高視聽(tīng)效果；錄播摳像一體機(jī)匯集攝像機(jī)、調(diào)音臺(tái)、交互式智能平板等音視頻信號(hào)，操縱導(dǎo)播臺(tái)實(shí)現(xiàn)多機(jī)位的場(chǎng)景切換，完成畫(huà)面的選取、組接、實(shí)時(shí)摳像和錄制，高質(zhì)量視頻內(nèi)容提高畫(huà)面可視性。通過(guò)校園網(wǎng)直接將音視頻信號(hào)上傳到我校的開(kāi)放式教學(xué)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)直播、點(diǎn)播和下載等功能；導(dǎo)入非線性編輯系統(tǒng)可作為素材完成精包裝視頻的制作。

圖2 改造后的藍(lán)箱實(shí)景圖

圖3 高清虛擬演播室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 音頻系統(tǒng)

音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面聲音的采集和混音，將信號(hào)輸出到錄播摳像一體機(jī)中進(jìn)行錄制，實(shí)現(xiàn)制作數(shù)字化；輸出給多媒體教學(xué)系統(tǒng)的功放，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)音。設(shè)備包括調(diào)音臺(tái)、音頻處理系統(tǒng)、監(jiān)聽(tīng)耳麥、錄音棚電容話筒、領(lǐng)夾無(wú)線話筒和手持無(wú)線話筒等。

考慮到高清虛擬演播室多用途，配置無(wú)線話筒滿足精品課程和校園電視臺(tái)節(jié)目的制作；錄音棚電容話筒具備大動(dòng)態(tài)范圍、高聲壓級(jí)、低底噪等優(yōu)點(diǎn)，能滿足演講和樂(lè)器演奏錄制要求。調(diào)音臺(tái)采用雅馬哈多功能調(diào)音臺(tái)，確保聲音純凈性，具備話筒輸入和立體聲線路輸入功能，內(nèi)建SPX效果器提供范圍廣泛聲響效果。

2.2 視頻系統(tǒng)

景別是指被攝主體在屏幕框架結(jié)構(gòu)中所呈現(xiàn)的大小和范圍，分為全景、中景、中近景、近景、特寫(xiě)5種，使畫(huà)面對(duì)事物的表現(xiàn)和敘述更有層次和重點(diǎn)[12]。為了滿足校園電視臺(tái)、精品課程制作以及學(xué)生活動(dòng)等不同應(yīng)用場(chǎng)景需求，從鏡頭豐富角度和清晰度考慮，配置多臺(tái)PMW-300K1手持式攝像機(jī)，即可滿足演播室內(nèi)拍攝，又能單獨(dú)外出拍攝。每臺(tái)攝像機(jī)分別用一根電纜連接到錄播摳像一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)位拍攝和畫(huà)面選取，能以MPEG-2 HD422錄制50Mbps的高清素材。

交互式智能平板集成了電子白板、多媒體顯示、音箱、電腦、智能觸控等多種功能于一體[13]。在錄制課程可以作為內(nèi)容呈現(xiàn)的媒介，如播放PPT、視音頻，當(dāng)提詞器使用等；也可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)教學(xué)，支持多點(diǎn)觸控，幫助老師完成知識(shí)點(diǎn)講解，更加貼近真實(shí)課堂。

2.3 錄制直播系統(tǒng)

傳統(tǒng)的錄制直播系統(tǒng)需要節(jié)目信號(hào)切換、調(diào)音臺(tái)、字幕疊加、編碼器、攝像機(jī)等在內(nèi)的多組設(shè)備完成，雖然方案成熟，但是成本高昂、攜帶不便，在高校適用性不高。對(duì)比多種解決方案，我校采用錄播摳像一體機(jī)，其體積小，方便攜帶，高度集成信號(hào)采集、錄制導(dǎo)播、同步字幕特技于一體，特別融入廣播級(jí)摳像技術(shù)，滿足精品課、實(shí)踐課、校園活動(dòng)等各類場(chǎng)景的應(yīng)用。

錄制系統(tǒng)從視頻制作的各個(gè)環(huán)節(jié)把控，能實(shí)現(xiàn)專業(yè)廣播級(jí)質(zhì)量的視頻錄制。錄播摳像一體機(jī)采用廣播級(jí)視音頻板卡，從源頭保證信號(hào)采集質(zhì)量；支持多機(jī)位同步錄制，錄制分辨率可任意調(diào)整，支持廣播級(jí)1 920×1 080、公開(kāi)課視頻1 024×576等格式視頻錄制，滿足多樣化編輯制作需求；廣播級(jí)一鍵式虛擬摳像技術(shù)，支持多種背景的摳像方式，如圖片、視頻等，提供最震撼的虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)。直播系統(tǒng)通過(guò)校園網(wǎng)將高清虛擬演播室內(nèi)的音視頻數(shù)據(jù)流推送到開(kāi)放式教學(xué)平臺(tái)，師生通過(guò)瀏覽器即可觀看實(shí)景與虛擬背景實(shí)時(shí)疊加的節(jié)目、發(fā)表看法，增加雙方交流。

2.4 編輯制作系統(tǒng)

為了滿足精品課程、優(yōu)質(zhì)課程、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程的精細(xì)剪輯和效果包裝，建立非線性編輯室，配置5臺(tái)非編工作站和廣播級(jí)非線性編輯軟件U-EDIT，錄播系統(tǒng)與非編軟件無(wú)縫互聯(lián)，在錄制過(guò)程中多路景別的多個(gè)文件一鍵式導(dǎo)入非編軟件，快速定位鏡頭切換點(diǎn)，極大地提升了后期編輯效率，至少節(jié)省了50%的編輯時(shí)間。

編輯制作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻、音頻、圖文和動(dòng)畫(huà)的混合編輯，提供強(qiáng)大而簡(jiǎn)潔的功能滿足教育應(yīng)用，如制作精美片頭片尾視頻，視頻銳化工具突出板書(shū)內(nèi)容；可對(duì)課件進(jìn)行二次創(chuàng)作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖表，幾何、電路等動(dòng)畫(huà)效果，完成特技疊加、字幕添加等；制作滿足教育部公開(kāi)課要求的獨(dú)立SRT格式字幕。編輯完成的視頻可一次性輸出多種格式文件，提高視頻資源生成效率。

3 高清虛擬演播室應(yīng)用

高清虛擬演播室自2017年4月份投入使用后，因其虛擬場(chǎng)景由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)完成，無(wú)需搭建實(shí)景，可以不受時(shí)空的限制；不同的活動(dòng)可共用演播室，只需變換不同的虛擬場(chǎng)景，一室多用突破學(xué)校教學(xué)場(chǎng)地和資金的局限。因其創(chuàng)意自由、情景性強(qiáng)，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有獨(dú)一無(wú)二優(yōu)勢(shì)，可用于精品課程制作、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽視頻制作和校園電視節(jié)目制作等，目前已完成大量的視頻制作，取得了較好的效果。

3.1 精品課程錄制

慕課和微課的興起，給學(xué)校視頻課程建設(shè)提出了新的要求[14]，相對(duì)于屏幕錄制軟件+PPT、屏幕錄像軟件+手寫(xiě)板+畫(huà)圖工具、DV錄像機(jī)+白板等課程錄制方式[15]，高清虛擬演播室構(gòu)建的場(chǎng)景幾乎不受時(shí)間、空間和距離限制，可讓教師仿佛置身于歷史場(chǎng)景、任何風(fēng)格的建筑物或大自然，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中存在或不存在的許多場(chǎng)景，通過(guò)情景化教學(xué)提高教學(xué)效率；可整合各種教學(xué)資源，對(duì)課件進(jìn)行二次處理，表現(xiàn)手法多樣性、畫(huà)面質(zhì)量和聲音效果高、內(nèi)容生動(dòng)豐富，使視頻可視性得到顯著增強(qiáng)，增強(qiáng)師生交互性。能滿足精品、優(yōu)質(zhì)課程的錄制和制作，提升了課程制作水平。我校利用高清虛擬演播室已經(jīng)完成大量精包裝課程的拍攝和制作，目前學(xué)科導(dǎo)論課、微課程、翻轉(zhuǎn)課堂等部分課程的視頻已經(jīng)在演播室內(nèi)完成制作并上線；在2017年舉辦的浙江省高校微課教學(xué)比賽中，在演播室拍攝制作的視頻榮獲一等獎(jiǎng)3個(gè)、二等獎(jiǎng)2個(gè)、三等獎(jiǎng)1個(gè)。

3.2 實(shí)踐課教學(xué)

高清虛擬演播室因其構(gòu)成要素的綜合性，可一室多用，為數(shù)字媒體技術(shù)、傳播學(xué)專業(yè)的學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，承擔(dān)“多媒體技術(shù)”“影視后期制作”“音視頻節(jié)目制作”“音頻視頻采集與編輯課程設(shè)計(jì)”“微視頻編創(chuàng)”“數(shù)字信息采集與非線性編輯”等課程的實(shí)踐教學(xué)講授環(huán)節(jié)和技能操作環(huán)節(jié)，極大方便實(shí)訓(xùn)教學(xué)地開(kāi)展和提升學(xué)生攝像技術(shù)、后期制作等綜合實(shí)踐能力。

利用高清虛擬演播室全方位、多角度展示各種實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)，將一些抽象的理論知識(shí)、公式和定義等用圖形、動(dòng)畫(huà)或虛擬場(chǎng)景模擬效果，對(duì)一些關(guān)鍵的步驟用特寫(xiě)鏡頭藝術(shù)化呈現(xiàn)，將微視頻引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)效果不理想的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理論和操作的有效結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量，目前我校已利用演播室完成《大學(xué)物理》等課程實(shí)驗(yàn)部分的視頻錄制和制作。

3.3 服務(wù)學(xué)生活動(dòng)

高清虛擬演播室多樣化的空間設(shè)計(jì)，只需利用軟件制作相應(yīng)的場(chǎng)景，幾名學(xué)生就可以完成節(jié)目的拍攝和后期編輯制作，充分發(fā)揮其操作簡(jiǎn)便、制作精良等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展各類學(xué)生活動(dòng)，深受學(xué)生喜歡，成為學(xué)生課外實(shí)踐的主要場(chǎng)所之一(見(jiàn)圖4)。

學(xué)生課程微視頻、情景劇表演、學(xué)科競(jìng)賽展示視頻等課外實(shí)踐和學(xué)生活動(dòng)項(xiàng)目均可在演播室制作完成，很好地解決了當(dāng)初學(xué)校沒(méi)有演播室，學(xué)生需要花大量的時(shí)間和金錢(qián)找廣告公司租場(chǎng)地、租設(shè)備等問(wèn)題。目前學(xué)生在演播室制作的學(xué)科競(jìng)賽參賽作品，已獲浙江省大學(xué)生中華經(jīng)典誦讀競(jìng)賽、大學(xué)生電子商務(wù)競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及大學(xué)生藝術(shù)節(jié)等多項(xiàng)競(jìng)賽多個(gè)一等獎(jiǎng)。

圖4 學(xué)生在高清虛擬演播室拍攝情景劇

3.4 校園電視節(jié)目制作

高清虛擬演播室不需要高額的布景搭建費(fèi)用，也不需要額外的設(shè)備和維修費(fèi)用，且多個(gè)場(chǎng)景可重復(fù)、循環(huán)使用，提供專業(yè)的攝制環(huán)境，達(dá)到與電視臺(tái)專業(yè)演播室基本一致的建聲、照明等專業(yè)技術(shù)要求，滿足校園新聞、學(xué)校宣傳片的錄制和制作要求，無(wú)需花費(fèi)大量的時(shí)間和人力、物力就可以制作出豐富多彩的節(jié)目，具有極高的性價(jià)比，可以方便學(xué)校的宣稱工作，樹(shù)立學(xué)校的形象，目前我校將其應(yīng)用到校園新聞、宣傳片和國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)視頻的制作。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電視制作技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，高清虛擬演播室技術(shù)日趨完善，配備多種音視頻設(shè)備和編輯制作軟件，場(chǎng)景由計(jì)算機(jī)制作完成，創(chuàng)意自由、布景輕松、情景性強(qiáng)，前景畫(huà)面實(shí)時(shí)與虛擬背景進(jìn)行數(shù)字化合成，滿足多場(chǎng)景多功能應(yīng)用，將其應(yīng)用于高校教育中，能承接精品課程制作、校園節(jié)目錄制、實(shí)踐課教學(xué)和學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)，帶來(lái)更直觀的視覺(jué)效果和全新的教學(xué)體驗(yàn)，深受師生喜歡，極大地提高學(xué)校的教育教學(xué)質(zhì)量和水平。