超高清虛擬演播課程制作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

龔京民，許沁菲

（南京航空航天大學(xué) 信息化處，江蘇 南京 210016）

0 引 言

建設(shè)學(xué)習(xí)型社會，需要更多、更好的教育資源以提供給大眾學(xué)習(xí)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)和普及共享，對于進(jìn)一步提高大眾的學(xué)習(xí)質(zhì)量具有非常重要的意義[1]。近十年來，教育部相繼頒布了多個關(guān)于教學(xué)資源建設(shè)的文件，如《教育部關(guān)于國家精品開放課程建設(shè)的實(shí)施意見》《精品資源共享課建設(shè)工作實(shí)施辦法》《教育部關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》等，其中一個共性的要求就是建設(shè)高質(zhì)量的課程教學(xué)資源。在國家相關(guān)政策指導(dǎo)和教育教學(xué)資源大力建設(shè)背景下[2]，各高校課程教學(xué)資源建設(shè)已初具規(guī)模。然而，經(jīng)歷疫情期間的大規(guī)模在線學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)者對教學(xué)資源的需求已不再簡單停留于認(rèn)知上的滿足，更需要情感上的關(guān)懷[3]。隨著課程教學(xué)資源建設(shè)數(shù)量迅猛增加和質(zhì)量要求的不斷提升，各高校均面臨著拍攝強(qiáng)度大、質(zhì)量提升難、表現(xiàn)形式少、制作效率低以及資源同質(zhì)化嚴(yán)重等問題[4]。為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源制作的便捷性、豐富性和多樣性，各高校必須首先著力構(gòu)建教學(xué)資源開發(fā)的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。課程制作系統(tǒng)作為一個必不可少的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，其功能的優(yōu)劣將直接影響教學(xué)資源制作的質(zhì)量和效率。

1 超高清虛擬演播課程制作系統(tǒng)的特點(diǎn)

超高清虛擬演播課程制作系統(tǒng)（以下簡稱課程制作系統(tǒng)）是一種基于計(jì)算機(jī)虛擬演播技術(shù)的教學(xué)課程資源制作工具，可以將教師本人以及講課的內(nèi)容融入三維虛擬場景，從而實(shí)現(xiàn)更加生動、直觀的教學(xué)效果。課程制作系統(tǒng)在整體功能上能滿足各種課程，如微課、慕課、一流課程的拍攝制作需求，同時也能滿足形式多樣的講座、報(bào)告、專題欄目制作需要。系統(tǒng)搭建過程依據(jù)“場景布局合理、信號調(diào)試靈活、操作簡易方便”的建設(shè)思路，充分融合多種信號，將虛擬場景信號、攝像機(jī)信號、電腦PPT 信號及其他外來信號輸出至視頻導(dǎo)播臺[5]，通過視頻導(dǎo)播臺對輸入信號源進(jìn)行特效、切換、調(diào)度等處理，最終由視頻導(dǎo)播臺AUX 接口（可指派）輸出至虛擬服務(wù)器、錄像機(jī)等設(shè)備，從而完成各類課程的拍攝、制作。除了滿足上述需求外，整個課程制作系統(tǒng)還具有以下幾方面的特點(diǎn)。

（1）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性在課程制作系統(tǒng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，這一點(diǎn)不容忽視。為此，課程制作系統(tǒng)采用了知名品牌如SONY，ORAD，YAMAHA，SHUER 等的成熟廣播級產(chǎn)品，以確保系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（2）易用性。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，注重操作界面設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)，使得操作人員能夠快速上手并熟練完成各種操作。因高校制作團(tuán)隊(duì)人數(shù)通常不多，故課程制作系統(tǒng)應(yīng)做到盡量減少操作人員的數(shù)量，使用操作簡單易用，降低操作人員的學(xué)習(xí)和使用成本。

（3）可擴(kuò)展性。建設(shè)系統(tǒng)時，充分考慮到未來可能的業(yè)務(wù)增長和技術(shù)發(fā)展，為系統(tǒng)預(yù)留了較多的擴(kuò)展空間和接口，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，能夠隨著錄制需求的變化進(jìn)行功能升級和擴(kuò)展，以便應(yīng)對發(fā)展的需求。

2 課程制作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課程制作系統(tǒng)通過虛擬演播室技術(shù)，模擬多種真實(shí)的演播室場景，能夠?qū)崿F(xiàn)多場景的實(shí)時動態(tài)鏈接，解決傳統(tǒng)演播室系統(tǒng)存在的場景單一問題，從而創(chuàng)造出逼真流暢、立體感強(qiáng)的電視演播室效果。在傳統(tǒng)色鍵摳像技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)和視頻合成技術(shù)，提供虛擬背景和特效功能，可以從虛擬素材庫里選擇不同的背景場景，從而高效地制作視頻課程。

課程制作系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)上遵循簡單易用、方便靈活、易于操作的原則。在設(shè)計(jì)過程中將各個子系統(tǒng)劃分為若干個單元，在每個單元都設(shè)置足夠多的輸入、輸出路數(shù)，便于后期的擴(kuò)展和升級。概括來說，課程制作系統(tǒng)主要由視頻系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)以及燈光系統(tǒng)四個部分組成。

2.1 視頻系統(tǒng)

視頻拍攝部分采用兩訊道（SONY HDC-3500）4K 演播室攝像機(jī)。攝像機(jī)為4K CMOS 感光元器件結(jié)構(gòu)，62 dB 信噪比設(shè)計(jì)，可以拍攝4K/高清/標(biāo)清等多種格式視頻，滿足高質(zhì)量視頻拍攝需求。

視頻系統(tǒng)輸入有多個信號源，如兩訊道4K 演播室攝像機(jī)信號、虛擬渲染信號、HDVP 跟蹤信號及摳像信號等?？紤]到產(chǎn)品兼容性，視頻切換臺采用SONY MVS-3000 視頻切換臺。切換臺標(biāo)配32路信號輸入，確保所有信號源統(tǒng)一進(jìn)入切換臺進(jìn)行信號調(diào)度，標(biāo)配16 路可指派AUX 信號輸出，可以將AUX信號指派給虛擬渲染服務(wù)器、錄像機(jī)等設(shè)備。切換臺具備2M/E 制作能力，每級M/E 帶有PGM，PVW 和2CLEAN 輸出，輸入、輸出形式多樣。

視頻信號通過虛擬渲染工作站和色鍵器摳像信號進(jìn)行實(shí)時渲染合成，通過數(shù)字周邊視頻分配板卡，信號最終輸出到錄像機(jī)進(jìn)行節(jié)目錄制、存儲。系統(tǒng)配備REDLINK 公司的專業(yè)錄像機(jī)系統(tǒng)UltraMCR-4000，可以錄制高清/標(biāo)清等多種信號格式，支持錄制信號直接輸出至NAS 存儲設(shè)備，滿足非線性編輯工作站從NAS 存儲直接讀取、編輯素材的需求，有效減少素材拷貝工作流程。通過數(shù)字視頻分配板卡以及視頻切換臺將多畫面信號輸出到技術(shù)監(jiān)視器、監(jiān)看大屏，方便導(dǎo)播實(shí)時監(jiān)看不同景區(qū)的拍攝信號。視頻系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 視頻系統(tǒng)框圖

2.2 虛擬系統(tǒng)

目前，主流的跟蹤方式為網(wǎng)格跟蹤或機(jī)械跟蹤。網(wǎng)格跟蹤具有虛擬定位快速、便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)且后期擴(kuò)展無須增加硬件跟蹤設(shè)備費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)[7]，但其精度比機(jī)械跟蹤低。機(jī)械跟蹤具有虛擬定位準(zhǔn)確、精度高、可以拍攝特寫等鏡頭、不受拍攝區(qū)域限制等優(yōu)點(diǎn)，但是其虛擬定位操作較為復(fù)雜，而且后期擴(kuò)展時需要重新購買機(jī)械跟蹤設(shè)備，成本增加較多。本系統(tǒng)通過采用“網(wǎng)格+機(jī)械”組合的跟蹤方式，可以合理避免網(wǎng)格跟蹤精度不高，機(jī)械跟蹤定位復(fù)雜、后期擴(kuò)展成本較高的問題，同時利用兩者優(yōu)勢，可以拍攝特寫鏡頭，可以隨時根據(jù)節(jié)目需要擴(kuò)展拍攝機(jī)位，無須增加硬件成本。

虛擬系統(tǒng)采用以色列ORAD 公司的真三維高清虛擬演播室系統(tǒng)，包括攝像機(jī)跟蹤、虛擬播控、虛擬渲染（圖形渲染工作站）和場景制作、設(shè)計(jì)軟件等。兩通道高清有軌真三維虛擬演播室系統(tǒng)中，一個通道采用高承重云臺可負(fù)載提詞器結(jié)構(gòu)，另一個通道采用遠(yuǎn)程遙控云臺，可以在導(dǎo)控間對演播廳內(nèi)的攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控。

虛擬系統(tǒng)信號是由攝像機(jī)拍攝網(wǎng)格視頻信號，經(jīng)過網(wǎng)格捕捉服務(wù)器輸出跟蹤數(shù)據(jù)及攝像機(jī)遙控云臺跟蹤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號輸出到圖形渲染工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時，虛擬渲染工作站進(jìn)行實(shí)時虛擬場景渲染，由色鍵器對畫面人物進(jìn)行摳像。圖形渲染工作站將虛擬場景信號輸出給色鍵器，色鍵器將摳像人物信號與虛擬場景信號進(jìn)行合成，便得到最終的虛擬場景實(shí)時合成效果。虛擬系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 虛擬系統(tǒng)框圖

2.3 音頻系統(tǒng)

為了滿足話筒拾音效果及使用美觀方便需求，音頻系統(tǒng)配備國際知名品牌SHUER 的專業(yè)級無線領(lǐng)夾話筒進(jìn)行音源拾音。領(lǐng)夾話筒造型適合不同場景主講人、領(lǐng)導(dǎo)佩戴使用，最終成像畫面比較美觀。

導(dǎo)控間、演播廳為相對獨(dú)立空間（結(jié)構(gòu)存在隔墻），同時環(huán)境中存在較多無線網(wǎng)絡(luò)、無線通話、無線視頻等信號干擾。對此，專門為無線話筒配備天線放大器、1/2 波長天線等設(shè)備。由無線話筒接收機(jī)天線進(jìn)行信號放大并且延長至演播廳內(nèi)，保證無線領(lǐng)夾話筒高品質(zhì)音頻信號穩(wěn)定輸出。

無線領(lǐng)夾話筒、錄像機(jī)等音源輸入至調(diào)音臺，現(xiàn)場有多路音源信號需要調(diào)音臺進(jìn)行現(xiàn)場切換、調(diào)度等工作。該系統(tǒng)配備國際知名品牌YAMAHA 公司的01V96 數(shù)字調(diào)音臺，具有24 位/96 kHz 音頻解析能力、超高動態(tài)范圍、16 個高性能麥克風(fēng)前置放大器等，保證音頻信號高品質(zhì)調(diào)度、合成。經(jīng)過數(shù)字調(diào)音臺的信號調(diào)度處理，音頻信號通過音頻分配板卡輸出至錄像機(jī)，通過錄像機(jī)完成視、音頻信號加嵌處理，由錄像機(jī)實(shí)時上傳，最終，成片信號存儲在NAS 陣列中。音頻系統(tǒng)具備專業(yè)監(jiān)聽音箱以及監(jiān)聽耳機(jī)，導(dǎo)播可以實(shí)時監(jiān)聽PGM 音頻信號。音頻系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 音頻系統(tǒng)框圖

2.4 燈光系統(tǒng)

拍攝區(qū)域均勻布光是拍攝、摳像的首要條件。燈光系統(tǒng)中，背景光、頂光、側(cè)光及部分面光光源均采用LED 柔光燈，照度均勻，光質(zhì)柔軟，對物體投像清晰，光影質(zhì)量好。

燈光懸吊部分采用活動軌道和恒力鉸鏈的懸吊方式。采用活動軌道懸吊方式，可以增強(qiáng)燈光的靈活性和可擴(kuò)展性，保證多節(jié)目制作的燈光布局需求，能夠使燈具前、后、左、右進(jìn)行移動，實(shí)現(xiàn)靈活布光。為了滿足主講人的面部、下頜光源均勻，面光和側(cè)光均使用恒力鉸鏈。木制藍(lán)箱表面采用ROSCO 5710 專用藍(lán)色摳像漆，滿足專業(yè)虛擬設(shè)備拍攝藍(lán)箱視頻畫面色彩均勻度的技術(shù)要求。燈光系統(tǒng)整體布局如圖4 所示。

圖4 燈光布局圖

3 課程制作系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

課程制作系統(tǒng)自2019 年10 月投入使用至今，已完成精品課程、線上直播、校園節(jié)目等多種課程形式的錄制，取得了較好的成果。其特點(diǎn)是不受教學(xué)場地的限制、可以隨時根據(jù)需求任意切換場景，從而滿足不同視頻制作的需求。此外，因其場景構(gòu)建通過計(jì)算機(jī)軟件執(zhí)行，擺脫了空間、道具的約束，節(jié)省了人力、物力。制作好的場景均保存在計(jì)算機(jī)中，切換操作簡便，縮短了課程制作時間，提高了課程制作效率。

3.1 精品課程錄制

針對不同的課程類型，課程制作系統(tǒng)能夠創(chuàng)造出演播廳、實(shí)驗(yàn)室甚至太空等真實(shí)存在或是現(xiàn)實(shí)中難以到達(dá)、不存在的授課情境，豐富教學(xué)內(nèi)容，同時也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過多機(jī)位攝像機(jī)的接入，PPT 課件等教學(xué)資源的引入以及二次處理美化，增加視頻畫面的層次感，使視頻的可視性得到提高。錄制的畫面質(zhì)量及聲音品質(zhì)有保障，搭配提詞器、返看屏等設(shè)備，系統(tǒng)能夠滿足各類精品課程的拍攝和制作，提升了課程視頻制作的質(zhì)量。所具備的錄播系統(tǒng)可進(jìn)行多機(jī)位同步錄制，不會出現(xiàn)音畫不同步的問題，降低了后期制作的時間成本，極大地提高了課程制作的效率。

南京航空航天大學(xué)目前已經(jīng)利用課程錄制系統(tǒng)拍攝并制作了大量的微課、慕課等精品在線課程達(dá)360 余門，并上傳至南京航空航天大學(xué)課程資源共享平臺。其中，2021 年錄制的14 個微課獲得江蘇省微課大賽的多個獎項(xiàng)。

3.2 線上課程及比賽支持

課程制作系統(tǒng)因其場地設(shè)計(jì)的多樣化，也可應(yīng)用于線上課程及比賽的錄制和直播。通過搭載虛擬場景PGM 信號的輸出，可將畫面輸出至計(jì)算機(jī)上的騰訊會議、ZOOM 等平臺，進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程觀看，打破了學(xué)生學(xué)習(xí)空間的限制。

以線上課程《基于力學(xué)與解剖學(xué)原理，游泳-蛙泳腿部技術(shù)教學(xué)》的線上授課為例，如圖5 所示，首先通過搭載虛擬場景的最終PGM 信號接入騰訊會議，將教師課程講授的畫面通過騰訊會議平臺展示給學(xué)生，并可隨時根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行畫面切換；其次，利用HDMI 采集卡接入顯示屏，將騰訊會議中學(xué)生的畫面再返回給教師，同時在虛擬場景中添加信號輸入，將學(xué)生畫面同步展示在教學(xué)視頻畫面當(dāng)中，使師生同在一個畫面里，從而增強(qiáng)線上線下的交互性，將教學(xué)過程完整地表現(xiàn)出來。此模式不僅打破了師生空間的壁壘，而且能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。本課程獲得了2023 年江蘇省高校教師創(chuàng)新大賽一等獎并入圍國賽。

圖5 利用虛擬演播室進(jìn)行線上授課

3.3 校園節(jié)目錄制

課程制作系統(tǒng)已具備較好的聲音、照明、導(dǎo)播等專業(yè)設(shè)備。除了虛擬場景，系統(tǒng)也可以增加實(shí)際的講臺、桌椅，虛實(shí)結(jié)合，完成諸如《我說二十大》《防疫微講堂》等節(jié)目的拍攝制作，如圖6 所示。無須花費(fèi)大量的時間、精力來搭設(shè)節(jié)目場景，節(jié)約了人力、資金，設(shè)計(jì)好的場景也可以保存在計(jì)算機(jī)中，重復(fù)利用，為學(xué)校制作校園節(jié)目提供了極大的便利。

圖6 校園節(jié)目錄制

4 結(jié) 語

超高清虛擬演播課程制作系統(tǒng)的建設(shè)，正逐步成為高校教育數(shù)字化建設(shè)的重要一環(huán)。采用虛擬演播室技術(shù)，可構(gòu)造不同的場景，從而滿足各種教學(xué)資源的制作需求，有利于節(jié)約制作成本，提高制作效率。此外，應(yīng)充分挖掘其多方面的應(yīng)用價值，同樣在教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用方面做好基礎(chǔ)環(huán)境支撐，為師生創(chuàng)新思維和創(chuàng)意作品提供孵化地。