教學(xué)用虛擬演播室的選型探索

孟慶華

中國(guó)教學(xué)儀器設(shè)備總公司 北京 100032

虛擬演播室技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將電視攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的人物活動(dòng)圖像與計(jì)算機(jī)中虛擬攝像機(jī)實(shí)時(shí)生成的三維場(chǎng)景，通過(guò)色鍵技術(shù)實(shí)時(shí)合成以獲得完美的合成畫(huà)面的技術(shù)。并且，當(dāng)電視攝像機(jī)進(jìn)行推、拉、搖、移取景構(gòu)圖變化時(shí)，人物與虛擬場(chǎng)景能夠同步實(shí)時(shí)地變化，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬天衣無(wú)縫的圖像融合與動(dòng)作的完全匹配。由于場(chǎng)景是計(jì)算機(jī)生成的，這使得豐富多彩的演播室現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景設(shè)計(jì)可隨心所欲地進(jìn)行創(chuàng)意和實(shí)現(xiàn)，并可以在瞬間進(jìn)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)演播室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的拍攝效果，使電視節(jié)目制作進(jìn)入一個(gè)全新的境界。

1 虛擬演播室的應(yīng)用分類和特點(diǎn)

按照應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)分，虛擬演播室目前可以分為電視臺(tái)用虛擬演播室、氣象臺(tái)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(tái)用虛擬演播室

電視臺(tái)是最早應(yīng)用虛擬演播室的場(chǎng)所，也是目前應(yīng)用最多和最廣泛的場(chǎng)所。虛擬演播室的誕生給節(jié)目制作人員帶來(lái)無(wú)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(tái)，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(jì)，隨時(shí)修改，可以制作出場(chǎng)面宏大的背景，制作出一些不可能在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的影像效果，即用小演播室來(lái)實(shí)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(tái)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(fèi)用，又能實(shí)現(xiàn)真實(shí)演播室所不能實(shí)現(xiàn)的效果，實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(tái)對(duì)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(tái)對(duì)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(tái)用虛擬演播室多以高清或高標(biāo)清兼容系統(tǒng)為主。

1.2 氣象臺(tái)用虛擬演播室

全國(guó)各地的氣象臺(tái)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(bào)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(tái)風(fēng)、海嘯等場(chǎng)面，而且可以借助其合成技術(shù)讓主持人不離開(kāi)藍(lán)箱，通過(guò)遠(yuǎn)端傳送來(lái)的外視頻在雨雪等現(xiàn)場(chǎng)解說(shuō)，提高氣象節(jié)目的新聞性。利用計(jì)算機(jī)的虛擬背景和虛擬人物可以實(shí)現(xiàn)氣象節(jié)目主持人和虛擬人物及背景互動(dòng)，讓氣象節(jié)目更新奇、神秘。

針對(duì)氣象臺(tái)專門開(kāi)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(hào)，經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化建立三維地形和對(duì)地形實(shí)時(shí)渲染，實(shí)現(xiàn)電視氣象節(jié)目由平面示意型向三維寫(xiě)實(shí)型跨越，使電視氣象節(jié)目以更加精確真實(shí)的內(nèi)容、更加生動(dòng)形象的視覺(jué)感受呈現(xiàn)給觀眾。例如，因?yàn)槭褂脤ｉT針對(duì)氣象臺(tái)開(kāi)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(bào)、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(guó)電視氣象節(jié)目觀摩評(píng)比中均獲得綜合一等獎(jiǎng)。

1.3 教學(xué)用虛擬演播室

相對(duì)于電視臺(tái)和氣象臺(tái)而言，學(xué)校是對(duì)虛擬演播室功能要求最高的使用場(chǎng)所。但由于選型不當(dāng)，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(shí)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(yuǎn)程教學(xué)、精品課程制作和實(shí)時(shí)播出、實(shí)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(shí)時(shí)教學(xué)動(dòng)畫(huà)、教學(xué)圖表和曲線的生成與播放。在錄制教學(xué)精品課時(shí)，用教學(xué)用虛擬演播室能實(shí)時(shí)渲染靜態(tài)場(chǎng)景和物體的簡(jiǎn)單縮放、旋轉(zhuǎn)和沿路徑的運(yùn)動(dòng)功能，也能把抽象概念模型的任意變形功能實(shí)時(shí)渲染。并且根據(jù)課堂需要，教師可隨時(shí)繪制相關(guān)圖表和曲線等。這些都能被實(shí)時(shí)地渲染后供教師隨時(shí)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(shí)時(shí)對(duì)物體和抽象概念的模型以及圖表進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，所產(chǎn)生的教學(xué)效果是普通錄播教室所不能實(shí)現(xiàn)的。

2）PPT電子教案在任意物體表面開(kāi)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(chǎng)景中的任意物體表面以開(kāi)窗口的形式顯示，可通過(guò)界面操作任意放大、縮小，或改變位置、形狀，也可以通過(guò)攝像機(jī)任意進(jìn)行推拉，讓整個(gè)場(chǎng)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(yuǎn)端教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)或三維模型實(shí)時(shí)切換和合成。授課教師不離開(kāi)演播室就能站到外景地進(jìn)行教學(xué)，如實(shí)時(shí)進(jìn)入工廠車間輔導(dǎo)學(xué)生操作機(jī)床，實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)；還可以使教師不離開(kāi)藍(lán)箱就進(jìn)入宇宙太空講解天體的構(gòu)造。在外景地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，可將虛擬場(chǎng)景中的任意動(dòng)態(tài)、靜態(tài)元素搬到外景基地進(jìn)行實(shí)時(shí)合成，使虛擬的場(chǎng)景模型和真實(shí)的場(chǎng)景現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有機(jī)合成。教師在講課時(shí)不僅可以看到近端課堂上學(xué)生的反映，同時(shí)可以看到遠(yuǎn)端學(xué)生聽(tīng)課的反應(yīng)情況，學(xué)生在看到教師授課的同時(shí)也能看到自己。而且教師不離開(kāi)演播室就能走到遠(yuǎn)端聽(tīng)課學(xué)生中間進(jìn)行面對(duì)面的“近距離”輔導(dǎo)。

4）學(xué)生課程與畢業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)作。學(xué)生以虛擬演播室節(jié)目制作系統(tǒng)為平臺(tái)，做三維動(dòng)畫(huà)、平面設(shè)計(jì)、節(jié)目編輯、節(jié)目包裝、計(jì)算機(jī)通訊、數(shù)據(jù)采集、程序設(shè)計(jì)等涉及計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理、影視創(chuàng)作各個(gè)方面的課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)來(lái)選擇虛擬演播室，才能實(shí)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(shí)現(xiàn)三維生動(dòng)的多媒體教學(xué)。但是，針對(duì)電視臺(tái)和氣象臺(tái)開(kāi)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(duì)教學(xué)需求開(kāi)發(fā)的教學(xué)用虛擬演播室。

2.1 初始化定位簡(jiǎn)單方便

定位方式應(yīng)該是物理攝像機(jī)對(duì)虛擬攝像機(jī)作直接的自動(dòng)初始化定位，而不應(yīng)該在攝像機(jī)前面設(shè)置任何形式的標(biāo)志。不應(yīng)限定物理攝像機(jī)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(cè)量和計(jì)算。電教節(jié)目制作人員在演播室藍(lán)箱前面任何理想的取景位置架設(shè)好攝像機(jī)后，應(yīng)在瞬間由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成多個(gè)機(jī)位的初始化定位并開(kāi)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(qiáng)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(duì)燈光無(wú)苛刻要求，對(duì)藍(lán)箱也無(wú)苛刻要求。即使是在只有一盞燈，藍(lán)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(shí)色鍵出頭發(fā)絲、陰影、半透明教學(xué)物體、亮藍(lán)色、實(shí)驗(yàn)煙霧等，實(shí)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(shí)時(shí)渲染要求

因?yàn)榻處熗ǔＪ褂猛ㄓ糜?jì)算機(jī)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(wú)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(chǎng)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(xì)，出而影響教學(xué)效果。允許所建三維場(chǎng)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(chǎng)景的視覺(jué)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(chǎng)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(chǎng)景特寫(xiě)鏡頭的清晰度，允許的貼圖分辨率越高越好，并且能夠做實(shí)時(shí)的插值和剔除處理，保證特寫(xiě)時(shí)不出現(xiàn)馬賽克、全景時(shí)不爬行或閃爍。應(yīng)允許在任意物體表面播放外視頻和動(dòng)畫(huà)，才能實(shí)現(xiàn)各種教學(xué)媒體的有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，應(yīng)支持多機(jī)位同時(shí)實(shí)時(shí)渲染，以滿足多機(jī)位的前景與背景同幀逆程實(shí)時(shí)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(diǎn)決定了其功能模塊不同于氣象臺(tái)和電視臺(tái)對(duì)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(tái)用虛擬演播室的基本功能外，至少還應(yīng)該具有：1）實(shí)時(shí)教學(xué)動(dòng)畫(huà)生成與顯示模塊；2）教學(xué)動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)任意點(diǎn)播模塊；3）PPT電子教案在任意物體表面開(kāi)窗口顯示模塊；4）臺(tái)詞與圖文實(shí)時(shí)創(chuàng)作生成顯示模塊；5）實(shí)時(shí)字幕在任意物體表面映射生成顯示模塊；6）實(shí)時(shí)圖文特技播控模塊；7）常用教學(xué)圖表和曲線實(shí)時(shí)生成顯示模塊；8）演播室課堂與外景地教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)切換生成顯示模塊；9）演播室教學(xué)動(dòng)畫(huà)與外景地教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)合成模塊；10）本地課堂教師與遠(yuǎn)端教室學(xué)生面對(duì)面教學(xué)交互模塊；11）學(xué)生課程與畢業(yè)設(shè)計(jì)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(wú)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(diǎn)來(lái)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(shí)，學(xué)校應(yīng)和生產(chǎn)廠家共同開(kāi)發(fā)具有自己特色的虛擬演播室，用虛擬演播實(shí)驗(yàn)室來(lái)實(shí)現(xiàn)更多傳統(tǒng)教學(xué)方式所不能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。

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