虛擬演播室技術在教學資源建設中的應用研究

武增強

（天津廣播電視大學教學資源管理與建設處 中國 天津 300191）

0 引言

虛擬演播室技術是新興的融合計算機虛擬現實與傳統演播室色鍵摳像以及多媒體、三維和網絡技術的綜合媒體技術。通過虛擬演播室技術,計算機制作的三維虛擬場景與攝像機拍攝的人物活動圖像進行數字化實時合成, 使人物與虛擬背景能夠同時變化,實現兩者緊密融合。它的出現豐富了演播室的表現手段，為觀眾呈現了更加新奇的視覺體驗，同時節省了大量演播室建設的時間和經費。

在教育領域中，建設豐富多彩的教育視頻節目是教學資源建設的重要目標之一。 當前，教育視頻節目主要由教育機構自身制作，環境、布景和場地的經費投入相對有限,而虛擬演播室技術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、豐富表現形式手段、使制作者擁有更大的想象空間和創作空間等優點是傳統演播室所無法企及的。尤其是制作教育視頻節目時有許多內容上的要求, 如表現宏觀天體與微觀世界、抽象的科學技術原理等,虛擬演播室技術在表現虛擬現實方面的優勢就體現了出來。

1 虛擬演播室的基本原理

所謂虛擬演播室技術就是利用色鍵摳像技術更換視頻背景，再用由計算機制作的二、三維場景替換被色鍵摳除的藍箱背景，利用計算機三維圖形技術和視頻合成技術，根據前景攝像機的位置焦距等參數，使三維虛擬場景的透視關系與前景保持一致，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生成的虛擬場景中， 從而創造出逼真、立體的演播室效果。

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

2 虛擬演播室的主要技術

從系統架構上看， 虛擬演播室技術包括攝像機跟蹤技術、三維場景造型與掩膜生成技術、背景藍箱技術、色鍵摳像合成技術、燈光技術等幾個主要部分。

2.1 攝像機跟蹤技術

攝像機跟蹤技術是虛擬演播室中的一項關鍵技術，是指在節目拍攝過程中實時獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數。 包括攝像機鏡頭參數、云臺運動參數、攝像機空間位置和角度參數。 借助參數判斷攝像機、前景人物、虛擬場景之間的相對位置關系，幫助系統實現真實攝像機與虛擬攝像機的鎖定。 使虛擬場景產生對應的變化，與前景真實地結合在一起。 目前應用較多的跟蹤技術有機械傳感、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

虛擬演播室中的背景圖像可以是來自錄像機的動態圖像，也可以是靜止圖像，使用最多的是由計算機創作的三維虛擬場景。 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行建模，也就是設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行調整該物件的大小、位置、朝向等。 我們還可以在系統中設定某個虛擬物件的動作，包括設置物件的平移、旋轉和縮放等等。 虛擬場景和物件的尺寸都是根據演播室的實際大小而設計的。 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行調整。

同時背景實時生成系統與攝像機跟蹤系統相結合，在攝像機運動參數控制下實時渲染、生成與拍攝主體有正確透視關系的前景和背景圖像。

2.3 背景藍箱技術

虛擬演播室的藍箱與普通鍵特技摳像的藍背景不同，技術要求較高。 要求背景平滑且具有空間感，尤其是所有轉角處的圓弧應平滑過渡。 通常拍攝空間的兩面或三面墻和地面為藍色，該藍色應為純正的色鍵藍色，以獲得最好的色鍵效果；天花板則利用“虛擬藍背景”技術，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，照射在藍背景上的光線必須均勻且沒有反光點。 否則一些使用網格定位的定位系統會產生錯誤判斷，引起圖像抖動，摳像效果也會變差。

2.4 色鍵摳像合成技術

虛擬演播室的色鍵摳像合成技術是指，處理攝像機在綠色或藍色背景中拍攝的真實景物視頻信號時，運用色鍵技術指定色度和飽和度值，圖像信號中與這個指定數據相同的區域將被摳去，使被攝主體同純色背景分離。 摳去的背景區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確地合成，要保持真實攝像機與虛擬攝像機的運動參數一致并始終保持同步。 色鍵分離的效果對制作節目的質量影響很大，它與藍背景、制作環境燈光和攝像機有關，同時色鍵器本身的質量也很重要。

2.5 燈光技術

在虛擬演播室節目制作中燈光所起的作用十分關鍵。 應運用立體布光的理念。先前景布光，后藍箱布光。考慮三基色柔光燈發光面積大，對主持人布好光后，必將在藍箱上產生一定的光照度。 針對虛擬演播室的多個機位，藍箱要被布光得非常均勻。 尤其是藍箱的地板和墻面，防止出現地面與背景部分顏色深淺不一的現象。 如果主持人以坐姿出現，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箱中投下影子也要隨主持人及道具一起進入虛擬空間。要合理調配燈光， 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 虛擬演播室技術在教學資源建設中的應用

3.1 運用虛擬演播室技術進行教學資源建設的設計原則

運用虛擬演播室技術進行教學資源建設時需要把握好設計原則，充分使這種先進的技術手段融于高質量教育資源的制作中，創建特定的學習環境，使學習者沉浸于其中，從而能夠輕松自如地學習知識獲取技能，充分實現教學目的。

設計原則主要有以下幾點:

（1）教學性：要適應學科知識特點，適應教學對象特點，應該在分析教學內容、明確教學目標的基礎上，選擇適用虛擬演播技術表現的內容。 尤其對難以理解，抽象復雜，教師用語言和常規方法不易講清的內容， 需要借助虛擬演播技術，利用多媒體動畫演示的形式，調動文字、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等多種媒體信息為教學服務，使學生的學習興趣倍增，注意力集中，思維活躍，增強對知識的理解和記憶。

（2）科學性：利用虛擬演播技術制作的教育資源應科學、嚴謹，不僅要有系統的學科知識體系，引用的資料必須準確，內容表述清晰準確。 同時在表現手法和形式上要符合學習者的認知規律和思維特點。

（3）技術性：根據教學設計的要求，利用虛擬演播各項技術，可以輕松的創設環境，制作各種逼真的場景，還可以對一些抽象復雜的內容進行動畫演示，使學生獲取直觀的形象。

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

（5）藝術性：利用虛擬演播技術制作的教育資源應當具有較高的藝術性，有強烈的吸引力、感染力和表現力。 它不僅能獲得良好的教學效果，而且使學習者獲得美的享受，是內容與藝術的完美統一。

3.2 虛擬演播室技術在教學資源建設中的應用方向

虛擬演播室技術更多的運用在教學視頻資源的建設中，主要應用方向有：

（1）制作虛擬背景，降低制作成本：在制作教學視頻資源時，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容相符合， 制作每門課程所需的演播室場景應不相同，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實技術，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，可實現演播室復用，及大拓展演播空間。 節省了時間成本和布景、制作道具等的人力、物力成本。

（2）虛擬教學內容，拓展學習視角：教學視頻資源所表現的教學內容，從微觀的核物理到宏觀的天文學，包羅萬象、無所不有，其中的大部分內容，現有的攝像手段無法表現,或還不能充分表達其復雜過程。 而虛擬演播室技術結合虛擬現實技術，表現這部分內容則有很大優勢。 尤其是虛擬演播室中虛擬攝像機的運用，為我們提供了學習的全新視角。

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

（4）虛擬環境合成，創設教學情境：在藝術類、文學類視頻教學資源制作中，多運用虛擬演播室技術創設與教學情境相協調的環境。依靠生動豐富的虛擬場景烘托教學氣氛,增強教學效果。 教師不一定要去實景拍攝,借助已有的外景素材,就能實現教師從演播室背景到藝術殿堂、文學情境等場景的轉換, 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質量。

4 結束語

虛擬演播室作為新興的綜合媒體技術，在應用中已經證明了其無可比擬的優勢。 盡管現階段虛擬演播室在教育領域的應用還不夠廣泛，但隨著現代學習需求的變化和虛擬演播室技術的不斷發展和成熟，該技術會被更好更多的應用于教學資源建設中。

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