基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)字演播室及其教育應用研究

摘 要： 隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術的逐步成熟，尤其是跟蹤系統(tǒng)的完善，計算機處理速度的成倍提高使得實時生成三維圖形成為可能，成就了數(shù)字虛擬演播室技術的輝煌。虛擬演播室技術是虛擬現(xiàn)實技術與電視摳像技術相結合的產(chǎn)物，文章通過專業(yè)的視角對其原理、技術進行系統(tǒng)分析，并就其教育應用展開研究和探索。

關鍵詞： 虛擬現(xiàn)實；攝像機跟蹤；虛擬演播室；色鍵；視頻公開課；虛擬課堂

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

數(shù)字虛擬演播室是虛擬現(xiàn)實技術在影視節(jié)目制作上的一項技術應用，隨著計算機技術飛速發(fā)展和色鍵技術不斷改進，虛擬演播室進入了成熟的實用階段。傳統(tǒng)的色鍵技術只是將演播室拍攝的主持人進行摳像，并沒有記錄主持人和攝像機的位置及透視關系，所以畫面立體感不強，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拍攝到的畫面進行摳像然后和事先制作好的虛擬場景進行合成，攝像機拍攝時使用跟蹤技術，從而可以使得攝像機拍攝的畫面可以和虛擬場景完美融合，不管是攝像機運動還是主持人的活動，合成的畫面都會展現(xiàn)自然的立體效果。[1]

一、虛擬演播室技術的形成、發(fā)展及其原理

1.虛擬演播室技術的形成

虛擬演播室技術來源于虛擬現(xiàn)實技術。虛擬現(xiàn)實技術實際上就是采用技術的手段營造出一個虛擬的環(huán)境，給人以真實的感覺。換句話說，就是使用技術的手段欺騙我們的感官，讓我們把虛擬的環(huán)境當成是真實的世界。在這個人為營造的虛擬世界里，我們可以實現(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、實時交互作用、自由構想構成了虛擬現(xiàn)實的基本特征。[2]

“沉浸 + 交互作用 + 構想 = 虛擬現(xiàn)實”，虛擬現(xiàn)實是信息科學領域中的新技術，由于其廣泛的實用性，引起多學科領域的重視。現(xiàn)在不僅在軍事、建筑、醫(yī)療、教育、娛樂、培訓等方面得到應用，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。

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，他認為將來的電視節(jié)目制作不需要真實的布景，演員在一個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位獲得了一致好評，并被NAB評為當年的十大數(shù)字產(chǎn)品之一。

許多虛擬演播室廠家一直進行這一技術的開發(fā)研究，并不斷把自己的產(chǎn)品推向市場，國外的相關產(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)內處于技術領先地位。目前國內也有大洋、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。

虛擬演播室技術發(fā)展的歷史很短，而且遠未達到我們的期望。但由于它比實景演播室系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，所以被業(yè)界廣泛推薦。除了省時省力以外，虛擬現(xiàn)實技術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，制作出超出觀眾想象的新穎的電視節(jié)目畫面。 [3]

3.虛擬演播室實現(xiàn)原理

虛擬演播室技術主要由攝像機和主持人的跟蹤與定位、色鍵摳像及三維虛擬場景的制作等組成。它的基本原理是：用攝像機拍攝前景圖像，通過幀延時后，利用色鍵技術與經(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的控制。這樣當攝像機進行變焦、俯仰、搖移等操作時，背景圖像也會作相應的改變。通過這種色鍵合成技術產(chǎn)生的合成圖像，比傳統(tǒng)色鍵產(chǎn)生的圖像要生動、真實得多。虛擬演播室的原理如圖1所示。

“虛擬演播室”中的一項關鍵技術是如何判斷攝像機、主持人、計算機虛擬場景之間的對應位置關系。為了解決這種復雜的位置關系，我們需要綁定攝像機的運動信息，實現(xiàn)真實攝像機和虛擬場景的信息交互。對于攝像機而言，它的運動狀態(tài)有推、拉、搖、移、升、降、變焦、調焦、光圈、旋轉，共10個參數(shù)，除調焦與旋轉外，其他8個參數(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主要有機械傳感器和圖形識別兩種方式，這兩種跟蹤方式就是下面所要講到的紅外線跟蹤技術和圖形輔助定位技術。

二、數(shù)字虛擬演播室的技術發(fā)展

1.紅外線跟蹤技術

紅外線跟蹤技術采用紅外線技術來確定演播室里攝像機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，在攝像機和主持人身上安裝紅外線接收器，這樣就可以獲取攝像機和主持人在演播室里的位置信息。紅外線跟蹤技術配合”象素級”深度鍵之后，主持人可以在虛擬場景中自由移動，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

圖形輔助定位技術就是使用圖形識別技術來對演播室里的攝像機和主持人的相對位置進行判斷從而得到他們的位置信息。節(jié)目拍攝之前，我們在虛擬演播室藍箱上方安置一臺小型輔助攝像機，在虛擬演播室藍箱對面的墻面或者天花板上安置方格圖案。這樣一來，當節(jié)目錄制的時候，我們在藍箱上方安裝的輔助攝像機就會拍攝到演播室攝像機和主持人在方格圖案背景前面的畫面，通過對輔助攝像機畫面分析，便可以得到演播室攝像機和主持人在節(jié)目拍攝過程中的位置信息。[4]

3.高清深度鍵技術

以前我們是使用“圖層”深度鍵技術來處理主持人在虛擬場景中的位置關系，虛擬場景中的虛擬物體被分別放置在幾個不同的圖層里，主持人在虛擬場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中，虛擬場景畫面中每一個畫面象素都有其對應的空間位置信息，那么主持人在虛擬場景中自然可以隨意走動。高清深度鍵技術可以讓節(jié)目中的主持人、虛擬物體、真實物體表現(xiàn)出動態(tài)的位置關系，使得虛擬場景效果變得更加完美和真實。

4.無限藍箱技術

無限藍箱技術又被稱為“垃圾色塊”技術。一般來說，虛擬演播室的藍箱的面積都不會太大（如圖2所示），主持人一旦走動范圍過大超出藍箱便會造成穿幫。所謂的無限藍箱就是指當演播室攝像機在運動中拍攝畫面超出了藍箱本身的時候，系統(tǒng)可以把藍幕以外的畫面使用虛擬場景畫面進行自動填充。這樣一來演播室攝像機便可以不受藍箱面積所限，自由進行運動拍攝，無限藍箱技術無疑從技術層面上把演播室面積進行了擴展。另外，這種技術還可用來制作虛擬天花板。[5]

5.三維遮擋

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

6.其它新技術

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

三、數(shù)字虛擬演播室系統(tǒng)的分類

隨著虛擬演播室技術的發(fā)展，針對其不同的應用領域，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、最先進的系統(tǒng)，它最大的特點就是可以實時生成全三維的虛擬場景。全三維的虛擬場景的實時渲染需要強大運算能力的硬件所支持，所以，三維虛擬演播室中一定有性能強大的圖形工作站或者圖形處理設備對虛擬場景進行實時三維渲染。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，可以實現(xiàn)完美逼真的三維虛擬場景效果。[6]

2.二維系統(tǒng)

二維虛擬演播室系統(tǒng)實現(xiàn)成本較低，適合類似學校這樣經(jīng)費相對緊張的單位。該系統(tǒng)的虛擬場景一般為二維圖像，演播室中的攝像機通常是固定機位，所以實現(xiàn)起來相對三維系統(tǒng)來說要簡單許多。對于教育領域來說，對絢麗的畫面效果相對要求不高。該系統(tǒng)適合學校用于制作網(wǎng)絡視頻公開課，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

虛擬出席可以將遠地的實時畫面和本地演播室的畫面完美合成在一起。也就是說，虛擬出席可以實現(xiàn)身處異地的兩個人坐在同一個虛擬場景中進行互動交流。成品節(jié)目中，人們看起來他們是在同一個地方進行互動交流的。這一功能也適合用于網(wǎng)絡視頻公開課的制作，如教師在教學活動的過程中便可將身處異地的專家隨時請到身邊與之交流。[7]

4.移動場景

移動場景是一個很有意思的功能，在節(jié)目拍攝中，我們可以隨意將需要的視頻或動畫放置在虛擬場景里的任意物體上。當演播室攝像機運動拍攝時，虛擬場景中物體上的視頻或動畫的畫面會隨之發(fā)生透視變化。

5.高清數(shù)字視頻

隨著視頻技術的發(fā)展，電視節(jié)目從模擬信號走向了數(shù)字型號，視頻畫面的清晰度也從標清走向了高清、全高清。對于目前的數(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。

四、虛擬演播室的教育應用

數(shù)字虛擬演播室系統(tǒng)的應用非常廣泛，如影視節(jié)目制作、電視廣告、綜藝節(jié)目、現(xiàn)場訪談、體育賽事轉播、財經(jīng)互動、氣象預報、遠程教育等應用領域。而目前數(shù)字虛擬演播室在教育領域的應用也愈發(fā)的廣泛和深入。隨著多媒體教學的日趨普及，傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代教學的需要。多媒體教學以其生動形象、靈活多樣的表達方式越來越受到學生的喜愛。那么我們想到更多的是如何將教師所進行的多媒體教學活動過程完美記錄下來，制作成網(wǎng)絡視頻課，以便放在互聯(lián)網(wǎng)上供大家分享。

目前很多學校都在研究制作網(wǎng)絡課程，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)絡課件（如電大系統(tǒng)應用于遠程教育的TOD課件、IP課件）到現(xiàn)在的全智能錄課系統(tǒng)，[8] 網(wǎng)絡視頻公開課制作在很多學校已經(jīng)變得非常普及。雖然網(wǎng)絡視頻公開課的制作因為應用了智能錄課系統(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中的各種圖片、動畫、視頻和教學活動畫面進行無縫疊加。所以在現(xiàn)代化教學模式中，數(shù)字虛擬演播室可以將教學活動及相關教學資源進行高度集成、融合，方便快捷地制作出高質量的網(wǎng)絡視頻公開課。[9]

隨著虛擬現(xiàn)實技術以及網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在不久的將來，我們還會看到虛擬演播室可以通過網(wǎng)絡將各個學習移動終端連接起來（如智能手機、iPad平板電腦、筆記本等），學生可以通過這些移動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系統(tǒng)將提問學生的視頻轉發(fā)到所有在線的移動終端上，以這樣的方式突破空間的限制實現(xiàn)虛擬課堂教學。

五、結束語

技術永遠都在進步，數(shù)字虛擬演播室也不例外。虛擬演播室技術取代了傳統(tǒng)的色鍵摳像技術，制作技術手段也愈發(fā)先進，從二維虛擬演播室到三維虛擬演播室，隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，通過網(wǎng)絡還可以實現(xiàn)虛擬演播室和終端用戶的互動交流。只要我們能想到的，從技術層面來上說，就一定可以實現(xiàn)。技術永遠是為我們所服務的，隨著對數(shù)字虛擬演播室技術研究的不斷深入，其實際應用一定會越來越廣泛、越來越深入；隨著虛擬現(xiàn)實技術的研究不斷深入，數(shù)字虛擬演播室會走向互聯(lián)網(wǎng)和移動終端互動，從而改變我們的生活。

參考文獻：

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

[2]魏偉，馬歌.虛擬現(xiàn)實技術在高等教育中的應用和展望[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， 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[J].中國有線電視， 2004（Z2） ：112-114.

[5]孫墀.網(wǎng)絡直播數(shù)字三維虛擬演播室系統(tǒng)改造方案[J].廣州大學學報（自然科學版） ， 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)的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展， 2010（12）：213-216.

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

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

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

（編輯：魯利瑞）