虛擬演播室技術在教學視頻資源建設中的應用研究

李 偉

（中國人民解放軍海軍航空兵學院信息管理中心，遼寧 葫蘆島 125001）

1 虛擬演播室技術概述

虛擬演播室技術是新興的融合了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。

不同的虛擬演播室對軟件的要求不盡相同，但其核心部分卻大同小異，主要由攝像機、攝像機跟蹤系統、計算機圖形工作站、色鍵合成器4個部分組成。攝像機主要用于攝取藍色幕布前真實的人或物。攝像機跟蹤系統主要用于獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數。計算機圖形工作站主要用于生成實時虛擬場景。色鍵合成器主要用于將攝像機前景和計算機虛擬場景合成一個場景。

2 虛擬演播室技術的發展現狀

攝像機跟蹤、三維場景生成、色鍵是虛擬演播室系統中三項關鍵技術，它們決定了虛擬演播室的質量和性能。隨著計算機、通信、三維仿真等技術的迅猛發展，虛擬演播室系統的各項關鍵技術也在不斷成熟完善。

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，它通過判斷攝像機、演員或節目主持人、計算機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。主要跟蹤方式有機械傳感跟蹤、超聲波跟蹤、紅外線跟蹤、圖形識別跟蹤等。

2.2 計算機虛擬場景生成技術

有別于普通的電視節目后期制作和三維動畫技術，虛擬演播室技術更加強調制作的現場感和可擴充的實時性。用計算機建立三維場景幾乎不受現實的限制。在虛擬場景中，主持人可以來回走動，場景中的虛擬物體可以實時地移動和處理，電視窗口能顯示外部視頻源送來的視頻信號。

2.3 色鍵技術

目前，在傳統的摳像技術基礎上增加了深度鍵，主要有“象素級”深度鍵和“分層級”深度鍵。“象素級”深度鍵技術相對于“分層級”深度鍵技術，它使構成虛擬場景的每一個象素都有了相應的Z軸深度值，虛擬物體、真實物體及表演者在節目中可以動態地相互遮擋，從而增加了虛擬場景的真實感。

2.4 輔助攝像機技術

輔助攝像機技術以圖形識別技術為基礎，是一種專用的小型攝像機。通過對格子圖案的視頻圖像信號進行分析，就可得到演播室攝像機的各種運動參數，實現極端推進、寬角度拍攝、室外操作及非藍演播室應用等，使演播室攝像機的拍攝不受任何限制。

2.5 燈光技術

在虛擬演播室中，所有光色必須保證藍色空間場地基色，以適應色鍵器摳像的技術要求。一方面，要使地面、墻面光線盡量均勻、無陰影；另一方面，要注意現場燈光與虛擬系統產生的場景光效之間的協調，以增強真實感。

2.6 “垃圾色塊”技術

或稱為“填補彩底”技術，使用這一技術后，攝像機拍攝到的非藍區域可自動由“垃圾色塊”來填補，使演播的范圍大大超出了演播室的藍色背景范圍，避免出現“穿幫”現象，具有“背景保護功能”。

其它新技術如虛擬陰影及反射技術可進一步增強場景的真實感；虛擬散焦功能可模仿幾何光學的原理，增強場景的縱深感。新的數字視頻處理器可完成高達每秒30億次的操作，從而建立逼真的3D環境。

3 虛擬演播室技術在教學視頻資源建設中的應用

虛擬演播室是一種全新的電視節目制作工具，近年來展示出了廣泛的應用前景。針對部分教育工作者在實際教學過程中提出的三個比較難以實現的教學過程，通過利用虛擬演播室技術得到了解決，達到了良好的教學效果。

3.1 虛擬演播室技術在“實物”講解視頻教學中的應用

在發動機原理與構造等實物講解課程教學過程中，教師在講解發動機的工作原理時存在課難講、課件難做、內容難理解等問題。為解決此類在教學中比較常用但制作講解相對困難的問題，針對課程的特殊需要，我們通過制作發動機三維模型，利用三維場景生成技術展示發動機整體及各部組件，配合教員的講解和動作，實時播放發動機三維動畫，利用色鍵技術開辟實時顯示窗口，展示每個組件的細部特征、工作時的狀態及各組件協同工作時的畫面，使學員通過場景的逼真創設，教員的生動講解，動畫的形象展示理解發動機的工作原理，同時要將教師的講解過程實時錄制成720×576（4：3）分辨率的avi文件，采用H.264編碼封裝MP4格式文件供學生下載學習。通過此種方法，極大地提高了課堂授課質量和學生的學習積極性，解決了此類課程課堂教學效果不佳的問題。

3.2 虛擬演播室技術在“現場”互動視頻教學中的應用

在國際關系等政治理論網絡課程制作中，針對學生在學習中提出的常見問題，易混淆的概念等情況，我們除了在課程的討論交流區予以解答外，還設計制作了互動視頻教學模塊實時解答學生提出的問題。要實現這種教學方式，在平時需要準備好交流場所，組織好參加人員到場，調試好至少兩臺攝像機，還需要將錄制完成的多個視頻文件導入編輯機中進行剪輯合成等多個環節才能完成。為解決此類在教學中比較實用的課堂教學方式，我們充分利用虛擬演播室技術，考慮到演播室空間有限，教師和學生不可能同時在演播室中面對面的實時互動交流，通過校園網，利用虛擬演播室的色鍵技術、跟蹤技術將其他教室中教師的實況視頻與本地演播室中學生的場景視頻實時地結合在一個虛擬場景中，設置展示窗口，教師、學生可以在虛擬場景中面對面地相互交談、演示。這種虛擬的出席方式并不需要教師或學生親身來到本地演播室參加節目的錄制，將此種方法進一步加以拓展，我們實現了教師遠程論文輔導、遠程教學等任務，增強了現場感、參與感。同時要將教師的講解過程實時錄制成1280×720（16：9）分辨率的avi文件，采用H.264編碼封裝MP4格式文件供學生下載學習。通過此種方法，不僅能夠節省時間及費用，更大大減少了旅途勞累，提高了制作效率，解決了此類教學的實際需要，獲得了較好的教學效果。

3.3 虛擬演播室技術在“實操”訓練視頻教學中的應用

在消防知識等課程教學過程中，開設了實操教學單元，要求學生親自動手協同配合展開實際操作。但在實際實施過程中，由于場所和經費有限，不可能實際建設所有需要的實操教學訓練場地及場景。為解決學生實操訓練需求，提高教學訓練效率，我們充分利用虛擬演播室的三維場景生成技術，通過制作三維仿真模型等模擬實戰化過程中的飛機、艦艇、導彈等，利用摳像技術在藍箱營造煙霧、雷電、有毒環境等，虛擬出實操場景，學生則各自扮演相對應的角色，在虛擬演播室中進行模擬實操教學訓練，同時將整個過程實時錄制成高清1440×1080分辨率的avi文件，采用H.264編碼封裝MP4格式文件供學生下載學習。廣大學生通過反復觀看錄制視頻，預先熟悉實操教學訓練的組織實施過程，掌握動作要領、操作程序。通過此種方法，較好解決了個別實操教學難以組織實施，現場感不強的問題，為學生下一步進行實操訓練打下了堅實基礎。

在實際應用過程中，要把握好教學設計、虛擬場景制作、組織實施等關鍵環節，同時，也要把握住不是所有的視頻教學內容都需要通過虛擬演播室來制作，也不是所有的教學內容都可通過虛擬演播室技術來實現。

綜上，我們簡要介紹了虛擬演播室技術及發展現狀，重點論述了其在教學視頻資源建設中的應用。隨著數字視頻技術、計算機技術、通信技術等相關技術的更新換代，虛擬演播室技術將不斷得到發展和完善。我們要掌握并在實際教學中正確運用虛擬演播室技術，不斷解決制約課堂教學授課質量的一些瓶頸性問題，制作出越來越多的精彩視頻資源服務于教學，為提高教育教學質量和效益，推動教學方法改革和教學模式創新發揮積極作用。

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