論虛擬演播室系統在院校教學中的應用與發展

王勤敏+劉洋志

【摘要】隨著數字化廣播電視技術的發展，計算機模擬技術的不斷成熟，一種新型的教學媒體逐漸登上院校教學舞臺，這就是虛擬演播室系統。

【關鍵詞】虛擬演播室系統 院校教學 網絡遠程教育

【中圖分類號】G52 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）23-0030-02

虛擬演播室是一種新型的電視制作技術，它是計算機虛擬現實技術與傳統的演播室色鍵摳像技術相結合而生成的技術。它的核心在于用攝像機的鏡頭變化與位置變化來控制計算機中的虛擬攝像機的變化，從而獲得更加真實的電視畫面。當前虛擬演播室技術被廣泛應用于軍隊院校教學機構中，為軍隊院校教學注入了新鮮的發展血液。

一、關于虛擬演播室技術的概述

（一）虛擬演播室技術的含義

所謂虛擬演播室技術，就是指一種新型的電視節目制作工具與技術，它包括攝像機跟蹤技術、計算機虛擬場景設計技術、色鍵摳像技術、視頻合成技術、燈光技術等部分。它是在傳統色鍵摳像技術的基礎上，利用視頻合成技術和計算機三維圖形技術，根據攝像機的參數與位置，使三維虛擬場景的前景與透視關系保持一致，在經過色鍵摳像技術合成后，使得前景中的人物看起來像是浸進于計算機所產生的三維虛擬場景中，而且能在其中運動，最終創造出立體感強、逼真的電視演播室效果，給人們帶來新的視覺享受的技術。

（二）虛擬演播室的關鍵技術

1.計算機虛擬場景生成技術

所謂計算機虛擬場景生成技術，是指利用虛擬演播室配備的計算機調整事先做好的三維虛擬場景，并根據主機傳送過來的攝像機運用數據及時地計算出虛擬場景中三維電腦場景的運動，進而建立三維模型。它主要分為三維虛擬演播系統與二維虛擬演播室系統兩個部分。

2.攝像機跟蹤技術

攝像機跟蹤技術是虛擬演播室技術中的一項關鍵性的技術，主要包括紅外線傳感，圖像識別，超聲波傳感，機械傳感等部分組成。它可以提供攝像機的運動來獲取計算機在虛擬演播室中的實際的動作參數數據與位置參數數據，進而判斷教員、學員、計算機虛擬的場景及攝像機之間的關系，幫助后期制作人員確定虛擬攝像機與真實攝像機之間的對應關系。

它的工作原理是計算機將監測到的攝像機的聚焦、升降、拉、搖、移等運動的數據，通過傳感器傳送到校準器，使得真實攝像機與虛擬攝像機的位置關系是一致的。

3.輔助攝像機技術

輔助攝像機技術是以圖形識別技術為基礎，可以說是圖形識別系統的一種擴展。輔助攝像機是一種專用的小型攝像機，它可安裝在任何一個演播室攝像機的頂部。而格子圖案可以是任意顏色的，可安裝于攝像師的后部、側墻或天花板上。當演播室攝像機拍攝表演者時，輔助攝像機就會拍攝到格子圖案，通過格子圖案的視頻圖像信號進行分析，就可以得到演播室攝像機的各種參數。使用輔助攝像機技術后，演播室攝像機的拍攝可不受任何限制，可實現極端推進、寬角度拍攝、室外操作級非藍演播室應用等。

4.燈光技術

在虛擬演播室內，所有的燈光必須保持與藍色場地的基色相一致，對于演播室的墻面與地面的燈光要做到沒有陰影、均勻的效果。同時要協調虛擬演播室系統生成的場景燈光與現實燈光的光色相一致。

5.“垃圾色塊”技術

使用虛擬演播室系統制作節目時，當攝像機無意間拍攝到非藍區域時，會出現“穿幫”現象。為了克服這一現象，出現了“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，因此它具有“背景保護”功能，使演播的范圍大大超出了演播室的藍色背景范圍。另外，這種技術還可用來制作虛擬天花板。

6.色鍵摳像技術

色鍵摳像技術，就是指在構成虛擬演播室系統的過程中，色鍵要具備縱深方向的信息，也就是要求虛擬演播室的攝像機到每一個色鍵對應的像素的距離。在傳統色鍵摳像技術的基礎上加入深度色鍵，可以達到這樣的目的。人物在虛擬演播室的位置是精確的，人物可以處于虛擬演播室內物體的任何一個地方，給電視觀眾最真實的距離感。

7.視頻合成技術

視頻合成技術，是指充分利用色鍵摳像技術，將虛擬演播室內的背景與前景相混合，將拍攝的錄像和虛擬場景結合，通過運用色鍵技術中的色鍵混合器、視頻幀同步器、前景視頻延時器來共同完成，最后導出視頻。

二、虛擬演播室技術應用

在傳統的演播室制作電視節目時，有一定的局限性，如疊加合成的節目畫面缺乏景深和真實感，合成的畫面使人感覺較生硬等。但在虛擬演播室系統中引入了虛擬現實技術中的信息交互技術，它將虛擬攝像機與真實攝像機鎖定，攝像機拍攝的圖像與電腦制作的虛擬場景完美結合。因此用計算機制作出來的三維背景可隨真實攝像機的推拉搖移而產生正確的透視變化，使合成畫面的真實性大為增加，接近實景中的拍攝效果。

虛擬演播室工作流程如下：

1.藍色實景現場

虛擬演播室是色鍵摳像技術與電腦虛擬現實相結合的產物，它與傳統演播室大不相同。它以計算機三維動畫“虛擬”出的場景取代道具實景，攝像機所拍攝的現場已不是一般意義上的主講教員或學員活動的地方，而是虛擬畫面應用空間的組成部分，它的實際意義僅僅是空間場地尺寸的大小，現場所有布景全部由單一的藍色所取代，以作為將來摳像的基準色，圖像的前景是不同機位的攝像機拍攝到的主講教員的畫面素材，教員所在的實景現場的全部藍色區域將被合成到計算機三維動畫生成的虛擬場景中。

2.攝像機跟蹤技術

虛擬演播室中的一項關鍵技術是攝像機跟蹤技術，即如何判斷攝像機、被攝人物、“虛擬”背景之間的相對位置關系，使之實現“同步”。實現“同步”的關鍵是連續跟蹤獲得攝像機的運動參數，這些參數包括鏡頭運動參數、聚焦、變焦、光圈、機頭運動參數，搖動及空間位置參數，移動位置參數等。目前成熟的跟蹤技術主要有圖形識別和以機械傳感器為基礎的跟蹤系統兩種方式，同時這也是虛擬演播室兩大類別的主要區別。圖形識別方式需要一個畫有特殊網格的藍色背景幕布，它將攝像機所拍攝的畫面送到數字視頻處理器中進行處理。通過對該畫面中網格固有的不同特性和透視關系進行計算，得出有關攝像機的運動參數，機械傳感器則是通過安裝在攝像機云臺及鏡頭上的傳感器獲得有關攝像機的動作參數。這兩種方式各有特點，圖形識別方式的優點是對攝像機的數量和操作不加限制，可以配置多臺攝像機并給予攝像師最大的操作自由度。缺點是要對所拍畫面進行大量的數據計算會造成較大的延時。只有當被攝畫面包含一定數量的網格時才能進行測量計算，這使被拍攝人物的活動范圍受到一定的限制。為了精確跟蹤計算，必須保持用于識別背景的網格始終清晰。這使得攝像機景深范圍受到限制，無法拍攝特寫鏡頭，由于背景采用深淺兩種藍色，對燈光布置的要求非常嚴格，而且要使用質量較高的色鍵控制器進行摳像。機械傳感方式可以彌補圖形識別方式的不足之處，但其最大缺點是攝像機拍攝時不能移動，位置必須固定每換一個位置都要重新進行定位調整。

3.計算機部分圖形工作站硬件

虛擬演播室系統配備的計算機目前主要有兩種：基于Unix系統的圖形工作站和基于Windows NT系統平臺的PC機，它像一個小型計算機網絡，主機為網絡中心，它是虛擬演播室的控制中心，是虛擬演播室節目制作的導控臺。它除了調用和調整事先做好的三維虛擬場景，還負責向圖形發生器傳輸圖像數據及處理由攝像機跟蹤器傳來的攝像機運動數據。在這里，圖形發生器扮演著十分重要的角色，它根據主機傳來的攝像機運動數據實時地計算出虛擬的三維電腦場景的運動，以保證其輸出的虛擬背景與真實的前景同步軟件。目前三維建模和動畫軟件很多，在這里不介紹了。

三、虛擬演播室在院校教育技術中的發展

虛擬演播室系統的運用，可以突破傳統電化教育的局限性。虛擬演播室的一個重要優點就是空間的虛擬性和模擬手段的多樣性，能夠從根本上改變傳統電化教育中依托演播室錄制課程的空間和技術局限，改變傳統演播室建設成本高、課程互動少、教學模式單一等現實問題。

虛擬演播室系統的運用，還可以克服網絡遠程教育先天不足。網絡遠程教育中，如何完美地將教學課件與教學視頻結合在一起一直是教育技術工作者試圖解決的問題，但是效果往往并不理想。通過虛擬演播室技術，制作人員可以通過電子背景的切換，將主講人完美地嵌入教學課件中，達到較好的教學效果。

此外，在傳統教學中，受制于實驗設備、實驗場地、教學經費、教學條件等諸多因素的限制，某些高成本課程開設難度較大。利用虛擬演播室系統，學員可以在虛擬化的條件下進行教學與實驗操作，可以獲得與現實教學比較一致的教學體會，從而在控制成本的情況下，提高教學效果。

虛擬演播室的優勢是顯而易見的，但它在技術和應用方面也存在一定的局限性，比如會因計算機的運算速度跟不上而被迫放棄一些復雜的背景等，但隨著計算機技術的發展和計算機三維圖像軟件的開發，虛擬演播室技術必將不斷完善。它將與真實演播室混合發展，為院校教學和現代化遠程教育精品課資源建設節目制作拓展更大的空間。

參考文獻：

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[2]鄭翔.虛擬演播室技術特點及應用[J].有限電視技術，2011（6）

[3]朱勇.《虛擬演播室系統及其關鍵技術》文章編號：1008-4207（2001）05-0053-03