高 清 虛 擬 演 播 室 建 設 的 探 索 與 實 踐

林 鐄， 陳 龍， 路 慧

(杭州電子科技大學 教務處， 杭州 310018)

0 引 言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》指出:“加快教育信息基礎設施建設。信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視[1]。”隨著在線教育和移動學習的快速發展，《2015地平線報告(高等教育版)》顯示，高等教育機構正在開發更多的在線課程[2]，微課視頻逐漸成為一種高等教育中常見的學習資源[3]，但部分高校的精品課程與目前高端的在線開放課程水平還有差距，主要原因是缺少虛擬演播室這種類型的軟硬件拍攝設施[4]。虛擬演播室是實驗室建設工作的延伸，也是高校信息化建設的重點工作。

虛擬演播室是近年來在傳統的色鍵摳像技術基礎上興起的新一代視頻制作技術，融合了虛擬現實技術、傳統演播室摳像技術、三維圖像技術和視頻合成技術，將攝像機拍攝的以藍幕為背景的視頻圖像作為前景畫面實時與計算機圖形工作站的虛擬背景按照一定的透視關系進行數字化合成，使前景畫面與虛擬背景能夠同時變化，實現兩者完美融合[5]。高清虛擬演播室建設一般分為環境建設(聲學系統、燈光系統、藍箱)和系統設計(音視頻系統、錄制直播系統、編輯制作系統)兩個方面，兩個階段相互配合、有效銜接，與傳統演播室相比具有如下優點：① 不需要搭建場景，場景由計算機制作完成，可實現一室多用，根據不同的需求實現多種應用，如精品課程制作、實訓課教學、校園電視臺等；② 教學內容實時直播，可滿足遠程異地教學需要；③ 能輕松創設出生動的教學情景，置景輕松、交互性強，增強學生現場感和參與感。因其具有多場景、多功能應用，越來越受到高校的重視，并且在教育領域的應用做了具體探索[6-7]。

1 高清虛擬演播室環境建設

高清虛擬演播室是由原有教室改造而成，原教室墻壁和天花板都是粉刷面，地面采用瓷磚，吸音和隔音功能有限，需要多方進行改造達到規范要求。① 環境空間布局設計。將原有教室劃分成藍箱區、觀眾區、導播區和編輯制作室等區域；② 聲學設計。著重對原有結構、墻面、地面、吊頂以及門窗做隔聲和吸音處理，實現與外部隔離和內部噪聲控制。③ 燈光和藍箱設計。滿足前景畫面和虛擬背景完美融合。

1.1 聲學系統

高清虛擬演播室對聲學要求越來越高，主要包括噪聲和混響時間處理，噪聲處理的主要手段是采用隔聲措施，處理混響時間的主要手段是采用吸聲措施[8]。從吊頂、墻面、地面和門窗等多方面入手，確保演播室隔聲和吸聲要求達到設計規范。

在原來的天花板增加隔聲吊頂，用輕鋼龍骨做柵格式吊頂，覆蓋礦棉吸音板，板與天花板之間有一定空隙，穿過吊頂的聲音經過頂部粉刷面仍然會被反射到礦棉吸音板上被吸收。墻面搭建輕鋼龍骨基層骨架，在龍骨中填充吸音棉，而后訂上聚酯纖維吸音板；門窗做隔聲處理，表面覆蓋吸音板，門縫隙粘貼密封膠條，實現與外界環境的聲音隔離。地面鋪設地膠板，耐磨、易清掃、低噪音，隔音效果優于大理石、木地板等傳統地板材料，實現內部噪音的控制。

1.2 燈光系統

高清虛擬演播室中人、道具與虛擬場景完美融合的關鍵在于藍箱的制作工藝和合理的布光，藍箱和燈光效果直接決定摳像質量的高低。燈光系統包括燈具、吊掛和調光系統等[9]，燈光布局圖如圖1所示。

圖1 燈光布局圖

燈具選型：對比LED燈和傳統燈光，鑒于LED光源技術具備傳統燈光不具備的產生熱量小、節能環保、智能亮度調節、高光效、使用壽命長、能滿足高清拍攝等優勢[10]，采用18只LED柔光燈和4只LED聚光燈，LED柔光燈分別作為背景光、頂光、面光使用，LED聚光燈分別作為輪廓光和修飾光。

燈具吊掛系統包括DMX512信號控制線、固定鋁合金、滑動鋁合金軌道、燈具、電纜滑車、固定軌支架、軌道連接板和調光桿等設備。調光系統是一款標準DMX信號控制臺，操作簡單，通過推子和按鈕實現燈光亮度的控制，可以實現“一桿對一燈”、“一桿對多燈”的控制，根據視頻拍攝要求對燈光進行現場調節。

1.3 藍 箱

藍箱是一個藍色的盒子，攝像機在藍箱中拍攝的前景畫面所有藍色成分會被摳除，然后與虛擬場景進行數字化實時合成，如果藍箱的工藝水平不能滿足高清虛擬演播室系統的要求，就會產生人物出鏡的跟蹤路徑不準確的狀況[11]。因此高標準的藍箱是保證虛擬演播室摳像質量的關鍵因素之一。

藍箱類型主要有I型(1墻1底式)、L型(2墻1底式)和U型(3墻1底式)3種。對比這3種類型，U型活動空間大、攝像機受限小，能滿足建設需要。藍箱占地面積約30 m2，高出地面5 cm，結構框架、底面、墻面部分采用方形平板連接，墻面與底面連接處采用弧形處理，避免因產生陰影或黑線而影響摳像質量(見圖2)。經過膩子打磨、底漆和面漆多次上漆處理，在上漆過程中，采用進口ROSCO摳像漆，選擇滾刷更能使整個箱體涂抹均勻。底面配有一條藍色摳像地膠，避免底面重復刷漆，方便清潔和保護底面漆面，延長使用壽命。

2 高清虛擬演播室系統設計

高清虛擬演播室由專門的藍箱和燈光系統構成(見圖3)，通過多臺高清攝像機同時工作，每臺攝像機的位置、角度和景別可以根據實際的拍攝需要進行調整；電容話筒、領夾話筒等拾音設備輸入調音臺實現高質量聲音采集，提高視聽效果；錄播摳像一體機匯集攝像機、調音臺、交互式智能平板等音視頻信號，操縱導播臺實現多機位的場景切換，完成畫面的選取、組接、實時摳像和錄制，高質量視頻內容提高畫面可視性。通過校園網直接將音視頻信號上傳到我校的開放式教學平臺，可實現直播、點播和下載等功能；導入非線性編輯系統可作為素材完成精包裝視頻的制作。

圖2 改造后的藍箱實景圖

圖3 高清虛擬演播室系統結構圖

2.1 音頻系統

音頻系統實現畫面聲音的采集和混音，將信號輸出到錄播摳像一體機中進行錄制，實現制作數字化；輸出給多媒體教學系統的功放，進行現場擴音。設備包括調音臺、音頻處理系統、監聽耳麥、錄音棚電容話筒、領夾無線話筒和手持無線話筒等。

考慮到高清虛擬演播室多用途，配置無線話筒滿足精品課程和校園電視臺節目的制作；錄音棚電容話筒具備大動態范圍、高聲壓級、低底噪等優點，能滿足演講和樂器演奏錄制要求。調音臺采用雅馬哈多功能調音臺，確保聲音純凈性，具備話筒輸入和立體聲線路輸入功能，內建SPX效果器提供范圍廣泛聲響效果。

2.2 視頻系統

景別是指被攝主體在屏幕框架結構中所呈現的大小和范圍，分為全景、中景、中近景、近景、特寫5種，使畫面對事物的表現和敘述更有層次和重點[12]。為了滿足校園電視臺、精品課程制作以及學生活動等不同應用場景需求，從鏡頭豐富角度和清晰度考慮，配置多臺PMW-300K1手持式攝像機，即可滿足演播室內拍攝，又能單獨外出拍攝。每臺攝像機分別用一根電纜連接到錄播摳像一體機，實現多機位拍攝和畫面選取，能以MPEG-2 HD422錄制50Mbps的高清素材。

交互式智能平板集成了電子白板、多媒體顯示、音箱、電腦、智能觸控等多種功能于一體[13]。在錄制課程可以作為內容呈現的媒介，如播放PPT、視音頻，當提詞器使用等；也可以實現互動教學，支持多點觸控，幫助老師完成知識點講解，更加貼近真實課堂。

2.3 錄制直播系統

傳統的錄制直播系統需要節目信號切換、調音臺、字幕疊加、編碼器、攝像機等在內的多組設備完成，雖然方案成熟，但是成本高昂、攜帶不便，在高校適用性不高。對比多種解決方案，我校采用錄播摳像一體機，其體積小，方便攜帶，高度集成信號采集、錄制導播、同步字幕特技于一體，特別融入廣播級摳像技術，滿足精品課、實踐課、校園活動等各類場景的應用。

錄制系統從視頻制作的各個環節把控，能實現專業廣播級質量的視頻錄制。錄播摳像一體機采用廣播級視音頻板卡，從源頭保證信號采集質量；支持多機位同步錄制，錄制分辨率可任意調整，支持廣播級1 920×1 080、公開課視頻1 024×576等格式視頻錄制，滿足多樣化編輯制作需求；廣播級一鍵式虛擬摳像技術，支持多種背景的摳像方式，如圖片、視頻等，提供最震撼的虛擬場景體驗。直播系統通過校園網將高清虛擬演播室內的音視頻數據流推送到開放式教學平臺，師生通過瀏覽器即可觀看實景與虛擬背景實時疊加的節目、發表看法，增加雙方交流。

2.4 編輯制作系統

為了滿足精品課程、優質課程、實踐實訓課程的精細剪輯和效果包裝，建立非線性編輯室，配置5臺非編工作站和廣播級非線性編輯軟件U-EDIT，錄播系統與非編軟件無縫互聯，在錄制過程中多路景別的多個文件一鍵式導入非編軟件，快速定位鏡頭切換點，極大地提升了后期編輯效率，至少節省了50%的編輯時間。

編輯制作系統實現視頻、音頻、圖文和動畫的混合編輯，提供強大而簡潔的功能滿足教育應用，如制作精美片頭片尾視頻，視頻銳化工具突出板書內容；可對課件進行二次創作，實現動態圖表，幾何、電路等動畫效果，完成特技疊加、字幕添加等；制作滿足教育部公開課要求的獨立SRT格式字幕。編輯完成的視頻可一次性輸出多種格式文件，提高視頻資源生成效率。

3 高清虛擬演播室應用

高清虛擬演播室自2017年4月份投入使用后，因其虛擬場景由計算機設計完成，無需搭建實景，可以不受時空的限制；不同的活動可共用演播室，只需變換不同的虛擬場景，一室多用突破學校教學場地和資金的局限。因其創意自由、情景性強，在教育領域的應用具有獨一無二優勢，可用于精品課程制作、實踐實訓課教學、學科競賽視頻制作和校園電視節目制作等，目前已完成大量的視頻制作，取得了較好的效果。

3.1 精品課程錄制

慕課和微課的興起，給學校視頻課程建設提出了新的要求[14]，相對于屏幕錄制軟件+PPT、屏幕錄像軟件+手寫板+畫圖工具、DV錄像機+白板等課程錄制方式[15]，高清虛擬演播室構建的場景幾乎不受時間、空間和距離限制，可讓教師仿佛置身于歷史場景、任何風格的建筑物或大自然，實現現實世界中存在或不存在的許多場景，通過情景化教學提高教學效率；可整合各種教學資源，對課件進行二次處理，表現手法多樣性、畫面質量和聲音效果高、內容生動豐富，使視頻可視性得到顯著增強，增強師生交互性。能滿足精品、優質課程的錄制和制作，提升了課程制作水平。我校利用高清虛擬演播室已經完成大量精包裝課程的拍攝和制作，目前學科導論課、微課程、翻轉課堂等部分課程的視頻已經在演播室內完成制作并上線；在2017年舉辦的浙江省高校微課教學比賽中，在演播室拍攝制作的視頻榮獲一等獎3個、二等獎2個、三等獎1個。

3.2 實踐課教學

高清虛擬演播室因其構成要素的綜合性，可一室多用，為數字媒體技術、傳播學專業的學生提供實訓場地，承擔“多媒體技術”“影視后期制作”“音視頻節目制作”“音頻視頻采集與編輯課程設計”“微視頻編創”“數字信息采集與非線性編輯”等課程的實踐教學講授環節和技能操作環節，極大方便實訓教學地開展和提升學生攝像技術、后期制作等綜合實踐能力。

利用高清虛擬演播室全方位、多角度展示各種實驗操作細節，將一些抽象的理論知識、公式和定義等用圖形、動畫或虛擬場景模擬效果，對一些關鍵的步驟用特寫鏡頭藝術化呈現，將微視頻引入實驗教學，解決傳統實驗教學中教學效果不理想的問題，實現理論和操作的有效結合，提高學生學習興趣和教學質量，目前我校已利用演播室完成《大學物理》等課程實驗部分的視頻錄制和制作。

3.3 服務學生活動

高清虛擬演播室多樣化的空間設計，只需利用軟件制作相應的場景，幾名學生就可以完成節目的拍攝和后期編輯制作，充分發揮其操作簡便、制作精良等優勢，開展各類學生活動，深受學生喜歡，成為學生課外實踐的主要場所之一(見圖4)。

學生課程微視頻、情景劇表演、學科競賽展示視頻等課外實踐和學生活動項目均可在演播室制作完成，很好地解決了當初學校沒有演播室，學生需要花大量的時間和金錢找廣告公司租場地、租設備等問題。目前學生在演播室制作的學科競賽參賽作品，已獲浙江省大學生中華經典誦讀競賽、大學生電子商務競賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽以及大學生藝術節等多項競賽多個一等獎。

圖4 學生在高清虛擬演播室拍攝情景劇

3.4 校園電視節目制作

高清虛擬演播室不需要高額的布景搭建費用，也不需要額外的設備和維修費用，且多個場景可重復、循環使用，提供專業的攝制環境，達到與電視臺專業演播室基本一致的建聲、照明等專業技術要求，滿足校園新聞、學校宣傳片的錄制和制作要求，無需花費大量的時間和人力、物力就可以制作出豐富多彩的節目，具有極高的性價比，可以方便學校的宣稱工作，樹立學校的形象，目前我校將其應用到校園新聞、宣傳片和國家級教學成果獎視頻的制作。

4 結 語

隨著電視制作技術、圖形圖像處理技術、計算機和多媒體技術的發展，高清虛擬演播室技術日趨完善，配備多種音視頻設備和編輯制作軟件，場景由計算機制作完成，創意自由、布景輕松、情景性強，前景畫面實時與虛擬背景進行數字化合成，滿足多場景多功能應用，將其應用于高校教育中，能承接精品課程制作、校園節目錄制、實踐課教學和學生社團活動，帶來更直觀的視覺效果和全新的教學體驗，深受師生喜歡，極大地提高學校的教育教學質量和水平。