虛擬演播室技術在微課視頻制作中的運用探究

吳敏為

（無錫南洋職業技術學院，江蘇無錫,214000）

0 引言

在現代信息技術飛速發展中，多媒體技術的廣泛運用為各個領域技術革新提供了新的發展方向，而隨著虛擬技術的出現，其同樣也為信息社會技術探究帶來了全新思路。尤其是對教育教學和節目制作等領域發展而言，越來越多的網絡視頻資料和在線學習平臺讓人們在重視應用技術的同時，提出了更高的發展標準。在教育教學領域中構建虛擬演播室系統，不僅能為師生教學提供更為廣闊的想象空間，還可以擺脫傳統教學模式的限制，使師生在零距離中學習互動。微課作為網絡課程建設發展中的典型代表，實際教學時間較短，所學內容較少，但內容設計獨特且具有趣味性，有助于觀看者快速了解并熟練運用某個知識點。在現今教育革新發展中，如何制作好微課視頻是技術探究的主要課題，合理運用虛擬技術是目前科研學者關注的焦點內容。

1 虛擬演播室技術的運作機制

以虛擬現實為核心的虛擬演播室技術作為計算機視覺圖像理論發展的突出代表，主要源自于傳統意義上的色鍵摳像技術，但兩者也存在本質上的差別。色鍵摳像技術要在藍色或綠色背景下完成前景拍攝，而后利用另一背景視頻圖像取代當前視頻中的藍色背景，將前景鍵入到背景中[1]。從實踐角度來看，這項技術的應用問題主要集中在攝像機的位置和角度變化中，背景視頻圖像無法跟隨兩者產生變化，這就導致所構成的圖像視頻，缺少真實感和立體感。而虛擬演播室技術會根據傳統技術優勢，合理運用計算機三維圖像技術和視頻合成技術，在明確攝像機位置焦點等各項參數之后，保障虛擬場景的透視關系和前景具有一致性，最終在色鍵合成之后，保障前景中的人物道具完全融入到計算機所構建的三維虛擬場景中，由此獲取真實且立體的演播室效果。

2 虛擬演播室的技術要點分析

從本質上講，虛擬演播室系統的技術應用不僅要構建虛擬背景，還要保障期和前景得到充分融合。結合如下所示的結構圖1分析可知，虛擬演播室技術要點涉及到以下內容：

圖1 系統結構圖

2.1 場景建模

利用計算機在構建模擬三維背景圖像之前，要先對場景中所包含的物體進行建模分析，常見的建模軟件有Maya、Alias、Flame等內容，其不僅能提供精確的物體幾何參數，還可以直觀描述相關物體。虛擬演播室技術既要構建和真實物體類似的模型，又要在質感、形態等方面等方面表現出真實性。這項操作主要分為兩方面內容，一方面是指幾何建模，主要利用三角形或多邊形構成目標的立體外形，另一方面是指形象建模，主要對幾何建模的結果進行光照、顏色、紋理等方面的處理。同時，也可以直接從圖形商品庫中獲取所需要的幾何圖形。需要注意的是，構建具有真實感和立體感的虛擬物體是一項需要消耗大量時間和精力的制作技術過程，假設為了增強建模對象的真實感，導致所構建模型過于復雜，那么虛擬演播室的實時技術難以滿足其要求。

2.2 攝像機跟蹤

虛擬演播室會利用真實的演播室攝像機和虛擬的攝像機進行同時運行，前者主要用來拍攝真實的道具和演員，而后者會拍攝虛擬場景。在實踐工作期間，攝像機跟蹤主要用來獲取精準的位置、鏡頭、方向等參數信息，并將其運用到三維背景圖像生成中，保障真實攝像機和虛擬攝像機同步進行。現階段，攝像機的跟蹤方法分為三種：首先是指固定程序法，主要是利用具備編程系統的特殊攝像機，預先設定攝像機的鏡頭、方向、位置等基本參數，并將有關內容傳遞到虛擬和真實的攝像機中。雖然這種方法在實踐操作中具有極強的有效性，但因為整體操作并不具備靈活運用度，所以很少在虛擬演播室系統中運用；其次是指機械傳感器跟蹤方法，一方面會在攝像機的三腳架頂端安裝跟蹤機站，另一方面會在升降架和滑軌上安裝跟蹤器，最終將有關基礎信息傳遞給計算機。這種應用方法并沒有尺寸或形狀等方面的限制條件，實際攝像機的運動也不會受到限制，支持運用多種角度進行拍攝。但要為所有攝像機配備專業的跟蹤系統，所以實際應用成本較高，設備儀器的精度要求也會隨之提升；最后是指圖形識別法，主要是結合攝像機所獲取的圖像信息，對攝像機的各項參數進行設計。根據拍攝期間藍色背景網格成像的具體變化，利用圖像分析方法準確計算出各項參數的變化趨勢，比如說焦距、位移等，以此在跟蹤調查分析中掌握更多信息[2]。這種方法并不需要準備特殊的硬件，但對算法的應用精度和有效性要求極高，且只能利用擁有藍色背景的演播室。

結合內部跟蹤原理分析，攝像機所選用的定位跟蹤系統主要分為兩種形式，一種是指光學是攝像機定位跟蹤系統，另一種是指非光學是攝像機定位跟蹤系統，具體分類如下表1所示。

表1 不同攝像機定位跟蹤系統的對比分析

本文研究主要以前者為例，在單目光學式攝像機定位跟蹤系統中，其會結合視覺定位技術，利用跟蹤攝像機獲取二維圖像，由此準確計算主攝像機的三維位置和姿勢變化，并結合所輸入的二維圖像來呈現三維世界。其中，攝像機標定是運用空間中已知的目標特征點的三維坐標信息和圖像中特征點的二維坐標，獲取攝像機的內部參數，具體過程如下圖2所示：

圖2 攝像機標定流程圖

也可以得到：

攝像機的外部參數要運用旋轉矩陣R與平移向量t進行計算分析，內部參數矩陣A會根據焦距變化而產生改變，結合外部參數矩陣可以將世界坐標體系中的三維點坐標P（X，Y，Z）轉變成相機內部坐標（x，y，z），具體轉化過程如下所示：

可以對（x，y，z）進行歸一化處理，以此進入到平面z中，由此獲取：

那么圖像坐標系中的坐標則是：

完成上述計算，可以根據內外參數變化實時進行定位跟蹤，并完成三維圖像的重新建模；根據內部參數和多個三維點的投射坐標，可以準確計算和標記外部參數；根據已經明確的標記板視圖，可以準確計算內外參數變化。

而在雙目光學攝像機定位跟蹤系統中，其會運用兩個跟蹤攝像機來獲取實時的特征數值和深度數值，且保障兩者處在同一平面，各項參數設計具有相同性。在明確焦距f的基礎上，可以獲取深度數值的計算公式，具體如下所示：

相應的深度數值為：

結合上述公式推導分析，空間內部某個點的深度是：

z=f×b/d

在明確相機的基線b、視差d、焦距f等信息就可以準確計算深度數值。

2.3 虛擬背景

在明確攝像機參數之后，就可以得到虛擬攝像機的各項參數，由此構建并生成虛擬背景后的圖像序列。由于這項操作的計算數量較為龐大，所以可以優先選用大型計算機系統和處理卡進行研究。通常來講，圖像序列不僅要實時構成，還要具備廣播級的圖像質量[3]。但從技術角度來看，圖像質量和生成時間很難同時滿足。因此為了解決這一問題要利用預處理技術，先獲取虛擬場景中的描述結果，這樣有助于實時生成期間運用簡單便捷的方式提升圖像質量。這種方法的基本原理在于準確計算出給定視點的可視表層和不可視表層，本文研究可以利用分析的方式進行計算，也可以選擇數字方式得到圖像中的像素點。需要注意的是，實際描述結果需要準備充足的內存空間，原因在于實際計算步驟較為復雜，所以為了保障整體系統運行的有效性和安全性，必須要選擇大容量的儲存空間。

2.4 合成圖像

最終輸出內容要將實際拍攝前景和三維背景圖像融合到一起。一般來說，在融合之前要先將拍攝的人物圖像提取出來，再利用傳統意義上的色摳像技術有效分離人物和藍色背景。因為前景圖像要和最終獲取的三維背景有效融合，所以在設計拍攝期間，必須要充分掌握前景圖像所包含的深度信息。簡單來講，深度就是指背景和前景圖像像素與攝像機之間的距離，此時合成也被看作是深度合成。對虛擬三維背景而言，所有像素點的深度數值都可以利用虛擬模型和虛擬攝像機參數進行準確計算，但實際拍攝的深度數值很難根據所獲取的前景人物圖像進行計算[4]。由于前景人物的厚度和寬度相對于人物和攝像機之間的距離較小，所以可以將其看作是確定數值。在虛擬背景較為復雜的情況下，可以將前景圖像分成多個深度數值一致的部分，而后進行估計分析。在最后合成期間，如果前景的深度數值低于背景的深度數值，那么就要輸出前景的圖像，反之則輸出背景的圖像。需要注意的是，前景圖像是在演播室進行實景拍攝，而背景圖像是利用計算機技術進行生成，由于兩者的照明條件存在較大差異，所以在技術合成期間要根據科學調整減少彼此之間的不協調性。

3 如何在微課視頻制作中應用虛擬演播室技術

3.1 真人拍攝型

在真人拍攝型的微課視頻制作中，利用虛擬摳像技術將所需要的目標從圖像視頻中分離出來，且保障目標的邊緣細節具有完善性和真實性，最終有效融合前景畫面和背景圖構成全新的鏡頭。在這一過程中，虛擬摳像技術包含兩方面的意義，一方面虛擬是指運用先進技術理念，獲取在真實環境中無法得到的特殊效果，比如說特效道具、三維動畫等；另一方面摳像是指在拍攝畫面中單獨獲取所需主體后進行編輯設計，比如說教師可以站在藍色的背景攝影棚中，運用摳像技術清除背景顏色，從而單獨獲取教師的畫面，最終和所需要的場景合成全新的畫面。在傳統意義上的微課視頻制作中，大部分教師都會利用錄音筆、視頻軟件等技術完成教學PPT和聲音融合的簡單制作，整體形勢較為單一，所獲取的教學視頻質量不高[5]。而利用虛擬演播室技術可以在實時融合場景人物的基礎上，運用多樣化的方式呈現更多教學知識，有的還可以和虛擬人物進行互動交流，這樣不僅能拓展學生的思維空間，還可以增強他們在微課教學中的想象創造意識，最終構建形式多樣內容豐富的微課環境。

3.2 真人實操型

虛擬場景的設計制造分為兩種形式，一種是指二維場景，另一種是指三維場景，前者是指傳統意義上的微課視頻，比如說PPT、視頻圖像等作為平面背景，可以直接放在教師身后作為背景利用；而后者需要借用合成軟件等先進技術理念進行輔助設計，首先要運用3Dmax等內容繪制出所需場景，其次要將場景導入到虛擬演播室系統中和教師畫面融合，最終構建全新的視頻場景。對虛擬演播室系統而言，所包含的技術平臺有助于教師運用虛擬場景和觀看視頻的人進行線上互動溝通，以此獲取更加真實的體驗。從實踐應用角度來看，虛擬演播室技術，不僅能便捷有效的完成場景設計和制作，還可以結合不同類型的課程需求，構建多樣化的虛擬背景，促使微課視頻制作背景畫面變得更加完善協調[6]。除此之外，虛擬演播室技術所構建的真實感和多樣性課程，有助于觀看者再產生積極學習興趣的同時，模擬運用所學理論知識，這樣不僅能擺脫傳統教育理念的限制，還可以更快學習邏輯性和實踐性較強的基礎知識。

4 結語

在社會經濟和科技技術革新發展中，微課視頻制作也逐漸涌現出混合性和專業性等特征，因此合理運用多樣化的技術理念進行創新研究是微課領域發展的必然選擇。結合本文提出的虛擬演播室技術進行優化升級，不僅能豐富視頻制作的內容和形式，還可以結合虛擬場景、摳像技術等完成多樣化場景的拍攝與合成，最終為各個領域的微課教學指導提供技術保障。同時，還要根據技術發展要求加強專業人才的培養力度，積極學習借鑒優秀的制作經驗，注重根據教育革新，要求設計具有針對性和獨特性的微課視頻，由此充分展現虛擬演播室技術的獨特優勢。