超高清虛擬演播課程制作系統設計與應用

龔京民，許沁菲

（南京航空航天大學 信息化處，江蘇 南京 210016）

0 引 言

建設學習型社會，需要更多、更好的教育資源以提供給大眾學習。利用現代信息技術手段，加強優質教育資源開發和普及共享，對于進一步提高大眾的學習質量具有非常重要的意義[1]。近十年來，教育部相繼頒布了多個關于教學資源建設的文件，如《教育部關于國家精品開放課程建設的實施意見》《精品資源共享課建設工作實施辦法》《教育部關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》等，其中一個共性的要求就是建設高質量的課程教學資源。在國家相關政策指導和教育教學資源大力建設背景下[2]，各高校課程教學資源建設已初具規模。然而，經歷疫情期間的大規模在線學習后，學習者對教學資源的需求已不再簡單停留于認知上的滿足，更需要情感上的關懷[3]。隨著課程教學資源建設數量迅猛增加和質量要求的不斷提升，各高校均面臨著拍攝強度大、質量提升難、表現形式少、制作效率低以及資源同質化嚴重等問題[4]。為解決上述問題，實現優質教育資源制作的便捷性、豐富性和多樣性，各高校必須首先著力構建教學資源開發的基礎支撐環境。課程制作系統作為一個必不可少的基礎支撐環境，其功能的優劣將直接影響教學資源制作的質量和效率。

1 超高清虛擬演播課程制作系統的特點

超高清虛擬演播課程制作系統（以下簡稱課程制作系統）是一種基于計算機虛擬演播技術的教學課程資源制作工具，可以將教師本人以及講課的內容融入三維虛擬場景，從而實現更加生動、直觀的教學效果。課程制作系統在整體功能上能滿足各種課程，如微課、慕課、一流課程的拍攝制作需求，同時也能滿足形式多樣的講座、報告、專題欄目制作需要。系統搭建過程依據“場景布局合理、信號調試靈活、操作簡易方便”的建設思路，充分融合多種信號，將虛擬場景信號、攝像機信號、電腦PPT 信號及其他外來信號輸出至視頻導播臺[5]，通過視頻導播臺對輸入信號源進行特效、切換、調度等處理，最終由視頻導播臺AUX 接口（可指派）輸出至虛擬服務器、錄像機等設備，從而完成各類課程的拍攝、制作。除了滿足上述需求外，整個課程制作系統還具有以下幾方面的特點。

（1）穩定性。穩定性在課程制作系統中占據著至關重要的地位，這一點不容忽視。為此，課程制作系統采用了知名品牌如SONY，ORAD，YAMAHA，SHUER 等的成熟廣播級產品，以確保系統整體運行穩定可靠。

（2）易用性。系統在設計時，注重操作界面設計和交互設計，使得操作人員能夠快速上手并熟練完成各種操作。因高校制作團隊人數通常不多，故課程制作系統應做到盡量減少操作人員的數量，使用操作簡單易用，降低操作人員的學習和使用成本。

（3）可擴展性。建設系統時，充分考慮到未來可能的業務增長和技術發展，為系統預留了較多的擴展空間和接口，具有較強的可擴展性，能夠隨著錄制需求的變化進行功能升級和擴展，以便應對發展的需求。

2 課程制作系統設計

課程制作系統通過虛擬演播室技術，模擬多種真實的演播室場景，能夠實現多場景的實時動態鏈接，解決傳統演播室系統存在的場景單一問題，從而創造出逼真流暢、立體感強的電視演播室效果。在傳統色鍵摳像技術的基礎上，系統充分利用計算機三維圖形技術和視頻合成技術，提供虛擬背景和特效功能，可以從虛擬素材庫里選擇不同的背景場景，從而高效地制作視頻課程。

課程制作系統在整體設計上遵循簡單易用、方便靈活、易于操作的原則。在設計過程中將各個子系統劃分為若干個單元，在每個單元都設置足夠多的輸入、輸出路數，便于后期的擴展和升級。概括來說，課程制作系統主要由視頻系統、虛擬系統、音頻系統以及燈光系統四個部分組成。

2.1 視頻系統

視頻拍攝部分采用兩訊道（SONY HDC-3500）4K 演播室攝像機。攝像機為4K CMOS 感光元器件結構，62 dB 信噪比設計，可以拍攝4K/高清/標清等多種格式視頻，滿足高質量視頻拍攝需求。

視頻系統輸入有多個信號源，如兩訊道4K 演播室攝像機信號、虛擬渲染信號、HDVP 跟蹤信號及摳像信號等。考慮到產品兼容性，視頻切換臺采用SONY MVS-3000 視頻切換臺。切換臺標配32路信號輸入，確保所有信號源統一進入切換臺進行信號調度，標配16 路可指派AUX 信號輸出，可以將AUX信號指派給虛擬渲染服務器、錄像機等設備。切換臺具備2M/E 制作能力，每級M/E 帶有PGM，PVW 和2CLEAN 輸出，輸入、輸出形式多樣。

視頻信號通過虛擬渲染工作站和色鍵器摳像信號進行實時渲染合成，通過數字周邊視頻分配板卡，信號最終輸出到錄像機進行節目錄制、存儲。系統配備REDLINK 公司的專業錄像機系統UltraMCR-4000，可以錄制高清/標清等多種信號格式，支持錄制信號直接輸出至NAS 存儲設備，滿足非線性編輯工作站從NAS 存儲直接讀取、編輯素材的需求，有效減少素材拷貝工作流程。通過數字視頻分配板卡以及視頻切換臺將多畫面信號輸出到技術監視器、監看大屏，方便導播實時監看不同景區的拍攝信號。視頻系統整體架構如圖1 所示。

圖1 視頻系統框圖

2.2 虛擬系統

目前，主流的跟蹤方式為網格跟蹤或機械跟蹤。網格跟蹤具有虛擬定位快速、便捷、擴展性強且后期擴展無須增加硬件跟蹤設備費用等優點[7]，但其精度比機械跟蹤低。機械跟蹤具有虛擬定位準確、精度高、可以拍攝特寫等鏡頭、不受拍攝區域限制等優點，但是其虛擬定位操作較為復雜，而且后期擴展時需要重新購買機械跟蹤設備，成本增加較多。本系統通過采用“網格+機械”組合的跟蹤方式，可以合理避免網格跟蹤精度不高，機械跟蹤定位復雜、后期擴展成本較高的問題，同時利用兩者優勢，可以拍攝特寫鏡頭，可以隨時根據節目需要擴展拍攝機位，無須增加硬件成本。

虛擬系統采用以色列ORAD 公司的真三維高清虛擬演播室系統，包括攝像機跟蹤、虛擬播控、虛擬渲染（圖形渲染工作站）和場景制作、設計軟件等。兩通道高清有軌真三維虛擬演播室系統中，一個通道采用高承重云臺可負載提詞器結構，另一個通道采用遠程遙控云臺，可以在導控間對演播廳內的攝像機進行遠距離遙控。

虛擬系統信號是由攝像機拍攝網格視頻信號，經過網格捕捉服務器輸出跟蹤數據及攝像機遙控云臺跟蹤數據，數據信號輸出到圖形渲染工作站進行數據處理。同時，虛擬渲染工作站進行實時虛擬場景渲染，由色鍵器對畫面人物進行摳像。圖形渲染工作站將虛擬場景信號輸出給色鍵器，色鍵器將摳像人物信號與虛擬場景信號進行合成，便得到最終的虛擬場景實時合成效果。虛擬系統整體架構如圖2 所示。

圖2 虛擬系統框圖

2.3 音頻系統

為了滿足話筒拾音效果及使用美觀方便需求，音頻系統配備國際知名品牌SHUER 的專業級無線領夾話筒進行音源拾音。領夾話筒造型適合不同場景主講人、領導佩戴使用，最終成像畫面比較美觀。

導控間、演播廳為相對獨立空間（結構存在隔墻），同時環境中存在較多無線網絡、無線通話、無線視頻等信號干擾。對此，專門為無線話筒配備天線放大器、1/2 波長天線等設備。由無線話筒接收機天線進行信號放大并且延長至演播廳內，保證無線領夾話筒高品質音頻信號穩定輸出。

無線領夾話筒、錄像機等音源輸入至調音臺，現場有多路音源信號需要調音臺進行現場切換、調度等工作。該系統配備國際知名品牌YAMAHA 公司的01V96 數字調音臺，具有24 位/96 kHz 音頻解析能力、超高動態范圍、16 個高性能麥克風前置放大器等，保證音頻信號高品質調度、合成。經過數字調音臺的信號調度處理，音頻信號通過音頻分配板卡輸出至錄像機，通過錄像機完成視、音頻信號加嵌處理，由錄像機實時上傳，最終，成片信號存儲在NAS 陣列中。音頻系統具備專業監聽音箱以及監聽耳機，導播可以實時監聽PGM 音頻信號。音頻系統整體架構如圖3 所示。

圖3 音頻系統框圖

2.4 燈光系統

拍攝區域均勻布光是拍攝、摳像的首要條件。燈光系統中，背景光、頂光、側光及部分面光光源均采用LED 柔光燈，照度均勻，光質柔軟，對物體投像清晰，光影質量好。

燈光懸吊部分采用活動軌道和恒力鉸鏈的懸吊方式。采用活動軌道懸吊方式，可以增強燈光的靈活性和可擴展性，保證多節目制作的燈光布局需求，能夠使燈具前、后、左、右進行移動，實現靈活布光。為了滿足主講人的面部、下頜光源均勻，面光和側光均使用恒力鉸鏈。木制藍箱表面采用ROSCO 5710 專用藍色摳像漆，滿足專業虛擬設備拍攝藍箱視頻畫面色彩均勻度的技術要求。燈光系統整體布局如圖4 所示。

圖4 燈光布局圖

3 課程制作系統應用實踐

課程制作系統自2019 年10 月投入使用至今，已完成精品課程、線上直播、校園節目等多種課程形式的錄制，取得了較好的成果。其特點是不受教學場地的限制、可以隨時根據需求任意切換場景，從而滿足不同視頻制作的需求。此外，因其場景構建通過計算機軟件執行，擺脫了空間、道具的約束，節省了人力、物力。制作好的場景均保存在計算機中，切換操作簡便，縮短了課程制作時間，提高了課程制作效率。

3.1 精品課程錄制

針對不同的課程類型，課程制作系統能夠創造出演播廳、實驗室甚至太空等真實存在或是現實中難以到達、不存在的授課情境，豐富教學內容，同時也能激發學生的學習興趣。通過多機位攝像機的接入，PPT 課件等教學資源的引入以及二次處理美化，增加視頻畫面的層次感，使視頻的可視性得到提高。錄制的畫面質量及聲音品質有保障，搭配提詞器、返看屏等設備，系統能夠滿足各類精品課程的拍攝和制作，提升了課程視頻制作的質量。所具備的錄播系統可進行多機位同步錄制，不會出現音畫不同步的問題，降低了后期制作的時間成本，極大地提高了課程制作的效率。

南京航空航天大學目前已經利用課程錄制系統拍攝并制作了大量的微課、慕課等精品在線課程達360 余門，并上傳至南京航空航天大學課程資源共享平臺。其中，2021 年錄制的14 個微課獲得江蘇省微課大賽的多個獎項。

3.2 線上課程及比賽支持

課程制作系統因其場地設計的多樣化，也可應用于線上課程及比賽的錄制和直播。通過搭載虛擬場景PGM 信號的輸出，可將畫面輸出至計算機上的騰訊會議、ZOOM 等平臺，進行實時遠程觀看，打破了學生學習空間的限制。

以線上課程《基于力學與解剖學原理，游泳-蛙泳腿部技術教學》的線上授課為例，如圖5 所示，首先通過搭載虛擬場景的最終PGM 信號接入騰訊會議，將教師課程講授的畫面通過騰訊會議平臺展示給學生，并可隨時根據教學內容進行畫面切換；其次，利用HDMI 采集卡接入顯示屏，將騰訊會議中學生的畫面再返回給教師，同時在虛擬場景中添加信號輸入，將學生畫面同步展示在教學視頻畫面當中，使師生同在一個畫面里，從而增強線上線下的交互性，將教學過程完整地表現出來。此模式不僅打破了師生空間的壁壘，而且能吸引學生的注意力，激發學生的學習動力。本課程獲得了2023 年江蘇省高校教師創新大賽一等獎并入圍國賽。

圖5 利用虛擬演播室進行線上授課

3.3 校園節目錄制

課程制作系統已具備較好的聲音、照明、導播等專業設備。除了虛擬場景，系統也可以增加實際的講臺、桌椅，虛實結合，完成諸如《我說二十大》《防疫微講堂》等節目的拍攝制作，如圖6 所示。無須花費大量的時間、精力來搭設節目場景，節約了人力、資金，設計好的場景也可以保存在計算機中，重復利用，為學校制作校園節目提供了極大的便利。

圖6 校園節目錄制

4 結 語

超高清虛擬演播課程制作系統的建設，正逐步成為高校教育數字化建設的重要一環。采用虛擬演播室技術，可構造不同的場景，從而滿足各種教學資源的制作需求，有利于節約制作成本，提高制作效率。此外，應充分挖掘其多方面的應用價值，同樣在教學實踐應用方面做好基礎環境支撐，為師生創新思維和創意作品提供孵化地。