李 偉

（中國人民解放軍海軍航空兵學(xué)院信息管理中心，遼寧 葫蘆島 125001）

1 虛擬演播室技術(shù)概述

虛擬演播室技術(shù)是新興的融合了計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)與傳統(tǒng)演播室色鍵摳像以及多媒體、三維和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合媒體技術(shù)。通過虛擬演播室技術(shù)，計(jì)算機(jī)制作的三維虛擬場景與攝像機(jī)拍攝的人物活動圖像進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時(shí)合成，使人物與虛擬背景能夠同時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)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(jī)、攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形工作站、色鍵合成器4個(gè)部分組成。攝像機(jī)主要用于攝取藍(lán)色幕布前真實(shí)的人或物。攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)主要用于獲取攝像機(jī)在演播室中的實(shí)際位置參數(shù)和動作參數(shù)。計(jì)算機(jī)圖形工作站主要用于生成實(shí)時(shí)虛擬場景。色鍵合成器主要用于將攝像機(jī)前景和計(jì)算機(jī)虛擬場景合成一個(gè)場景。

2 虛擬演播室技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

攝像機(jī)跟蹤、三維場景生成、色鍵是虛擬演播室系統(tǒng)中三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它們決定了虛擬演播室的質(zhì)量和性能。隨著計(jì)算機(jī)、通信、三維仿真等技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬演播室系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)也在不斷成熟完善。

2.1 攝像機(jī)跟蹤技術(shù)

攝像機(jī)跟蹤技術(shù)是虛擬演播室中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它通過判斷攝像機(jī)、演員或節(jié)目主持人、計(jì)算機(jī)虛擬場景之間的相對位置關(guān)系，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)攝像機(jī)與虛擬攝像機(jī)的鎖定。主要跟蹤方式有機(jī)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(jì)算機(jī)虛擬場景生成技術(shù)

有別于普通的電視節(jié)目后期制作和三維動畫技術(shù)，虛擬演播室技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)制作的現(xiàn)場感和可擴(kuò)充的實(shí)時(shí)性。用計(jì)算機(jī)建立三維場景幾乎不受現(xiàn)實(shí)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(shí)時(shí)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(shù)

目前，在傳統(tǒng)的摳像技術(shù)基礎(chǔ)上增加了深度鍵，主要有“象素級”深度鍵和“分層級”深度鍵?！跋笏丶墶鄙疃孺I技術(shù)相對于“分層級”深度鍵技術(shù)，它使構(gòu)成虛擬場景的每一個(gè)象素都有了相應(yīng)的Z軸深度值，虛擬物體、真實(shí)物體及表演者在節(jié)目中可以動態(tài)地相互遮擋，從而增加了虛擬場景的真實(shí)感。

2.4 輔助攝像機(jī)技術(shù)

輔助攝像機(jī)技術(shù)以圖形識別技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種專用的小型攝像機(jī)。通過對格子圖案的視頻圖像信號進(jìn)行分析，就可得到演播室攝像機(jī)的各種運(yùn)動參數(shù)，實(shí)現(xiàn)極端推進(jìn)、寬角度拍攝、室外操作及非藍(lán)演播室應(yīng)用等，使演播室攝像機(jī)的拍攝不受任何限制。

2.5 燈光技術(shù)

在虛擬演播室中，所有光色必須保證藍(lán)色空間場地基色，以適應(yīng)色鍵器摳像的技術(shù)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(xiàn)場燈光與虛擬系統(tǒng)產(chǎn)生的場景光效之間的協(xié)調(diào)，以增強(qiáng)真實(shí)感。

2.6 “垃圾色塊”技術(shù)

或稱為“填補(bǔ)彩底”技術(shù)，使用這一技術(shù)后，攝像機(jī)拍攝到的非藍(lán)區(qū)域可自動由“垃圾色塊”來填補(bǔ)，使演播的范圍大大超出了演播室的藍(lán)色背景范圍，避免出現(xiàn)“穿幫”現(xiàn)象，具有“背景保護(hù)功能”。

其它新技術(shù)如虛擬陰影及反射技術(shù)可進(jìn)一步增強(qiáng)場景的真實(shí)感；虛擬散焦功能可模仿幾何光學(xué)的原理，增強(qiáng)場景的縱深感。新的數(shù)字視頻處理器可完成高達(dá)每秒30億次的操作，從而建立逼真的3D環(huán)境。

3 虛擬演播室技術(shù)在教學(xué)視頻資源建設(shè)中的應(yīng)用

虛擬演播室是一種全新的電視節(jié)目制作工具，近年來展示出了廣泛的應(yīng)用前景。針對部分教育工作者在實(shí)際教學(xué)過程中提出的三個(gè)比較難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程，通過利用虛擬演播室技術(shù)得到了解決，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

3.1 虛擬演播室技術(shù)在“實(shí)物”講解視頻教學(xué)中的應(yīng)用

在發(fā)動機(jī)原理與構(gòu)造等實(shí)物講解課程教學(xué)過程中，教師在講解發(fā)動機(jī)的工作原理時(shí)存在課難講、課件難做、內(nèi)容難理解等問題。為解決此類在教學(xué)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(fā)動機(jī)三維模型，利用三維場景生成技術(shù)展示發(fā)動機(jī)整體及各部組件，配合教員的講解和動作，實(shí)時(shí)播放發(fā)動機(jī)三維動畫，利用色鍵技術(shù)開辟實(shí)時(shí)顯示窗口，展示每個(gè)組件的細(xì)部特征、工作時(shí)的狀態(tài)及各組件協(xié)同工作時(shí)的畫面，使學(xué)員通過場景的逼真創(chuàng)設(shè)，教員的生動講解，動畫的形象展示理解發(fā)動機(jī)的工作原理，同時(shí)要將教師的講解過程實(shí)時(shí)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(xué)生下載學(xué)習(xí)。通過此種方法，極大地提高了課堂授課質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，解決了此類課程課堂教學(xué)效果不佳的問題。

3.2 虛擬演播室技術(shù)在“現(xiàn)場”互動視頻教學(xué)中的應(yīng)用

在國際關(guān)系等政治理論網(wǎng)絡(luò)課程制作中，針對學(xué)生在學(xué)習(xí)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(qū)予以解答外，還設(shè)計(jì)制作了互動視頻教學(xué)模塊實(shí)時(shí)解答學(xué)生提出的問題。要實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)方式，在平時(shí)需要準(zhǔn)備好交流場所，組織好參加人員到場，調(diào)試好至少兩臺攝像機(jī)，還需要將錄制完成的多個(gè)視頻文件導(dǎo)入編輯機(jī)中進(jìn)行剪輯合成等多個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。為解決此類在教學(xué)中比較實(shí)用的課堂教學(xué)方式，我們充分利用虛擬演播室技術(shù)，考慮到演播室空間有限，教師和學(xué)生不可能同時(shí)在演播室中面對面的實(shí)時(shí)互動交流，通過校園網(wǎng)，利用虛擬演播室的色鍵技術(shù)、跟蹤技術(shù)將其他教室中教師的實(shí)況視頻與本地演播室中學(xué)生的場景視頻實(shí)時(shí)地結(jié)合在一個(gè)虛擬場景中，設(shè)置展示窗口，教師、學(xué)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?qū)W生親身來到本地演播室參加節(jié)目的錄制，將此種方法進(jìn)一步加以拓展，我們實(shí)現(xiàn)了教師遠(yuǎn)程論文輔導(dǎo)、遠(yuǎn)程教學(xué)等任務(wù)，增強(qiáng)了現(xiàn)場感、參與感。同時(shí)要將教師的講解過程實(shí)時(shí)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(xué)生下載學(xué)習(xí)。通過此種方法，不僅能夠節(jié)省時(shí)間及費(fèi)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(xué)的實(shí)際需要，獲得了較好的教學(xué)效果。

3.3 虛擬演播室技術(shù)在“實(shí)操”訓(xùn)練視頻教學(xué)中的應(yīng)用

在消防知識等課程教學(xué)過程中，開設(shè)了實(shí)操教學(xué)單元，要求學(xué)生親自動手協(xié)同配合展開實(shí)際操作。但在實(shí)際實(shí)施過程中，由于場所和經(jīng)費(fèi)有限，不可能實(shí)際建設(shè)所有需要的實(shí)操教學(xué)訓(xùn)練場地及場景。為解決學(xué)生實(shí)操訓(xùn)練需求，提高教學(xué)訓(xùn)練效率，我們充分利用虛擬演播室的三維場景生成技術(shù)，通過制作三維仿真模型等模擬實(shí)戰(zhàn)化過程中的飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈等，利用摳像技術(shù)在藍(lán)箱營造煙霧、雷電、有毒環(huán)境等，虛擬出實(shí)操場景，學(xué)生則各自扮演相對應(yīng)的角色，在虛擬演播室中進(jìn)行模擬實(shí)操教學(xué)訓(xùn)練，同時(shí)將整個(gè)過程實(shí)時(shí)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(xué)生下載學(xué)習(xí)。廣大學(xué)生通過反復(fù)觀看錄制視頻，預(yù)先熟悉實(shí)操教學(xué)訓(xùn)練的組織實(shí)施過程，掌握動作要領(lǐng)、操作程序。通過此種方法，較好解決了個(gè)別實(shí)操教學(xué)難以組織實(shí)施，現(xiàn)場感不強(qiáng)的問題，為學(xué)生下一步進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，要把握好教學(xué)設(shè)計(jì)、虛擬場景制作、組織實(shí)施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)，也要把握住不是所有的視頻教學(xué)內(nèi)容都需要通過虛擬演播室來制作，也不是所有的教學(xué)內(nèi)容都可通過虛擬演播室技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

綜上，我們簡要介紹了虛擬演播室技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述了其在教學(xué)視頻資源建設(shè)中的應(yīng)用。隨著數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代，虛擬演播室技術(shù)將不斷得到發(fā)展和完善。我們要掌握并在實(shí)際教學(xué)中正確運(yùn)用虛擬演播室技術(shù)，不斷解決制約課堂教學(xué)授課質(zhì)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(wù)于教學(xué)，為提高教育教學(xué)質(zhì)量和效益，推動教學(xué)方法改革和教學(xué)模式創(chuàng)新發(fā)揮積極作用。

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