教学用虚拟演播室的选型探索

孟庆华

中国教学仪器设备总公司 北京 100032

虚拟演播室技术的实质是将电视摄像机现场拍摄的人物活动图像与计算机中虚拟摄像机实时生成的三维场景，通过色键技术实时合成以获得完美的合成画面的技术。并且，当电视摄像机进行推、拉、摇、移取景构图变化时，人物与虚拟场景能够同步实时地变化，从而实现真实与虚拟天衣无缝的图像融合与动作的完全匹配。由于场景是计算机生成的，这使得丰富多彩的演播室现场画面和动态场景设计可随心所欲地进行创意和实现，并可以在瞬间进行更换。不仅提高节目制作的效率和演播室的利用率，而且主持人摆脱物理上的空间、地域、道具等的限制，完全置身于虚拟的环境中自由发挥，实现传统演播室无法实现的拍摄效果，使电视节目制作进入一个全新的境界。

1 虚拟演播室的应用分类和特点

按照应用场合来分，虚拟演播室目前可以分为电视台用虚拟演播室、气象台用虚拟演播室和学校教学用虚拟演播室三大类。

1.1 电视台用虚拟演播室

电视台是最早应用虚拟演播室的场所，也是目前应用最多和最广泛的场所。虚拟演播室的诞生给节目制作人员带来无限的创意空间，大大提高电视节目的创作水平。尤其是在受设备和演播室大小局限的电视台，虚拟演播室的虚拟布景可使节目制作人员突破这些限制，随意设计，随时修改，可以制作出场面宏大的背景，制作出一些不可能在现实中出现的影像效果，即用小演播室来实现大演播室拍摄的效果。并且，还能充分发挥创作人员的艺术创造力及想象力，创作出高质量的电视节目，满足广大观众的欣赏要求。电视台使用虚拟演播室既节省建筑面积，节省灯光配置和搭建道具费用，又能实现真实演播室所不能实现的效果，实现多个电视栏目的流水线作业，减少重复配置。技术上，电视台对虚拟演播室功能性模块的要求不高，所以通常选用普通的虚拟演播室就可满足需要。但由于节目播出的需要，电视台对虚拟演播室合成的图像质量要求较高。因此，新建设的电视台用虚拟演播室多以高清或高标清兼容系统为主。

1.2 气象台用虚拟演播室

全国各地的气象台也是虚拟演播室生产厂家大客户群。虚拟演播室在气象节目制作上的广泛使用让天气预报节目更加直观。虚拟演播室不仅可以模拟各种天气现象，如台风、海啸等场面，而且可以借助其合成技术让主持人不离开蓝箱，通过远端传送来的外视频在雨雪等现场解说，提高气象节目的新闻性。利用计算机的虚拟背景和虚拟人物可以实现气象节目主持人和虚拟人物及背景互动，让气象节目更新奇、神秘。

针对气象台专门开发的虚拟演播室，还可以输入原始地理数据以及云头、气流、雨雪、冰雹、泥石流、地形地貌等气象符号，经过合理优化建立三维地形和对地形实时渲染，实现电视气象节目由平面示意型向三维写实型跨越，使电视气象节目以更加精确真实的内容、更加生动形象的视觉感受呈现给观众。例如，因为使用专门针对气象台开发的气象用虚拟演播室，2009年河北省气象影视中心制作的天气预报、生活资讯、农业气象、交通旅游等四类节目在第七届全国电视气象节目观摩评比中均获得综合一等奖。

1.3 教学用虚拟演播室

相对于电视台和气象台而言，学校是对虚拟演播室功能要求最高的使用场所。但由于选型不当，许多学校的虚拟演播室还仅局限于学校校内新闻和普通节目制作。事实上，教学用虚拟演播室除了制作学校新闻、访谈和教学专题外，还可以用于远程教学、精品课程制作和实时播出、实训课教学和网络教学等。下面介绍教学用虚拟演播室的应用。

1）实时教学动画、教学图表和曲线的生成与播放。在录制教学精品课时，用教学用虚拟演播室能实时渲染静态场景和物体的简单缩放、旋转和沿路径的运动功能，也能把抽象概念模型的任意变形功能实时渲染。并且根据课堂需要，教师可随时绘制相关图表和曲线等。这些都能被实时地渲染后供教师随时调用和播放。这在理工科教学中有着非常重要的意义，实时对物体和抽象概念的模型以及图表进行实时渲染，所产生的教学效果是普通录播教室所不能实现的。

2）PPT电子教案在任意物体表面开窗口并显示。PPT是教师常用的教学手段，在教学虚拟演播室里，PPT电子教案可以在场景中的任意物体表面以开窗口的形式显示，可通过界面操作任意放大、缩小，或改变位置、形状，也可以通过摄像机任意进行推拉，让整个场景和构图关系发生变化以方便学生记笔记。

3）演播室课堂与远端教学现场或三维模型实时切换和合成。授课教师不离开演播室就能站到外景地进行教学，如实时进入工厂车间辅导学生操作机床，实时站在果园指导学生修剪果枝；也可以让教师站在人体内部讲解器官的构造，站在原子结构的模型中讲解电子沿其轨道运动；还可以使教师不离开蓝箱就进入宇宙太空讲解天体的构造。在外景地现场环境下，可将虚拟场景中的任意动态、静态元素搬到外景基地进行实时合成，使虚拟的场景模型和真实的场景现场进行有机合成。教师在讲课时不仅可以看到近端课堂上学生的反映，同时可以看到远端学生听课的反应情况，学生在看到教师授课的同时也能看到自己。而且教师不离开演播室就能走到远端听课学生中间进行面对面的“近距离”辅导。

4）学生课程与毕业设计创作。学生以虚拟演播室节目制作系统为平台，做三维动画、平面设计、节目编辑、节目包装、计算机通讯、数据采集、程序设计等涉及计算机、图形图像处理、影视创作各个方面的课程和毕业设计工作，可以大大提高毕业论文水平。

2 教学用虚拟演播室的特别要求

根据前面所述的虚拟演播室在教学上的应用特点来选择虚拟演播室，才能实现传统教学和现代教学手段最完美的结合，才能从真正意义上实现三维生动的多媒体教学。但是，针对电视台和气象台开发的虚拟演播室是很难满足或全部满足这些教学上的应用要求的，因此，需要选择针对教学需求开发的教学用虚拟演播室。

2.1 初始化定位简单方便

定位方式应该是物理摄像机对虚拟摄像机作直接的自动初始化定位，而不应该在摄像机前面设置任何形式的标志。不应限定物理摄像机在演播室的架设位置，更不能限定授课教师的位置，也不应做任何的手工测量和计算。电教节目制作人员在演播室蓝箱前面任何理想的取景位置架设好摄像机后，应在瞬间由计算机自动完成多个机位的初始化定位并开始工作，不再有任何复杂的调整和限制，做到随架设随使用。

2.2 色键要求

教学节目不同于一般影视节目，教师不像演员那样在强的灯光下表演，而是在自然的环境中授课。因此，色键应对灯光无苛刻要求，对蓝箱也无苛刻要求。即使是在只有一盏灯，蓝箱也不干净的情况下，也应获得满意的色键效果。色键应在同一参数下能同时色键出头发丝、阴影、半透明教学物体、亮蓝色、实验烟雾等，实现柔和自然的轮廓边缘和正确的肤色还原，这样制作和播出的效果才能满足教学需要。

2.3 实时渲染要求

因为教师通常使用通用计算机软件，所以虚拟演播室应接受3D Max、Maya、Softimage等通用软件建模。所建的模型无需任何修改，就应该可以直接导出在虚拟演播室中使用。所建三维场景物体应有足够多的三角面，否则就很难使教学演示的物体或抽象模型精细，出而影响教学效果。允许所建三维场景物体的三角面越大越好。物体表面贴图纹理量的大小直接影响到场景的视觉效果，如果贴图纹理量的大小受限制，就很难制作出效果满意的教学场景，因此，贴图纹理量应该是越大越好。物体表面贴图分辨率直接影响到场景特写镜头的清晰度，允许的贴图分辨率越高越好，并且能够做实时的插值和剔除处理，保证特写时不出现马赛克、全景时不爬行或闪烁。应允许在任意物体表面播放外视频和动画，才能实现各种教学媒体的有机结合。同时，应支持多机位同时实时渲染，以满足多机位的前景与背景同帧逆程实时切换。

2.4 特有的教学功能模块

教学上使用虚拟演播室的应用特点决定了其功能模块不同于气象台和电视台对虚拟演播室的功能要求。教学用虚拟演播室除了应该具备电视台用虚拟演播室的基本功能外，至少还应该具有：1）实时教学动画生成与显示模块；2）教学动画实时任意点播模块；3）PPT电子教案在任意物体表面开窗口显示模块；4）台词与图文实时创作生成显示模块；5）实时字幕在任意物体表面映射生成显示模块；6）实时图文特技播控模块；7）常用教学图表和曲线实时生成显示模块；8）演播室课堂与外景地教学现场实时切换生成显示模块；9）演播室教学动画与外景地教学现场实时合成模块；10）本地课堂教师与远端教室学生面对面教学交互模块；11）学生课程与毕业设计创作环境模块。

3 总结

虚拟演播室在教学上的应用可以从根本上改善传统的演播室录制课程和教学直播的诸多缺陷。但是如果不能正确选择好教学用虚拟演播室，就无法发挥虚拟演播室在教学上的作用。因此，根据教学应用的特点来选择虚拟演播室是学校虚拟演播室建设中最重要的因素。必要时，学校应和生产厂家共同开发具有自己特色的虚拟演播室，用虚拟演播实验室来实现更多传统教学方式所不能实现的教学效果。

[1]董武绍,李端强.对高校虚拟演播室建设的探讨[J].电化教育研究,2007(2):62-64

[2]徐涛,叶永沛.虚拟演播室技术在教育教学中的应用[J].中国电化教育,2004(5):83-85

[3]李蓉,赵刚,陈迪.虚拟演播室的教育应用[J].教育信息化,2006(7):60-63

[4]李文光,董志彪.高校虚拟演播室教学实验系统的建设与应用[J].中国教育技术装备,2009(18):100-101

[5]李诚,孟亚玲,魏继宗.虚拟演播室系统在校园电视台的应用[J].延安大学学报:自然科学版,2008(3):60-61

[6]石蓉蓉.虚拟演播室技术对电视气象节目的艺术建构[J].浙江气象,2007(1):27-30

[7]张延龙,王建兰,庄玲玲.气象虚拟演播室解析[J].气象软科学,2007(2):90-92

[8]Thomas G A. Mixed Reality Techniques for TV and their Application for On-Set and Pre-Visualization in Film Production[R]//BBC Research White Paper,2007