论虚拟演播室系统在院校教学中的应用与发展

王勤敏+刘洋志

【摘要】随着数字化广播电视技术的发展，计算机模拟技术的不断成熟，一种新型的教学媒体逐渐登上院校教学舞台，这就是虚拟演播室系统。

【关键词】虚拟演播室系统 院校教学 网络远程教育

【中图分类号】G52 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）23-0030-02

虚拟演播室是一种新型的电视制作技术，它是计算机虚拟现实技术与传统的演播室色键抠像技术相结合而生成的技术。它的核心在于用摄像机的镜头变化与位置变化来控制计算机中的虚拟摄像机的变化，从而获得更加真实的电视画面。当前虚拟演播室技术被广泛应用于军队院校教学机构中，为军队院校教学注入了新鲜的发展血液。

一、关于虚拟演播室技术的概述

（一）虚拟演播室技术的含义

所谓虚拟演播室技术，就是指一种新型的电视节目制作工具与技术，它包括摄像机跟踪技术、计算机虚拟场景设计技术、色键抠像技术、视频合成技术、灯光技术等部分。它是在传统色键抠像技术的基础上，利用视频合成技术和计算机三维图形技术，根据摄像机的参数与位置，使三维虚拟场景的前景与透视关系保持一致，在经过色键抠像技术合成后，使得前景中的人物看起来像是浸进于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，最终创造出立体感强、逼真的电视演播室效果，给人们带来新的视觉享受的技术。

（二）虚拟演播室的关键技术

1.计算机虚拟场景生成技术

所谓计算机虚拟场景生成技术，是指利用虚拟演播室配备的计算机调整事先做好的三维虚拟场景，并根据主机传送过来的摄像机运用数据及时地计算出虚拟场景中三维电脑场景的运动，进而建立三维模型。它主要分为三维虚拟演播系统与二维虚拟演播室系统两个部分。

2.摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是虚拟演播室技术中的一项关键性的技术，主要包括红外线传感，图像识别，超声波传感，机械传感等部分组成。它可以提供摄像机的运动来获取计算机在虚拟演播室中的实际的动作参数数据与位置参数数据，进而判断教员、学员、计算机虚拟的场景及摄像机之间的关系，帮助后期制作人员确定虚拟摄像机与真实摄像机之间的对应关系。

它的工作原理是计算机将监测到的摄像机的聚焦、升降、拉、摇、移等运动的数据，通过传感器传送到校准器，使得真实摄像机与虚拟摄像机的位置关系是一致的。

3.辅助摄像机技术

辅助摄像机技术是以图形识别技术为基础，可以说是图形识别系统的一种扩展。辅助摄像机是一种专用的小型摄像机，它可安装在任何一个演播室摄像机的顶部。而格子图案可以是任意颜色的，可安装于摄像师的后部、侧墙或天花板上。当演播室摄像机拍摄表演者时，辅助摄像机就会拍摄到格子图案，通过格子图案的视频图像信号进行分析，就可以得到演播室摄像机的各种参数。使用辅助摄像机技术后，演播室摄像机的拍摄可不受任何限制，可实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作级非蓝演播室应用等。

4.灯光技术

在虚拟演播室内，所有的灯光必须保持与蓝色场地的基色相一致，对于演播室的墙面与地面的灯光要做到没有阴影、均匀的效果。同时要协调虚拟演播室系统生成的场景灯光与现实灯光的光色相一致。

5.“垃圾色块”技术

使用虚拟演播室系统制作节目时，当摄像机无意间拍摄到非蓝区域时，会出现“穿帮”现象。为了克服这一现象，出现了“垃圾色块”技术，或称为“填补彩底”技术。使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，因此它具有“背景保护”功能，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围。另外，这种技术还可用来制作虚拟天花板。

6.色键抠像技术

色键抠像技术，就是指在构成虚拟演播室系统的过程中，色键要具备纵深方向的信息，也就是要求虚拟演播室的摄像机到每一个色键对应的像素的距离。在传统色键抠像技术的基础上加入深度色键，可以达到这样的目的。人物在虚拟演播室的位置是精确的，人物可以处于虚拟演播室内物体的任何一个地方，给电视观众最真实的距离感。

7.视频合成技术

视频合成技术，是指充分利用色键抠像技术，将虚拟演播室内的背景与前景相混合，将拍摄的录像和虚拟场景结合，通过运用色键技术中的色键混合器、视频帧同步器、前景视频延时器来共同完成，最后导出视频。

二、虚拟演播室技术应用

在传统的演播室制作电视节目时，有一定的局限性，如叠加合成的节目画面缺乏景深和真实感，合成的画面使人感觉较生硬等。但在虚拟演播室系统中引入了虚拟现实技术中的信息交互技术，它将虚拟摄像机与真实摄像机锁定，摄像机拍摄的图像与电脑制作的虚拟场景完美结合。因此用计算机制作出来的三维背景可随真实摄像机的推拉摇移而产生正确的透视变化，使合成画面的真实性大为增加，接近实景中的拍摄效果。

虚拟演播室工作流程如下：

1.蓝色实景现场

虚拟演播室是色键抠像技术与电脑虚拟现实相结合的产物，它与传统演播室大不相同。它以计算机三维动画“虚拟”出的场景取代道具实景，摄像机所拍摄的现场已不是一般意义上的主讲教员或学员活动的地方，而是虚拟画面应用空间的组成部分，它的实际意义仅仅是空间场地尺寸的大小，现场所有布景全部由单一的蓝色所取代，以作为将来抠像的基准色，图像的前景是不同机位的摄像机拍摄到的主讲教员的画面素材，教员所在的实景现场的全部蓝色区域将被合成到计算机三维动画生成的虚拟场景中。

2.摄像机跟踪技术

虚拟演播室中的一项关键技术是摄像机跟踪技术，即如何判断摄像机、被摄人物、“虚拟”背景之间的相对位置关系，使之实现“同步”。实现“同步”的关键是连续跟踪获得摄像机的运动参数，这些参数包括镜头运动参数、聚焦、变焦、光圈、机头运动参数，摇动及空间位置参数，移动位置参数等。目前成熟的跟踪技术主要有图形识别和以机械传感器为基础的跟踪系统两种方式，同时这也是虚拟演播室两大类别的主要区别。图形识别方式需要一个画有特殊网格的蓝色背景幕布，它将摄像机所拍摄的画面送到数字视频处理器中进行处理。通过对该画面中网格固有的不同特性和透视关系进行计算，得出有关摄像机的运动参数，机械传感器则是通过安装在摄像机云台及镜头上的传感器获得有关摄像机的动作参数。这两种方式各有特点，图形识别方式的优点是对摄像机的数量和操作不加限制，可以配置多台摄像机并给予摄像师最大的操作自由度。缺点是要对所拍画面进行大量的数据计算会造成较大的延时。只有当被摄画面包含一定数量的网格时才能进行测量计算，这使被拍摄人物的活动范围受到一定的限制。为了精确跟踪计算，必须保持用于识别背景的网格始终清晰。这使得摄像机景深范围受到限制，无法拍摄特写镜头，由于背景采用深浅两种蓝色，对灯光布置的要求非常严格，而且要使用质量较高的色键控制器进行抠像。机械传感方式可以弥补图形识别方式的不足之处，但其最大缺点是摄像机拍摄时不能移动，位置必须固定每换一个位置都要重新进行定位调整。

3.计算机部分图形工作站硬件

虚拟演播室系统配备的计算机目前主要有两种：基于Unix系统的图形工作站和基于Windows NT系统平台的PC机，它像一个小型计算机网络，主机为网络中心，它是虚拟演播室的控制中心，是虚拟演播室节目制作的导控台。它除了调用和调整事先做好的三维虚拟场景，还负责向图形发生器传输图像数据及处理由摄像机跟踪器传来的摄像机运动数据。在这里，图形发生器扮演着十分重要的角色，它根据主机传来的摄像机运动数据实时地计算出虚拟的三维电脑场景的运动，以保证其输出的虚拟背景与真实的前景同步软件。目前三维建模和动画软件很多，在这里不介绍了。

三、虚拟演播室在院校教育技术中的发展

虚拟演播室系统的运用，可以突破传统电化教育的局限性。虚拟演播室的一个重要优点就是空间的虚拟性和模拟手段的多样性，能够从根本上改变传统电化教育中依托演播室录制课程的空间和技术局限，改变传统演播室建设成本高、课程互动少、教学模式单一等现实问题。

虚拟演播室系统的运用，还可以克服网络远程教育先天不足。网络远程教育中，如何完美地将教学课件与教学视频结合在一起一直是教育技术工作者试图解决的问题，但是效果往往并不理想。通过虚拟演播室技术，制作人员可以通过电子背景的切换，将主讲人完美地嵌入教学课件中，达到较好的教学效果。

此外，在传统教学中，受制于实验设备、实验场地、教学经费、教学条件等诸多因素的限制，某些高成本课程开设难度较大。利用虚拟演播室系统，学员可以在虚拟化的条件下进行教学与实验操作，可以获得与现实教学比较一致的教学体会，从而在控制成本的情况下，提高教学效果。

虚拟演播室的优势是显而易见的，但它在技术和应用方面也存在一定的局限性，比如会因计算机的运算速度跟不上而被迫放弃一些复杂的背景等，但随着计算机技术的发展和计算机三维图像软件的开发，虚拟演播室技术必将不断完善。它将与真实演播室混合发展，为院校教学和现代化远程教育精品课资源建设节目制作拓展更大的空间。

参考文献：

[1]唐忠，阳革锋.《虚拟演播室系统的设计与实现》 桂林电子科技大学，2009年12月

[2]郑翔.虚拟演播室技术特点及应用[J].有限电视技术，2011（6）

[3]朱勇.《虚拟演播室系统及其关键技术》文章编号：1008-4207（2001）05-0053-03