高 清 虚 拟 演 播 室 建 设 的 探 索 与 实 践

林 鐄， 陈 龙， 路 慧

(杭州电子科技大学 教务处， 杭州 310018)

0 引 言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指出:“加快教育信息基础设施建设。信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视[1]。”随着在线教育和移动学习的快速发展，《2015地平线报告(高等教育版)》显示，高等教育机构正在开发更多的在线课程[2]，微课视频逐渐成为一种高等教育中常见的学习资源[3]，但部分高校的精品课程与目前高端的在线开放课程水平还有差距，主要原因是缺少虚拟演播室这种类型的软硬件拍摄设施[4]。虚拟演播室是实验室建设工作的延伸，也是高校信息化建设的重点工作。

虚拟演播室是近年来在传统的色键抠像技术基础上兴起的新一代视频制作技术，融合了虚拟现实技术、传统演播室抠像技术、三维图像技术和视频合成技术，将摄像机拍摄的以蓝幕为背景的视频图像作为前景画面实时与计算机图形工作站的虚拟背景按照一定的透视关系进行数字化合成，使前景画面与虚拟背景能够同时变化，实现两者完美融合[5]。高清虚拟演播室建设一般分为环境建设(声学系统、灯光系统、蓝箱)和系统设计(音视频系统、录制直播系统、编辑制作系统)两个方面，两个阶段相互配合、有效衔接，与传统演播室相比具有如下优点：① 不需要搭建场景，场景由计算机制作完成，可实现一室多用，根据不同的需求实现多种应用，如精品课程制作、实训课教学、校园电视台等；② 教学内容实时直播，可满足远程异地教学需要；③ 能轻松创设出生动的教学情景，置景轻松、交互性强，增强学生现场感和参与感。因其具有多场景、多功能应用，越来越受到高校的重视，并且在教育领域的应用做了具体探索[6-7]。

1 高清虚拟演播室环境建设

高清虚拟演播室是由原有教室改造而成，原教室墙壁和天花板都是粉刷面，地面采用瓷砖，吸音和隔音功能有限，需要多方进行改造达到规范要求。① 环境空间布局设计。将原有教室划分成蓝箱区、观众区、导播区和编辑制作室等区域；② 声学设计。着重对原有结构、墙面、地面、吊顶以及门窗做隔声和吸音处理，实现与外部隔离和内部噪声控制。③ 灯光和蓝箱设计。满足前景画面和虚拟背景完美融合。

1.1 声学系统

高清虚拟演播室对声学要求越来越高，主要包括噪声和混响时间处理，噪声处理的主要手段是采用隔声措施，处理混响时间的主要手段是采用吸声措施[8]。从吊顶、墙面、地面和门窗等多方面入手，确保演播室隔声和吸声要求达到设计规范。

在原来的天花板增加隔声吊顶，用轻钢龙骨做栅格式吊顶，覆盖矿棉吸音板，板与天花板之间有一定空隙，穿过吊顶的声音经过顶部粉刷面仍然会被反射到矿棉吸音板上被吸收。墙面搭建轻钢龙骨基层骨架，在龙骨中填充吸音棉，而后订上聚酯纤维吸音板；门窗做隔声处理，表面覆盖吸音板，门缝隙粘贴密封胶条，实现与外界环境的声音隔离。地面铺设地胶板，耐磨、易清扫、低噪音，隔音效果优于大理石、木地板等传统地板材料，实现内部噪音的控制。

1.2 灯光系统

高清虚拟演播室中人、道具与虚拟场景完美融合的关键在于蓝箱的制作工艺和合理的布光，蓝箱和灯光效果直接决定抠像质量的高低。灯光系统包括灯具、吊挂和调光系统等[9]，灯光布局图如图1所示。

图1 灯光布局图

灯具选型：对比LED灯和传统灯光，鉴于LED光源技术具备传统灯光不具备的产生热量小、节能环保、智能亮度调节、高光效、使用寿命长、能满足高清拍摄等优势[10]，采用18只LED柔光灯和4只LED聚光灯，LED柔光灯分别作为背景光、顶光、面光使用，LED聚光灯分别作为轮廓光和修饰光。

灯具吊挂系统包括DMX512信号控制线、固定铝合金、滑动铝合金轨道、灯具、电缆滑车、固定轨支架、轨道连接板和调光杆等设备。调光系统是一款标准DMX信号控制台，操作简单，通过推子和按钮实现灯光亮度的控制，可以实现“一杆对一灯”、“一杆对多灯”的控制，根据视频拍摄要求对灯光进行现场调节。

1.3 蓝 箱

蓝箱是一个蓝色的盒子，摄像机在蓝箱中拍摄的前景画面所有蓝色成分会被抠除，然后与虚拟场景进行数字化实时合成，如果蓝箱的工艺水平不能满足高清虚拟演播室系统的要求，就会产生人物出镜的跟踪路径不准确的状况[11]。因此高标准的蓝箱是保证虚拟演播室抠像质量的关键因素之一。

蓝箱类型主要有I型(1墙1底式)、L型(2墙1底式)和U型(3墙1底式)3种。对比这3种类型，U型活动空间大、摄像机受限小，能满足建设需要。蓝箱占地面积约30 m2，高出地面5 cm，结构框架、底面、墙面部分采用方形平板连接，墙面与底面连接处采用弧形处理，避免因产生阴影或黑线而影响抠像质量(见图2)。经过腻子打磨、底漆和面漆多次上漆处理，在上漆过程中，采用进口ROSCO抠像漆，选择滚刷更能使整个箱体涂抹均匀。底面配有一条蓝色抠像地胶，避免底面重复刷漆，方便清洁和保护底面漆面，延长使用寿命。

2 高清虚拟演播室系统设计

高清虚拟演播室由专门的蓝箱和灯光系统构成(见图3)，通过多台高清摄像机同时工作，每台摄像机的位置、角度和景别可以根据实际的拍摄需要进行调整；电容话筒、领夹话筒等拾音设备输入调音台实现高质量声音采集，提高视听效果；录播抠像一体机汇集摄像机、调音台、交互式智能平板等音视频信号，操纵导播台实现多机位的场景切换，完成画面的选取、组接、实时抠像和录制，高质量视频内容提高画面可视性。通过校园网直接将音视频信号上传到我校的开放式教学平台，可实现直播、点播和下载等功能；导入非线性编辑系统可作为素材完成精包装视频的制作。

图2 改造后的蓝箱实景图

图3 高清虚拟演播室系统结构图

2.1 音频系统

音频系统实现画面声音的采集和混音，将信号输出到录播抠像一体机中进行录制，实现制作数字化；输出给多媒体教学系统的功放，进行现场扩音。设备包括调音台、音频处理系统、监听耳麦、录音棚电容话筒、领夹无线话筒和手持无线话筒等。

考虑到高清虚拟演播室多用途，配置无线话筒满足精品课程和校园电视台节目的制作；录音棚电容话筒具备大动态范围、高声压级、低底噪等优点，能满足演讲和乐器演奏录制要求。调音台采用雅马哈多功能调音台，确保声音纯净性，具备话筒输入和立体声线路输入功能，内建SPX效果器提供范围广泛声响效果。

2.2 视频系统

景别是指被摄主体在屏幕框架结构中所呈现的大小和范围，分为全景、中景、中近景、近景、特写5种，使画面对事物的表现和叙述更有层次和重点[12]。为了满足校园电视台、精品课程制作以及学生活动等不同应用场景需求，从镜头丰富角度和清晰度考虑，配置多台PMW-300K1手持式摄像机，即可满足演播室内拍摄，又能单独外出拍摄。每台摄像机分别用一根电缆连接到录播抠像一体机，实现多机位拍摄和画面选取，能以MPEG-2 HD422录制50Mbps的高清素材。

交互式智能平板集成了电子白板、多媒体显示、音箱、电脑、智能触控等多种功能于一体[13]。在录制课程可以作为内容呈现的媒介，如播放PPT、视音频，当提词器使用等；也可以实现互动教学，支持多点触控，帮助老师完成知识点讲解，更加贴近真实课堂。

2.3 录制直播系统

传统的录制直播系统需要节目信号切换、调音台、字幕叠加、编码器、摄像机等在内的多组设备完成，虽然方案成熟，但是成本高昂、携带不便，在高校适用性不高。对比多种解决方案，我校采用录播抠像一体机，其体积小，方便携带，高度集成信号采集、录制导播、同步字幕特技于一体，特别融入广播级抠像技术，满足精品课、实践课、校园活动等各类场景的应用。

录制系统从视频制作的各个环节把控，能实现专业广播级质量的视频录制。录播抠像一体机采用广播级视音频板卡，从源头保证信号采集质量；支持多机位同步录制，录制分辨率可任意调整，支持广播级1 920×1 080、公开课视频1 024×576等格式视频录制，满足多样化编辑制作需求；广播级一键式虚拟抠像技术，支持多种背景的抠像方式，如图片、视频等，提供最震撼的虚拟场景体验。直播系统通过校园网将高清虚拟演播室内的音视频数据流推送到开放式教学平台，师生通过浏览器即可观看实景与虚拟背景实时叠加的节目、发表看法，增加双方交流。

2.4 编辑制作系统

为了满足精品课程、优质课程、实践实训课程的精细剪辑和效果包装，建立非线性编辑室，配置5台非编工作站和广播级非线性编辑软件U-EDIT，录播系统与非编软件无缝互联，在录制过程中多路景别的多个文件一键式导入非编软件，快速定位镜头切换点，极大地提升了后期编辑效率，至少节省了50%的编辑时间。

编辑制作系统实现视频、音频、图文和动画的混合编辑，提供强大而简洁的功能满足教育应用，如制作精美片头片尾视频，视频锐化工具突出板书内容；可对课件进行二次创作，实现动态图表，几何、电路等动画效果，完成特技叠加、字幕添加等；制作满足教育部公开课要求的独立SRT格式字幕。编辑完成的视频可一次性输出多种格式文件，提高视频资源生成效率。

3 高清虚拟演播室应用

高清虚拟演播室自2017年4月份投入使用后，因其虚拟场景由计算机设计完成，无需搭建实景，可以不受时空的限制；不同的活动可共用演播室，只需变换不同的虚拟场景，一室多用突破学校教学场地和资金的局限。因其创意自由、情景性强，在教育领域的应用具有独一无二优势，可用于精品课程制作、实践实训课教学、学科竞赛视频制作和校园电视节目制作等，目前已完成大量的视频制作，取得了较好的效果。

3.1 精品课程录制

慕课和微课的兴起，给学校视频课程建设提出了新的要求[14]，相对于屏幕录制软件+PPT、屏幕录像软件+手写板+画图工具、DV录像机+白板等课程录制方式[15]，高清虚拟演播室构建的场景几乎不受时间、空间和距离限制，可让教师仿佛置身于历史场景、任何风格的建筑物或大自然，实现现实世界中存在或不存在的许多场景，通过情景化教学提高教学效率；可整合各种教学资源，对课件进行二次处理，表现手法多样性、画面质量和声音效果高、内容生动丰富，使视频可视性得到显著增强，增强师生交互性。能满足精品、优质课程的录制和制作，提升了课程制作水平。我校利用高清虚拟演播室已经完成大量精包装课程的拍摄和制作，目前学科导论课、微课程、翻转课堂等部分课程的视频已经在演播室内完成制作并上线；在2017年举办的浙江省高校微课教学比赛中，在演播室拍摄制作的视频荣获一等奖3个、二等奖2个、三等奖1个。

3.2 实践课教学

高清虚拟演播室因其构成要素的综合性，可一室多用，为数字媒体技术、传播学专业的学生提供实训场地，承担“多媒体技术”“影视后期制作”“音视频节目制作”“音频视频采集与编辑课程设计”“微视频编创”“数字信息采集与非线性编辑”等课程的实践教学讲授环节和技能操作环节，极大方便实训教学地开展和提升学生摄像技术、后期制作等综合实践能力。

利用高清虚拟演播室全方位、多角度展示各种实验操作细节，将一些抽象的理论知识、公式和定义等用图形、动画或虚拟场景模拟效果，对一些关键的步骤用特写镜头艺术化呈现，将微视频引入实验教学，解决传统实验教学中教学效果不理想的问题，实现理论和操作的有效结合，提高学生学习兴趣和教学质量，目前我校已利用演播室完成《大学物理》等课程实验部分的视频录制和制作。

3.3 服务学生活动

高清虚拟演播室多样化的空间设计，只需利用软件制作相应的场景，几名学生就可以完成节目的拍摄和后期编辑制作，充分发挥其操作简便、制作精良等优势，开展各类学生活动，深受学生喜欢，成为学生课外实践的主要场所之一(见图4)。

学生课程微视频、情景剧表演、学科竞赛展示视频等课外实践和学生活动项目均可在演播室制作完成，很好地解决了当初学校没有演播室，学生需要花大量的时间和金钱找广告公司租场地、租设备等问题。目前学生在演播室制作的学科竞赛参赛作品，已获浙江省大学生中华经典诵读竞赛、大学生电子商务竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛以及大学生艺术节等多项竞赛多个一等奖。

图4 学生在高清虚拟演播室拍摄情景剧

3.4 校园电视节目制作

高清虚拟演播室不需要高额的布景搭建费用，也不需要额外的设备和维修费用，且多个场景可重复、循环使用，提供专业的摄制环境，达到与电视台专业演播室基本一致的建声、照明等专业技术要求，满足校园新闻、学校宣传片的录制和制作要求，无需花费大量的时间和人力、物力就可以制作出丰富多彩的节目，具有极高的性价比，可以方便学校的宣称工作，树立学校的形象，目前我校将其应用到校园新闻、宣传片和国家级教学成果奖视频的制作。

4 结 语

随着电视制作技术、图形图像处理技术、计算机和多媒体技术的发展，高清虚拟演播室技术日趋完善，配备多种音视频设备和编辑制作软件，场景由计算机制作完成，创意自由、布景轻松、情景性强，前景画面实时与虚拟背景进行数字化合成，满足多场景多功能应用，将其应用于高校教育中，能承接精品课程制作、校园节目录制、实践课教学和学生社团活动，带来更直观的视觉效果和全新的教学体验，深受师生喜欢，极大地提高学校的教育教学质量和水平。