虚拟演播室技术在微课视频制作中的运用探究

吴敏为

（无锡南洋职业技术学院，江苏无锡,214000）

0 引言

在现代信息技术飞速发展中，多媒体技术的广泛运用为各个领域技术革新提供了新的发展方向，而随着虚拟技术的出现，其同样也为信息社会技术探究带来了全新思路。尤其是对教育教学和节目制作等领域发展而言，越来越多的网络视频资料和在线学习平台让人们在重视应用技术的同时，提出了更高的发展标准。在教育教学领域中构建虚拟演播室系统，不仅能为师生教学提供更为广阔的想象空间，还可以摆脱传统教学模式的限制，使师生在零距离中学习互动。微课作为网络课程建设发展中的典型代表，实际教学时间较短，所学内容较少，但内容设计独特且具有趣味性，有助于观看者快速了解并熟练运用某个知识点。在现今教育革新发展中，如何制作好微课视频是技术探究的主要课题，合理运用虚拟技术是目前科研学者关注的焦点内容。

1 虚拟演播室技术的运作机制

以虚拟现实为核心的虚拟演播室技术作为计算机视觉图像理论发展的突出代表，主要源自于传统意义上的色键抠像技术，但两者也存在本质上的差别。色键抠像技术要在蓝色或绿色背景下完成前景拍摄，而后利用另一背景视频图像取代当前视频中的蓝色背景，将前景键入到背景中[1]。从实践角度来看，这项技术的应用问题主要集中在摄像机的位置和角度变化中，背景视频图像无法跟随两者产生变化，这就导致所构成的图像视频，缺少真实感和立体感。而虚拟演播室技术会根据传统技术优势，合理运用计算机三维图像技术和视频合成技术，在明确摄像机位置焦点等各项参数之后，保障虚拟场景的透视关系和前景具有一致性，最终在色键合成之后，保障前景中的人物道具完全融入到计算机所构建的三维虚拟场景中，由此获取真实且立体的演播室效果。

2 虚拟演播室的技术要点分析

从本质上讲，虚拟演播室系统的技术应用不仅要构建虚拟背景，还要保障期和前景得到充分融合。结合如下所示的结构图1分析可知，虚拟演播室技术要点涉及到以下内容：

图1 系统结构图

2.1 场景建模

利用计算机在构建模拟三维背景图像之前，要先对场景中所包含的物体进行建模分析，常见的建模软件有Maya、Alias、Flame等内容，其不仅能提供精确的物体几何参数，还可以直观描述相关物体。虚拟演播室技术既要构建和真实物体类似的模型，又要在质感、形态等方面等方面表现出真实性。这项操作主要分为两方面内容，一方面是指几何建模，主要利用三角形或多边形构成目标的立体外形，另一方面是指形象建模，主要对几何建模的结果进行光照、颜色、纹理等方面的处理。同时，也可以直接从图形商品库中获取所需要的几何图形。需要注意的是，构建具有真实感和立体感的虚拟物体是一项需要消耗大量时间和精力的制作技术过程，假设为了增强建模对象的真实感，导致所构建模型过于复杂，那么虚拟演播室的实时技术难以满足其要求。

2.2 摄像机跟踪

虚拟演播室会利用真实的演播室摄像机和虚拟的摄像机进行同时运行，前者主要用来拍摄真实的道具和演员，而后者会拍摄虚拟场景。在实践工作期间，摄像机跟踪主要用来获取精准的位置、镜头、方向等参数信息，并将其运用到三维背景图像生成中，保障真实摄像机和虚拟摄像机同步进行。现阶段，摄像机的跟踪方法分为三种：首先是指固定程序法，主要是利用具备编程系统的特殊摄像机，预先设定摄像机的镜头、方向、位置等基本参数，并将有关内容传递到虚拟和真实的摄像机中。虽然这种方法在实践操作中具有极强的有效性，但因为整体操作并不具备灵活运用度，所以很少在虚拟演播室系统中运用；其次是指机械传感器跟踪方法，一方面会在摄像机的三脚架顶端安装跟踪机站，另一方面会在升降架和滑轨上安装跟踪器，最终将有关基础信息传递给计算机。这种应用方法并没有尺寸或形状等方面的限制条件，实际摄像机的运动也不会受到限制，支持运用多种角度进行拍摄。但要为所有摄像机配备专业的跟踪系统，所以实际应用成本较高，设备仪器的精度要求也会随之提升；最后是指图形识别法，主要是结合摄像机所获取的图像信息，对摄像机的各项参数进行设计。根据拍摄期间蓝色背景网格成像的具体变化，利用图像分析方法准确计算出各项参数的变化趋势，比如说焦距、位移等，以此在跟踪调查分析中掌握更多信息[2]。这种方法并不需要准备特殊的硬件，但对算法的应用精度和有效性要求极高，且只能利用拥有蓝色背景的演播室。

结合内部跟踪原理分析，摄像机所选用的定位跟踪系统主要分为两种形式，一种是指光学是摄像机定位跟踪系统，另一种是指非光学是摄像机定位跟踪系统，具体分类如下表1所示。

表1 不同摄像机定位跟踪系统的对比分析

本文研究主要以前者为例，在单目光学式摄像机定位跟踪系统中，其会结合视觉定位技术，利用跟踪摄像机获取二维图像，由此准确计算主摄像机的三维位置和姿势变化，并结合所输入的二维图像来呈现三维世界。其中，摄像机标定是运用空间中已知的目标特征点的三维坐标信息和图像中特征点的二维坐标，获取摄像机的内部参数，具体过程如下图2所示：

图2 摄像机标定流程图

也可以得到：

摄像机的外部参数要运用旋转矩阵R与平移向量t进行计算分析，内部参数矩阵A会根据焦距变化而产生改变，结合外部参数矩阵可以将世界坐标体系中的三维点坐标P（X，Y，Z）转变成相机内部坐标（x，y，z），具体转化过程如下所示：

可以对（x，y，z）进行归一化处理，以此进入到平面z中，由此获取：

那么图像坐标系中的坐标则是：

完成上述计算，可以根据内外参数变化实时进行定位跟踪，并完成三维图像的重新建模；根据内部参数和多个三维点的投射坐标，可以准确计算和标记外部参数；根据已经明确的标记板视图，可以准确计算内外参数变化。

而在双目光学摄像机定位跟踪系统中，其会运用两个跟踪摄像机来获取实时的特征数值和深度数值，且保障两者处在同一平面，各项参数设计具有相同性。在明确焦距f的基础上，可以获取深度数值的计算公式，具体如下所示：

相应的深度数值为：

结合上述公式推导分析，空间内部某个点的深度是：

z=f×b/d

在明确相机的基线b、视差d、焦距f等信息就可以准确计算深度数值。

2.3 虚拟背景

在明确摄像机参数之后，就可以得到虚拟摄像机的各项参数，由此构建并生成虚拟背景后的图像序列。由于这项操作的计算数量较为庞大，所以可以优先选用大型计算机系统和处理卡进行研究。通常来讲，图像序列不仅要实时构成，还要具备广播级的图像质量[3]。但从技术角度来看，图像质量和生成时间很难同时满足。因此为了解决这一问题要利用预处理技术，先获取虚拟场景中的描述结果，这样有助于实时生成期间运用简单便捷的方式提升图像质量。这种方法的基本原理在于准确计算出给定视点的可视表层和不可视表层，本文研究可以利用分析的方式进行计算，也可以选择数字方式得到图像中的像素点。需要注意的是，实际描述结果需要准备充足的内存空间，原因在于实际计算步骤较为复杂，所以为了保障整体系统运行的有效性和安全性，必须要选择大容量的储存空间。

2.4 合成图像

最终输出内容要将实际拍摄前景和三维背景图像融合到一起。一般来说，在融合之前要先将拍摄的人物图像提取出来，再利用传统意义上的色抠像技术有效分离人物和蓝色背景。因为前景图像要和最终获取的三维背景有效融合，所以在设计拍摄期间，必须要充分掌握前景图像所包含的深度信息。简单来讲，深度就是指背景和前景图像像素与摄像机之间的距离，此时合成也被看作是深度合成。对虚拟三维背景而言，所有像素点的深度数值都可以利用虚拟模型和虚拟摄像机参数进行准确计算，但实际拍摄的深度数值很难根据所获取的前景人物图像进行计算[4]。由于前景人物的厚度和宽度相对于人物和摄像机之间的距离较小，所以可以将其看作是确定数值。在虚拟背景较为复杂的情况下，可以将前景图像分成多个深度数值一致的部分，而后进行估计分析。在最后合成期间，如果前景的深度数值低于背景的深度数值，那么就要输出前景的图像，反之则输出背景的图像。需要注意的是，前景图像是在演播室进行实景拍摄，而背景图像是利用计算机技术进行生成，由于两者的照明条件存在较大差异，所以在技术合成期间要根据科学调整减少彼此之间的不协调性。

3 如何在微课视频制作中应用虚拟演播室技术

3.1 真人拍摄型

在真人拍摄型的微课视频制作中，利用虚拟抠像技术将所需要的目标从图像视频中分离出来，且保障目标的边缘细节具有完善性和真实性，最终有效融合前景画面和背景图构成全新的镜头。在这一过程中，虚拟抠像技术包含两方面的意义，一方面虚拟是指运用先进技术理念，获取在真实环境中无法得到的特殊效果，比如说特效道具、三维动画等；另一方面抠像是指在拍摄画面中单独获取所需主体后进行编辑设计，比如说教师可以站在蓝色的背景摄影棚中，运用抠像技术清除背景颜色，从而单独获取教师的画面，最终和所需要的场景合成全新的画面。在传统意义上的微课视频制作中，大部分教师都会利用录音笔、视频软件等技术完成教学PPT和声音融合的简单制作，整体形势较为单一，所获取的教学视频质量不高[5]。而利用虚拟演播室技术可以在实时融合场景人物的基础上，运用多样化的方式呈现更多教学知识，有的还可以和虚拟人物进行互动交流，这样不仅能拓展学生的思维空间，还可以增强他们在微课教学中的想象创造意识，最终构建形式多样内容丰富的微课环境。

3.2 真人实操型

虚拟场景的设计制造分为两种形式，一种是指二维场景，另一种是指三维场景，前者是指传统意义上的微课视频，比如说PPT、视频图像等作为平面背景，可以直接放在教师身后作为背景利用；而后者需要借用合成软件等先进技术理念进行辅助设计，首先要运用3Dmax等内容绘制出所需场景，其次要将场景导入到虚拟演播室系统中和教师画面融合，最终构建全新的视频场景。对虚拟演播室系统而言，所包含的技术平台有助于教师运用虚拟场景和观看视频的人进行线上互动沟通，以此获取更加真实的体验。从实践应用角度来看，虚拟演播室技术，不仅能便捷有效的完成场景设计和制作，还可以结合不同类型的课程需求，构建多样化的虚拟背景，促使微课视频制作背景画面变得更加完善协调[6]。除此之外，虚拟演播室技术所构建的真实感和多样性课程，有助于观看者再产生积极学习兴趣的同时，模拟运用所学理论知识，这样不仅能摆脱传统教育理念的限制，还可以更快学习逻辑性和实践性较强的基础知识。

4 结语

在社会经济和科技技术革新发展中，微课视频制作也逐渐涌现出混合性和专业性等特征，因此合理运用多样化的技术理念进行创新研究是微课领域发展的必然选择。结合本文提出的虚拟演播室技术进行优化升级，不仅能丰富视频制作的内容和形式，还可以结合虚拟场景、抠像技术等完成多样化场景的拍摄与合成，最终为各个领域的微课教学指导提供技术保障。同时，还要根据技术发展要求加强专业人才的培养力度，积极学习借鉴优秀的制作经验，注重根据教育革新，要求设计具有针对性和独特性的微课视频，由此充分展现虚拟演播室技术的独特优势。