教學用虛擬演播室的選型探索

孟慶華

中國教學儀器設備總公司 北京 100032

虛擬演播室技術的實質是將電視攝像機現場拍攝的人物活動圖像與計算機中虛擬攝像機實時生成的三維場景，通過色鍵技術實時合成以獲得完美的合成畫面的技術。并且，當電視攝像機進行推、拉、搖、移取景構圖變化時，人物與虛擬場景能夠同步實時地變化，從而實現真實與虛擬天衣無縫的圖像融合與動作的完全匹配。由于場景是計算機生成的，這使得豐富多彩的演播室現場畫面和動態場景設計可隨心所欲地進行創意和實現，并可以在瞬間進行更換。不僅提高節目制作的效率和演播室的利用率，而且主持人擺脫物理上的空間、地域、道具等的限制，完全置身于虛擬的環境中自由發揮，實現傳統演播室無法實現的拍攝效果，使電視節目制作進入一個全新的境界。

1 虛擬演播室的應用分類和特點

按照應用場合來分，虛擬演播室目前可以分為電視臺用虛擬演播室、氣象臺用虛擬演播室和學校教學用虛擬演播室三大類。

1.1 電視臺用虛擬演播室

電視臺是最早應用虛擬演播室的場所，也是目前應用最多和最廣泛的場所。虛擬演播室的誕生給節目制作人員帶來無限的創意空間，大大提高電視節目的創作水平。尤其是在受設備和演播室大小局限的電視臺，虛擬演播室的虛擬布景可使節目制作人員突破這些限制，隨意設計，隨時修改，可以制作出場面宏大的背景，制作出一些不可能在現實中出現的影像效果，即用小演播室來實現大演播室拍攝的效果。并且，還能充分發揮創作人員的藝術創造力及想象力，創作出高質量的電視節目，滿足廣大觀眾的欣賞要求。電視臺使用虛擬演播室既節省建筑面積，節省燈光配置和搭建道具費用，又能實現真實演播室所不能實現的效果，實現多個電視欄目的流水線作業，減少重復配置。技術上，電視臺對虛擬演播室功能性模塊的要求不高，所以通常選用普通的虛擬演播室就可滿足需要。但由于節目播出的需要，電視臺對虛擬演播室合成的圖像質量要求較高。因此，新建設的電視臺用虛擬演播室多以高清或高標清兼容系統為主。

1.2 氣象臺用虛擬演播室

全國各地的氣象臺也是虛擬演播室生產廠家大客戶群。虛擬演播室在氣象節目制作上的廣泛使用讓天氣預報節目更加直觀。虛擬演播室不僅可以模擬各種天氣現象，如臺風、海嘯等場面，而且可以借助其合成技術讓主持人不離開藍箱，通過遠端傳送來的外視頻在雨雪等現場解說，提高氣象節目的新聞性。利用計算機的虛擬背景和虛擬人物可以實現氣象節目主持人和虛擬人物及背景互動，讓氣象節目更新奇、神秘。

針對氣象臺專門開發的虛擬演播室，還可以輸入原始地理數據以及云頭、氣流、雨雪、冰雹、泥石流、地形地貌等氣象符號，經過合理優化建立三維地形和對地形實時渲染，實現電視氣象節目由平面示意型向三維寫實型跨越，使電視氣象節目以更加精確真實的內容、更加生動形象的視覺感受呈現給觀眾。例如，因為使用專門針對氣象臺開發的氣象用虛擬演播室，2009年河北省氣象影視中心制作的天氣預報、生活資訊、農業氣象、交通旅游等四類節目在第七屆全國電視氣象節目觀摩評比中均獲得綜合一等獎。

1.3 教學用虛擬演播室

相對于電視臺和氣象臺而言，學校是對虛擬演播室功能要求最高的使用場所。但由于選型不當，許多學校的虛擬演播室還僅局限于學校校內新聞和普通節目制作。事實上，教學用虛擬演播室除了制作學校新聞、訪談和教學專題外，還可以用于遠程教學、精品課程制作和實時播出、實訓課教學和網絡教學等。下面介紹教學用虛擬演播室的應用。

1）實時教學動畫、教學圖表和曲線的生成與播放。在錄制教學精品課時，用教學用虛擬演播室能實時渲染靜態場景和物體的簡單縮放、旋轉和沿路徑的運動功能，也能把抽象概念模型的任意變形功能實時渲染。并且根據課堂需要，教師可隨時繪制相關圖表和曲線等。這些都能被實時地渲染后供教師隨時調用和播放。這在理工科教學中有著非常重要的意義，實時對物體和抽象概念的模型以及圖表進行實時渲染，所產生的教學效果是普通錄播教室所不能實現的。

2）PPT電子教案在任意物體表面開窗口并顯示。PPT是教師常用的教學手段，在教學虛擬演播室里，PPT電子教案可以在場景中的任意物體表面以開窗口的形式顯示，可通過界面操作任意放大、縮小，或改變位置、形狀，也可以通過攝像機任意進行推拉，讓整個場景和構圖關系發生變化以方便學生記筆記。

3）演播室課堂與遠端教學現場或三維模型實時切換和合成。授課教師不離開演播室就能站到外景地進行教學，如實時進入工廠車間輔導學生操作機床，實時站在果園指導學生修剪果枝；也可以讓教師站在人體內部講解器官的構造，站在原子結構的模型中講解電子沿其軌道運動；還可以使教師不離開藍箱就進入宇宙太空講解天體的構造。在外景地現場環境下，可將虛擬場景中的任意動態、靜態元素搬到外景基地進行實時合成，使虛擬的場景模型和真實的場景現場進行有機合成。教師在講課時不僅可以看到近端課堂上學生的反映，同時可以看到遠端學生聽課的反應情況，學生在看到教師授課的同時也能看到自己。而且教師不離開演播室就能走到遠端聽課學生中間進行面對面的“近距離”輔導。

4）學生課程與畢業設計創作。學生以虛擬演播室節目制作系統為平臺，做三維動畫、平面設計、節目編輯、節目包裝、計算機通訊、數據采集、程序設計等涉及計算機、圖形圖像處理、影視創作各個方面的課程和畢業設計工作，可以大大提高畢業論文水平。

2 教學用虛擬演播室的特別要求

根據前面所述的虛擬演播室在教學上的應用特點來選擇虛擬演播室，才能實現傳統教學和現代教學手段最完美的結合，才能從真正意義上實現三維生動的多媒體教學。但是，針對電視臺和氣象臺開發的虛擬演播室是很難滿足或全部滿足這些教學上的應用要求的，因此，需要選擇針對教學需求開發的教學用虛擬演播室。

2.1 初始化定位簡單方便

定位方式應該是物理攝像機對虛擬攝像機作直接的自動初始化定位，而不應該在攝像機前面設置任何形式的標志。不應限定物理攝像機在演播室的架設位置，更不能限定授課教師的位置，也不應做任何的手工測量和計算。電教節目制作人員在演播室藍箱前面任何理想的取景位置架設好攝像機后，應在瞬間由計算機自動完成多個機位的初始化定位并開始工作，不再有任何復雜的調整和限制，做到隨架設隨使用。

2.2 色鍵要求

教學節目不同于一般影視節目，教師不像演員那樣在強的燈光下表演，而是在自然的環境中授課。因此，色鍵應對燈光無苛刻要求，對藍箱也無苛刻要求。即使是在只有一盞燈，藍箱也不干凈的情況下，也應獲得滿意的色鍵效果。色鍵應在同一參數下能同時色鍵出頭發絲、陰影、半透明教學物體、亮藍色、實驗煙霧等，實現柔和自然的輪廓邊緣和正確的膚色還原，這樣制作和播出的效果才能滿足教學需要。

2.3 實時渲染要求

因為教師通常使用通用計算機軟件，所以虛擬演播室應接受3D Max、Maya、Softimage等通用軟件建模。所建的模型無需任何修改，就應該可以直接導出在虛擬演播室中使用。所建三維場景物體應有足夠多的三角面，否則就很難使教學演示的物體或抽象模型精細，出而影響教學效果。允許所建三維場景物體的三角面越大越好。物體表面貼圖紋理量的大小直接影響到場景的視覺效果，如果貼圖紋理量的大小受限制，就很難制作出效果滿意的教學場景，因此，貼圖紋理量應該是越大越好。物體表面貼圖分辨率直接影響到場景特寫鏡頭的清晰度，允許的貼圖分辨率越高越好，并且能夠做實時的插值和剔除處理，保證特寫時不出現馬賽克、全景時不爬行或閃爍。應允許在任意物體表面播放外視頻和動畫，才能實現各種教學媒體的有機結合。同時，應支持多機位同時實時渲染，以滿足多機位的前景與背景同幀逆程實時切換。

2.4 特有的教學功能模塊

教學上使用虛擬演播室的應用特點決定了其功能模塊不同于氣象臺和電視臺對虛擬演播室的功能要求。教學用虛擬演播室除了應該具備電視臺用虛擬演播室的基本功能外，至少還應該具有：1）實時教學動畫生成與顯示模塊；2）教學動畫實時任意點播模塊；3）PPT電子教案在任意物體表面開窗口顯示模塊；4）臺詞與圖文實時創作生成顯示模塊；5）實時字幕在任意物體表面映射生成顯示模塊；6）實時圖文特技播控模塊；7）常用教學圖表和曲線實時生成顯示模塊；8）演播室課堂與外景地教學現場實時切換生成顯示模塊；9）演播室教學動畫與外景地教學現場實時合成模塊；10）本地課堂教師與遠端教室學生面對面教學交互模塊；11）學生課程與畢業設計創作環境模塊。

3 總結

虛擬演播室在教學上的應用可以從根本上改善傳統的演播室錄制課程和教學直播的諸多缺陷。但是如果不能正確選擇好教學用虛擬演播室，就無法發揮虛擬演播室在教學上的作用。因此，根據教學應用的特點來選擇虛擬演播室是學校虛擬演播室建設中最重要的因素。必要時，學校應和生產廠家共同開發具有自己特色的虛擬演播室，用虛擬演播實驗室來實現更多傳統教學方式所不能實現的教學效果。

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