試論虛擬演播室技術在資源建設中的應用

□高麗榮，姜 海

(山西廣播電視大學,山西 太原 030027)

資源建設是遠程教育的一個重要環節，資源制作質量的優劣決定著信息傳遞的有效性，關系到遠程教育發展的持久性。目前，遠程教育的課程資源雖然錄制的技術手段多樣，但課件形式表現單一，容易使學習者產生視覺疲憊，同時，課堂中教師所講內容不能形象直觀地呈現在學生面前，不利于學生全面掌握課程內容，所以，提高資源水平也就成為當務之急。而將虛擬演播室技術應用于資源建設中，可極大地豐富課程資源的表現形式，提升資源建設的質量，促進遠程教育健康持續發展。

一、 虛擬演播室的基本原理

虛擬演播室技術是近年來在傳統的色鍵摳像技術基礎上，多領域、跨學科發展起來的一種新型影視節目制作手段。它集虛擬現實技術、計算機三維圖像技術、視頻合成技術為一體，將真實攝像機拍攝的前景人物活動畫面實時與計算機圖形工作站生成的虛擬背景按照一定的透視關系進行數字化合成，使得拍攝到的前景中的人物和計算機所產生的虛擬背景完美地融為一體。這種技術手段使得前景人物與虛擬背景無縫融合，從而創造出逼真的現場效果，獲得高質量的畫面。

虛擬演播室的關鍵技術包括攝像機跟蹤定位技術、三維虛擬場景生成技術和色鍵合成技術。它的工作原理是：人物在以藍色幕布為背景的演播室里活動,攝像機負責現場圖像，并利用色鍵技術將人物形象從藍色背景中摳取出來，得到前景圖像。同時,攝像機跟蹤系統實時檢測攝像機的運動參數和成像參數,將攝像機的參數信息傳遞到計算機場景工作站，經過一系列運算，實時調整虛擬背景，使人物活動軌跡與虛擬背景同步變化。在三維場景制作系統中構造出和實際場景匹配的三維背景,生成背景圖像。拍攝到的前景人物圖像和計算機虛擬場景系統產生的背景實時合成，生成所需的特定場景畫面。背景圖像的產生過程由跟蹤攝像機控制，當攝像機進行搖移、俯仰、推拉、變焦等操作時，背景圖像隨之發生變化。由于前景圖像和背景圖像具有相同的成像參數和三維透視關系,因此,采用虛擬演播室技術能較好地處理前景圖像和背景圖像同步變化的問題,保證了合成畫面的真實感。

在傳統演播室中，錄制節目使用的是色鍵摳像技術，其工作原理是演播室內的前景圖像(人或物體)其背景色調是與前景中人物區別極大的高飽和度單色幕布(通常為藍色)。前景中人物圖像的色調與藍色幕布的色調之間產生差值，形成摳像電壓波形，成為色鍵信號。根據不同的色鍵信號，分別對背景或前景做出選擇。前景視頻畫面信號和虛擬背景畫面信號經過切換合成，生成前景人物置身于虛擬背景中的圖像畫面。色鍵摳像技術就是將藍色背景下拍攝的前景人物摳取出來，與提前制作好的虛擬背景一起產生所需的節目情景。它的主要問題是當攝像機推拉移動時，前景人物會在畫面中形成不同的景別，而背景畫面無法同步變換，兩者之間缺少關聯，前景與背景之間沒有一定的透視關系，拍攝實物的比例大小與背景的比例不能相互吻合，造成視覺上有所差異，合成的圖像畫面簡單疊加，缺乏層次感，不夠真實自然，難以體現節目的動感效果。

隨著計算機控制技術和計算機圖形技術的飛速發展，虛擬演播室技術應運而生。虛擬演播室技術和傳統色鍵摳像技術一樣，都是把攝像機拍攝到的人物圖像作為前景。而與色鍵摳像技術不同的是，虛擬演播室技術應用了攝像機跟蹤技術，彌補了傳統色鍵摳像中前景攝像機不能與背景畫面同步運動的不足。[1]虛擬演播室的背景是通過計算機三維圖形工作站生成的三維動畫圖形，稱之為虛擬場景。將獲取的攝像機的高度、位置、俯仰、搖移以及鏡頭的變焦、聚焦等參數傳遞到計算機中，用以控制虛擬場景隨前景人物的移動而變化，從而使前景人物與虛擬場景之間形成正確的透視效果，通過色鍵信號發生器將前景人物和虛擬場景實時地同步疊加合成，圖像傳送至視頻切換臺，這樣現場拍攝的人物如同置身于真實的場景中一樣，場面逼真，層次分明，立體感強。通過虛擬演播室技術產生的合成畫面，比傳統色鍵技術產生的圖像要生動真實得多。

二、 虛擬演播室的關鍵技術

虛擬演播室系統是一套由攝像機、攝像機跟蹤器、圖形工作站、色鍵合成器以及視音頻切換臺等組成的影視節目制作系統。攝像機拍攝前景視頻后，信號分兩路送出：一路信號送至視頻延時器，確保前景信號與虛擬背景信號在合成時同步；另一路信號送至攝像機跟蹤控制模塊，實時獲取攝像機的運動軌跡數據。攝像機運動參數控制著虛擬背景的變換，通過色鍵器進行合成，合成后的畫面在切換臺輸出。整個系統一般分為攝像機跟蹤系統、虛擬場景生成系統和視頻合成系統三個部分。

(一)攝像機跟蹤系統

在虛擬演播室系統中，攝像機跟蹤技術是關鍵。必須隨時獲取攝像機的拍攝參數，比如運動方向、距離、位置等，根據參數確定選取范圍，這樣才能使真實的攝像機與虛擬場景中的攝像機實時同步運動。虛擬攝像機通過分析真實的攝像機的拍攝數據，確定虛擬場景中進入畫面的部分。因此，需要一個能夠進行實時檢測，及時提供攝像機運動參數，以及主講人空間方位參數的系統，這就是攝像機跟蹤技術。虛擬演播室的最終合成效果，取決于虛擬背景的立體透視關系是否能夠和現場攝像機的變化相一致。攝像機配有運動檢測和識別系統，即攝像機跟蹤器。其原理是將拍攝過程中檢測到的攝像機的推、拉、搖、移降等運動數據，通過傳感裝置傳輸到校準器，使得現場真實的攝像機與虛擬攝像機被相對地鎖定在一個位置上。當現場演播室攝像機開始工作時，有了跟蹤器的控制，虛擬攝像機可以實時地與真實攝像機保持同步。攝像機跟蹤系統的作用就是將攝像機的運行參數、位置參數等數據實時取出，通過控制器來參與虛擬攝像機的三維成像過程。[2]計算機圖像工作站生成的虛擬場景，可以根據現場攝像機運動的位置顯示出合理的立體透視關系，隨著平移、俯仰、拉伸、聚焦等操作的變化，真實攝像機和虛擬攝像機能夠同步運動，這種功能正是虛擬演播室技術優于傳統的色鍵摳像技術的優勢所在。攝像機的運動參數包括機頭運動參數(搖移、俯仰)、鏡頭運動參數(變焦、聚焦、光圈)以及空間位置參數(地面橫軸、縱軸和高度)等的獲取，這些參數對虛擬演播室系統來說非常重要，計算機通過對所有獲取的參數分析，實時生成與前景圖像保持正確透視關系的背景圖像，保證虛擬場景的生成效果。

攝像機跟蹤技術是虛擬演播室中的一項關鍵技術，它通過安置在攝像機上的傳感設備，獲取攝像機在演播室中的實際位置參數和動作參數，對攝像機、主持人以及虛擬背景之間的相對位置關系做出判斷，幫助系統實現真實攝像機與虛擬攝像機的位置鎖定。攝像機跟蹤器把前景人物與攝像機之間的位置關系及立體透視參數實時送到圖形計算機，把真實人物與虛擬場景匹配起來，生成所需要的虛擬環境。攝像機跟蹤技術主要有機械傳感、紅外線跟蹤及圖形網格識別三種方式，三種方式各有利弊，目前使用較多的是紅外線跟蹤技術。

(二)虛擬場景生成系統

對虛擬演播室技術來說，有了攝像機跟蹤技術獲取實時運動參數，還必須有實時動態的虛擬背景。通過虛擬場景生成系統，可以制作出任何設想中的布景或道具。可以是靜態的，也可以是動態的。無論是現實中存在或不存在的場景，都可以通過設計人員的創作，成為虛擬演播室中的虛擬場景。[3]場景的布局、大小、材料等都可以是任意的，在傳統演播室中無法實現的龐大背景，現實生活中看不到的景觀，人工無法完成的特技效果，都可以通過虛擬場景生成系統，在虛擬演播室中得以實現。虛擬演播室的場景圖像可以是提前制作的二維圖形，也可以是三維動畫。在虛擬演播室系統中，攝像機的運動參數傳送給圖形工作站，計算機憑借這個信息獲得前景物體與攝像機之間的距離和相對位置，從而計算出虛擬場景最佳的大小和位置，實時生成與前景有正確透視關系的背景圖像，并按要求計算生成虛擬場景的三維模型。

(三)視頻合成系統

和傳統演播室相比較，虛擬演播室對色鍵技術提出了更高的要求。為了實現前景畫面和虛擬背景完美融合，要求色鍵具有縱深方向的信息，虛擬場景畫面中每一個畫面象素都有其對應的空間位置信息。通過色鍵摳像技術，將前景人物從藍色背景中摳取出來，同時產生一個前景遮擋信號，然后通過深度鍵發生器求出鍵的深度值。在傳統的色鍵摳像技術的基礎上增加了深度鍵，可以使前景人物處于虛擬場景的任何位置，和傳統色鍵技術相比較，用深度鍵摳像的效果更逼真，更自然。虛擬演播室的最終效果由能將前景和背景圖像混合起來的實時系統合成,最終完成虛擬演播室的節目制作。

三、虛擬演播室系統結構

山西廣播電視大學的虛擬演播室系統是深圳勵得公司的U-Caster四機位雙通道雙跟蹤系統。系統構架為四訊道高標清兼容虛擬演播室系統，能同時設置四個訊道攝像機對應的色鍵，分別實現不同的色鍵摳像效果；支持四個訊道攝像機同時接入，可以將一臺攝像機的信號分配給兩個機位使用，實現兩臺攝像機的效果，并在兩個通道間實現硬切和特技切換(包括淡入淡出、疊加、三維卷頁等多種特效)。系統配備虛擬專用外置切換臺，可以實時控制虛擬演播室機位切換、虛擬搖臂機位的切換、包裝模型、圖文字幕和虛擬大屏幕的播出，使操作方式和傳統的導播方式一致。U- Caster虛擬系統支持32路預設的虛擬攝像機運動機位，在機位推拉搖移和切換過程中，保證前景信號與虛擬背景信號同步切換。無論是真實還是虛擬攝像機運動過程中，攝像機拍攝的前景人物在虛擬場景的固定位置，不會出現漂移、滑動等鏡頭。可以及時調整前景畫面與虛擬場景的比例關系，兩者之間保持正確合理的透視遮擋關系，主場景圖像和三維模型場景融為一體。系統還可實現攝像機遠程控制功能，可以在虛擬軟件里直接控制物理攝像機的變焦，無需操作攝像機就可實現物理攝像機的推拉跟蹤效果。系統采用機電傳感跟蹤和虛擬攝像機運動軌跡跟蹤兩種跟蹤方式。通過外置傳感采集設備，可同時支持三個機位的跟蹤數據的采集，高速USB接口傳送數據，確保傳感跟蹤數據無延時無丟失。[4]系統支持在四個訊道攝像機中，任意實現虛擬攝像機運動軌跡跟蹤，不需要配置搖臂、導軌等裝置，就可以實現攝像機前景和三維虛擬場景大范圍的航拍、搖臂、導軌等拍攝效果。系統提供圖文在線包裝功能，可在虛擬合成畫面之后添加各種三維字幕圖文效果，包括滾動字、圖片、動畫、滾屏、粒子效果、各種三維物件、三維光效等，并且支持各物件的軌跡和特效關鍵幀設置，能滿足虛擬演播室節目在線圖文包裝需求。系統帶有200套在線包裝模板和預置場景供用戶使用。

在虛擬演播室系統中，跟蹤技術和色鍵技術的應用需要有一個基本環境，這個環境就是虛擬演播室的藍箱。現在虛擬演播室主要有藍箱和綠箱之分，在國外使用綠箱較多，國內使用藍箱較多。[5]藍箱也稱為藍背景，它是拍攝的實際場景，藍箱質量的好壞，直接關系到色鍵摳像的質量。藍箱必須保證均勻的藍色背景，特別是在墻墻、墻地交接處不能有接縫的痕跡，墻角要大于90度。藍箱主要有一墻一底式、兩墻一底式和三墻一底式3種類型，也就是I型、L型、U型三種形狀。I型藍箱是只有一面背景墻的藍箱；L型藍箱是有一個地面、一個或兩個墻面的藍箱；U型藍箱是有一個地面，三個墻面的藍箱。其中三墻一底式能給出更大空間，攝像機機位限制小，拍攝范圍大。山西省內廣播電視系統演播室藍箱基本為U型，而山西廣播電視大學虛擬演播室的藍箱設計為U+型，是有一個藍色地面、三個半藍色墻面的半封閉環型。這種設計處于同行業領先水平，半封閉環型藍箱的設計不僅可以對講臺上的主講人進行摳像，同時也可以對臺下就坐的聽講者進行摳像。這樣，在制作教學課件時，可以將師生置于不同的虛擬場景中，可以穿插有師生互動的場面，課件的表現形式將更加生動。

多機位多通道虛擬演播室系統結構圖

四、 虛擬演播室技術的應用

虛擬演播室技術被廣泛應用于電視節目制作中。近年來，虛擬演播室技術在遠程教育中的應用為資源建設開拓了新的途徑。利用虛擬演播室技術創設與教學情境相協調的環境，生動豐富的虛擬場景能烘托氣氛，激發靈感，促進學習。虛擬大屏幕特技、三維物體和立體的運動場景、虛擬的環境等可使教學內容更直觀，可視性更強。虛擬演播室可以完成傳統演播室難以做到的特技效果，所以虛擬演播室在課件制作中有強大的優勢。

虛擬演播室技術為遠程教育的資源建設提供了豐富的創作手段。在課件制作中，虛擬演播室的場景可以根據教學形式或課程內容的不同而變化。虛擬演播室為學習者提供了一個可以自己建構知識體系的空間，傳統的以講授文字內容為主的平面課堂教學模式可以轉化為三維空間形式。通過虛擬演播室技術，可以將教學過程充分融入到計算機創設的虛擬學習環境之中。通過虛擬背景和三維效果植入，教師可以在教學過程中展示相關的背景、音效、三維場景等，實現情景教學。對于實訓類課程，可以利用虛擬演播室技術創設虛擬實驗環境，把實際操作過程及步驟直觀地呈現在學生眼前，可以解決實驗演示教學中遇到的各種難題。教師的講授結合實驗環境多角度全方位的呈現，可以讓學生不用直接在實地進行，一樣可以有身臨其境的體驗。教師講解的同時，學生可以同時看到實驗過程。對一些關鍵的實驗步驟，在視頻拍攝中，可以用特寫鏡頭加以放大，在后期剪輯中，也可以對該段內容進行多次重現。[6]另外，教師利用虛擬演播室技術對那些不可視的結構原理和不可重組的精密設備作仿真演示，既可以獲得直觀形象的效果，又可以縮短操作訓練的時間，提高了教學質量。虛擬演播室系統可實時創建所見即所得的二維、三維幾何體，不但可以調用系統預制的立方體、圓柱體、球體、圓環等元素，還可以支持幾何圖形手繪功能，可實現任意形狀的幾何圖形的創建。對于煤化工技術、井下安全、建筑施工、汽車維修等實地教學有一定危險性或不具備實地教學條件的課程，可以利用三維動畫技術設計模擬真實環境。在虛擬背景中，用事先設計好的二維、三維模型根據教學需要演繹工作原理、工作流程等原本需要在實地進行教學的場景。在虛擬演播室創設的教學環境下，那些以往不便于遠程教學的動作技能類教學內容可以通過虛擬演播室的三維建模來實現，極大地豐富了遠程教學內容的呈現手段。另外還可以利用虛擬演播室的虛擬列席功能，將分別處于不同地域的專家學者與本地演播室中的教師講解視頻結合在一個虛擬場景中。多人可以通過虛擬場景實現面對面交流，還可以和現場學生進行交互，雖然身處異地，但虛擬演播室技術的應用可以增強教學的現場感與師生參與感。這種方式可以聚集不同地區不同行業領域的專家學者，實現優質師資共享。課件的表現形式可以采取主講、課堂師生互動、專家訪談等方式。虛擬演播室技術的應用，拓寬了課件制作的思路，豐富了課件類型，對現代化教育培養學生創新意識和實踐精神具有重大意義。

一般來說，虛擬演播室制作課件的步驟為：授課老師提供課程制作方案；設計人員根據方案制定腳本；技術人員根據課程要求制作虛擬背景；攝像師與授課老師合作進行課程錄制；編輯人員進行后期制作及視頻輸出。虛擬場景的設計幾乎不受限制，只要符合課程要求，創作人員可任意想象、自由發揮。場景的大小、布局、材料、道具、動畫等均可根據課程內容的變化而變化，使得資源視頻與仿真背景更能真實和貼切地反映課程內容。具體拍攝的時候，還可以拍攝主體活動畫面，讓主講教師在前景和背景之間穿插活動，增強視覺效果的縱深感和真實感。可以說，運用虛擬演播室技術制作課件是一個再創作的過程，它不僅涉及到優秀教師的設計與掌控能力，還需要專業的編導、攝像及后期制作人員的通力合作，才能制作出內容精湛、形式精良的優質課程資源。

資源建設是現代遠程教育發展的關鍵，同時也是終身教育體系和學習型社會的重要前提和基礎。現代遠程教育將滲透到社會各個領域，資源建設的需求將來自各行各業，資源的需求量將是巨大的，提高資源制作水平是當務之急。虛擬演播室技術的應用為資源建設拓展了更為廣闊的前景。