试论虚拟演播室技术在资源建设中的应用

□高丽荣，姜 海

(山西广播电视大学,山西 太原 030027)

资源建设是远程教育的一个重要环节，资源制作质量的优劣决定着信息传递的有效性，关系到远程教育发展的持久性。目前，远程教育的课程资源虽然录制的技术手段多样，但课件形式表现单一，容易使学习者产生视觉疲惫，同时，课堂中教师所讲内容不能形象直观地呈现在学生面前，不利于学生全面掌握课程内容，所以，提高资源水平也就成为当务之急。而将虚拟演播室技术应用于资源建设中，可极大地丰富课程资源的表现形式，提升资源建设的质量，促进远程教育健康持续发展。

一、 虚拟演播室的基本原理

虚拟演播室技术是近年来在传统的色键抠像技术基础上，多领域、跨学科发展起来的一种新型影视节目制作手段。它集虚拟现实技术、计算机三维图像技术、视频合成技术为一体，将真实摄像机拍摄的前景人物活动画面实时与计算机图形工作站生成的虚拟背景按照一定的透视关系进行数字化合成，使得拍摄到的前景中的人物和计算机所产生的虚拟背景完美地融为一体。这种技术手段使得前景人物与虚拟背景无缝融合，从而创造出逼真的现场效果，获得高质量的画面。

虚拟演播室的关键技术包括摄像机跟踪定位技术、三维虚拟场景生成技术和色键合成技术。它的工作原理是：人物在以蓝色幕布为背景的演播室里活动,摄像机负责现场图像，并利用色键技术将人物形象从蓝色背景中抠取出来，得到前景图像。同时,摄像机跟踪系统实时检测摄像机的运动参数和成像参数,将摄像机的参数信息传递到计算机场景工作站，经过一系列运算，实时调整虚拟背景，使人物活动轨迹与虚拟背景同步变化。在三维场景制作系统中构造出和实际场景匹配的三维背景,生成背景图像。拍摄到的前景人物图像和计算机虚拟场景系统产生的背景实时合成，生成所需的特定场景画面。背景图像的产生过程由跟踪摄像机控制，当摄像机进行摇移、俯仰、推拉、变焦等操作时，背景图像随之发生变化。由于前景图像和背景图像具有相同的成像参数和三维透视关系,因此,采用虚拟演播室技术能较好地处理前景图像和背景图像同步变化的问题,保证了合成画面的真实感。

在传统演播室中，录制节目使用的是色键抠像技术，其工作原理是演播室内的前景图像(人或物体)其背景色调是与前景中人物区别极大的高饱和度单色幕布(通常为蓝色)。前景中人物图像的色调与蓝色幕布的色调之间产生差值，形成抠像电压波形，成为色键信号。根据不同的色键信号，分别对背景或前景做出选择。前景视频画面信号和虚拟背景画面信号经过切换合成，生成前景人物置身于虚拟背景中的图像画面。色键抠像技术就是将蓝色背景下拍摄的前景人物抠取出来，与提前制作好的虚拟背景一起产生所需的节目情景。它的主要问题是当摄像机推拉移动时，前景人物会在画面中形成不同的景别，而背景画面无法同步变换，两者之间缺少关联，前景与背景之间没有一定的透视关系，拍摄实物的比例大小与背景的比例不能相互吻合，造成视觉上有所差异，合成的图像画面简单叠加，缺乏层次感，不够真实自然，难以体现节目的动感效果。

随着计算机控制技术和计算机图形技术的飞速发展，虚拟演播室技术应运而生。虚拟演播室技术和传统色键抠像技术一样，都是把摄像机拍摄到的人物图像作为前景。而与色键抠像技术不同的是，虚拟演播室技术应用了摄像机跟踪技术，弥补了传统色键抠像中前景摄像机不能与背景画面同步运动的不足。[1]虚拟演播室的背景是通过计算机三维图形工作站生成的三维动画图形，称之为虚拟场景。将获取的摄像机的高度、位置、俯仰、摇移以及镜头的变焦、聚焦等参数传递到计算机中，用以控制虚拟场景随前景人物的移动而变化，从而使前景人物与虚拟场景之间形成正确的透视效果，通过色键信号发生器将前景人物和虚拟场景实时地同步叠加合成，图像传送至视频切换台，这样现场拍摄的人物如同置身于真实的场景中一样，场面逼真，层次分明，立体感强。通过虚拟演播室技术产生的合成画面，比传统色键技术产生的图像要生动真实得多。

二、 虚拟演播室的关键技术

虚拟演播室系统是一套由摄像机、摄像机跟踪器、图形工作站、色键合成器以及视音频切换台等组成的影视节目制作系统。摄像机拍摄前景视频后，信号分两路送出：一路信号送至视频延时器，确保前景信号与虚拟背景信号在合成时同步；另一路信号送至摄像机跟踪控制模块，实时获取摄像机的运动轨迹数据。摄像机运动参数控制着虚拟背景的变换，通过色键器进行合成，合成后的画面在切换台输出。整个系统一般分为摄像机跟踪系统、虚拟场景生成系统和视频合成系统三个部分。

(一)摄像机跟踪系统

在虚拟演播室系统中，摄像机跟踪技术是关键。必须随时获取摄像机的拍摄参数，比如运动方向、距离、位置等，根据参数确定选取范围，这样才能使真实的摄像机与虚拟场景中的摄像机实时同步运动。虚拟摄像机通过分析真实的摄像机的拍摄数据，确定虚拟场景中进入画面的部分。因此，需要一个能够进行实时检测，及时提供摄像机运动参数，以及主讲人空间方位参数的系统，这就是摄像机跟踪技术。虚拟演播室的最终合成效果，取决于虚拟背景的立体透视关系是否能够和现场摄像机的变化相一致。摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其原理是将拍摄过程中检测到的摄像机的推、拉、摇、移降等运动数据，通过传感装置传输到校准器，使得现场真实的摄像机与虚拟摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机开始工作时，有了跟踪器的控制，虚拟摄像机可以实时地与真实摄像机保持同步。摄像机跟踪系统的作用就是将摄像机的运行参数、位置参数等数据实时取出，通过控制器来参与虚拟摄像机的三维成像过程。[2]计算机图像工作站生成的虚拟场景，可以根据现场摄像机运动的位置显示出合理的立体透视关系，随着平移、俯仰、拉伸、聚焦等操作的变化，真实摄像机和虚拟摄像机能够同步运动，这种功能正是虚拟演播室技术优于传统的色键抠像技术的优势所在。摄像机的运动参数包括机头运动参数(摇移、俯仰)、镜头运动参数(变焦、聚焦、光圈)以及空间位置参数(地面横轴、纵轴和高度)等的获取，这些参数对虚拟演播室系统来说非常重要，计算机通过对所有获取的参数分析，实时生成与前景图像保持正确透视关系的背景图像，保证虚拟场景的生成效果。

摄像机跟踪技术是虚拟演播室中的一项关键技术，它通过安置在摄像机上的传感设备，获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数，对摄像机、主持人以及虚拟背景之间的相对位置关系做出判断，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的位置锁定。摄像机跟踪器把前景人物与摄像机之间的位置关系及立体透视参数实时送到图形计算机，把真实人物与虚拟场景匹配起来，生成所需要的虚拟环境。摄像机跟踪技术主要有机械传感、红外线跟踪及图形网格识别三种方式，三种方式各有利弊，目前使用较多的是红外线跟踪技术。

(二)虚拟场景生成系统

对虚拟演播室技术来说，有了摄像机跟踪技术获取实时运动参数，还必须有实时动态的虚拟背景。通过虚拟场景生成系统，可以制作出任何设想中的布景或道具。可以是静态的，也可以是动态的。无论是现实中存在或不存在的场景，都可以通过设计人员的创作，成为虚拟演播室中的虚拟场景。[3]场景的布局、大小、材料等都可以是任意的，在传统演播室中无法实现的庞大背景，现实生活中看不到的景观，人工无法完成的特技效果，都可以通过虚拟场景生成系统，在虚拟演播室中得以实现。虚拟演播室的场景图像可以是提前制作的二维图形，也可以是三维动画。在虚拟演播室系统中，摄像机的运动参数传送给图形工作站，计算机凭借这个信息获得前景物体与摄像机之间的距离和相对位置，从而计算出虚拟场景最佳的大小和位置，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像，并按要求计算生成虚拟场景的三维模型。

(三)视频合成系统

和传统演播室相比较，虚拟演播室对色键技术提出了更高的要求。为了实现前景画面和虚拟背景完美融合，要求色键具有纵深方向的信息，虚拟场景画面中每一个画面象素都有其对应的空间位置信息。通过色键抠像技术，将前景人物从蓝色背景中抠取出来，同时产生一个前景遮挡信号，然后通过深度键发生器求出键的深度值。在传统的色键抠像技术的基础上增加了深度键，可以使前景人物处于虚拟场景的任何位置，和传统色键技术相比较，用深度键抠像的效果更逼真，更自然。虚拟演播室的最终效果由能将前景和背景图像混合起来的实时系统合成,最终完成虚拟演播室的节目制作。

三、虚拟演播室系统结构

山西广播电视大学的虚拟演播室系统是深圳励得公司的U-Caster四机位双通道双跟踪系统。系统构架为四讯道高标清兼容虚拟演播室系统，能同时设置四个讯道摄像机对应的色键，分别实现不同的色键抠像效果；支持四个讯道摄像机同时接入，可以将一台摄像机的信号分配给两个机位使用，实现两台摄像机的效果，并在两个通道间实现硬切和特技切换(包括淡入淡出、叠加、三维卷页等多种特效)。系统配备虚拟专用外置切换台，可以实时控制虚拟演播室机位切换、虚拟摇臂机位的切换、包装模型、图文字幕和虚拟大屏幕的播出，使操作方式和传统的导播方式一致。U- Caster虚拟系统支持32路预设的虚拟摄像机运动机位，在机位推拉摇移和切换过程中，保证前景信号与虚拟背景信号同步切换。无论是真实还是虚拟摄像机运动过程中，摄像机拍摄的前景人物在虚拟场景的固定位置，不会出现漂移、滑动等镜头。可以及时调整前景画面与虚拟场景的比例关系，两者之间保持正确合理的透视遮挡关系，主场景图像和三维模型场景融为一体。系统还可实现摄像机远程控制功能，可以在虚拟软件里直接控制物理摄像机的变焦，无需操作摄像机就可实现物理摄像机的推拉跟踪效果。系统采用机电传感跟踪和虛拟摄像机运动轨迹跟踪两种跟踪方式。通过外置传感采集设备，可同时支持三个机位的跟踪数据的采集，高速USB接口传送数据，确保传感跟踪数据无延时无丢失。[4]系统支持在四个讯道摄像机中，任意实现虚拟摄像机运动轨迹跟踪，不需要配置摇臂、导轨等装置，就可以实现摄像机前景和三维虚拟场景大范围的航拍、摇臂、导轨等拍摄效果。系统提供图文在线包装功能，可在虚拟合成画面之后添加各种三维字幕图文效果，包括滚动字、图片、动画、滚屏、粒子效果、各种三维物件、三维光效等，并且支持各物件的轨迹和特效关键帧设置，能满足虚拟演播室节目在线图文包装需求。系统带有200套在线包装模板和预置场景供用户使用。

在虚拟演播室系统中，跟踪技术和色键技术的应用需要有一个基本环境，这个环境就是虚拟演播室的蓝箱。现在虚拟演播室主要有蓝箱和绿箱之分，在国外使用绿箱较多，国内使用蓝箱较多。[5]蓝箱也称为蓝背景，它是拍摄的实际场景，蓝箱质量的好坏，直接关系到色键抠像的质量。蓝箱必须保证均匀的蓝色背景，特别是在墙墙、墙地交接处不能有接缝的痕迹，墙角要大于90度。蓝箱主要有一墙一底式、两墙一底式和三墙一底式3种类型，也就是I型、L型、U型三种形状。I型蓝箱是只有一面背景墙的蓝箱；L型蓝箱是有一个地面、一个或两个墙面的蓝箱；U型蓝箱是有一个地面，三个墙面的蓝箱。其中三墙一底式能给出更大空间，摄像机机位限制小，拍摄范围大。山西省内广播电视系统演播室蓝箱基本为U型，而山西广播电视大学虚拟演播室的蓝箱设计为U+型，是有一个蓝色地面、三个半蓝色墙面的半封闭环型。这种设计处于同行业领先水平，半封闭环型蓝箱的设计不仅可以对讲台上的主讲人进行抠像，同时也可以对台下就坐的听讲者进行抠像。这样，在制作教学课件时，可以将师生置于不同的虚拟场景中，可以穿插有师生互动的场面，课件的表现形式将更加生动。

多机位多通道虚拟演播室系统结构图

四、 虚拟演播室技术的应用

虚拟演播室技术被广泛应用于电视节目制作中。近年来，虚拟演播室技术在远程教育中的应用为资源建设开拓了新的途径。利用虚拟演播室技术创设与教学情境相协调的环境，生动丰富的虚拟场景能烘托气氛，激发灵感，促进学习。虚拟大屏幕特技、三维物体和立体的运动场景、虚拟的环境等可使教学内容更直观，可视性更强。虚拟演播室可以完成传统演播室难以做到的特技效果，所以虚拟演播室在课件制作中有强大的优势。

虚拟演播室技术为远程教育的资源建设提供了丰富的创作手段。在课件制作中，虚拟演播室的场景可以根据教学形式或课程内容的不同而变化。虚拟演播室为学习者提供了一个可以自己建构知识体系的空间，传统的以讲授文字内容为主的平面课堂教学模式可以转化为三维空间形式。通过虚拟演播室技术，可以将教学过程充分融入到计算机创设的虚拟学习环境之中。通过虚拟背景和三维效果植入，教师可以在教学过程中展示相关的背景、音效、三维场景等，实现情景教学。对于实训类课程，可以利用虚拟演播室技术创设虚拟实验环境，把实际操作过程及步骤直观地呈现在学生眼前，可以解决实验演示教学中遇到的各种难题。教师的讲授结合实验环境多角度全方位的呈现，可以让学生不用直接在实地进行，一样可以有身临其境的体验。教师讲解的同时，学生可以同时看到实验过程。对一些关键的实验步骤，在视频拍摄中，可以用特写镜头加以放大，在后期剪辑中，也可以对该段内容进行多次重现。[6]另外，教师利用虚拟演播室技术对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真演示，既可以获得直观形象的效果，又可以缩短操作训练的时间，提高了教学质量。虚拟演播室系统可实时创建所见即所得的二维、三维几何体，不但可以调用系统预制的立方体、圆柱体、球体、圆环等元素，还可以支持几何图形手绘功能，可实现任意形状的几何图形的创建。对于煤化工技术、井下安全、建筑施工、汽车维修等实地教学有一定危险性或不具备实地教学条件的课程，可以利用三维动画技术设计模拟真实环境。在虚拟背景中，用事先设计好的二维、三维模型根据教学需要演绎工作原理、工作流程等原本需要在实地进行教学的场景。在虚拟演播室创设的教学环境下，那些以往不便于远程教学的动作技能类教学内容可以通过虚拟演播室的三维建模来实现，极大地丰富了远程教学内容的呈现手段。另外还可以利用虚拟演播室的虚拟列席功能，将分别处于不同地域的专家学者与本地演播室中的教师讲解视频结合在一个虚拟场景中。多人可以通过虚拟场景实现面对面交流，还可以和现场学生进行交互，虽然身处异地，但虚拟演播室技术的应用可以增强教学的现场感与师生参与感。这种方式可以聚集不同地区不同行业领域的专家学者，实现优质师资共享。课件的表现形式可以采取主讲、课堂师生互动、专家访谈等方式。虚拟演播室技术的应用，拓宽了课件制作的思路，丰富了课件类型，对现代化教育培养学生创新意识和实践精神具有重大意义。

一般来说，虚拟演播室制作课件的步骤为：授课老师提供课程制作方案；设计人员根据方案制定脚本；技术人员根据课程要求制作虚拟背景；摄像师与授课老师合作进行课程录制；编辑人员进行后期制作及视频输出。虚拟场景的设计几乎不受限制，只要符合课程要求，创作人员可任意想象、自由发挥。场景的大小、布局、材料、道具、动画等均可根据课程内容的变化而变化，使得资源视频与仿真背景更能真实和贴切地反映课程内容。具体拍摄的时候，还可以拍摄主体活动画面，让主讲教师在前景和背景之间穿插活动，增强视觉效果的纵深感和真实感。可以说，运用虚拟演播室技术制作课件是一个再创作的过程，它不仅涉及到优秀教师的设计与掌控能力，还需要专业的编导、摄像及后期制作人员的通力合作，才能制作出内容精湛、形式精良的优质课程资源。

资源建设是现代远程教育发展的关键，同时也是终身教育体系和学习型社会的重要前提和基础。现代远程教育将渗透到社会各个领域，资源建设的需求将来自各行各业，资源的需求量将是巨大的，提高资源制作水平是当务之急。虚拟演播室技术的应用为资源建设拓展了更为广阔的前景。