地方高校虚拟演播室的集约构建： 困境、路径与框架

李强 贺超波 吴东醒 贺佃奎 付志文

摘   要：地方高校建设虚拟演播室要面对财力不足的困难，文章在分析虚拟演播室基本建设目标的基础上，探讨集约构建的路径，从系统结构、功能、工作原理方面阐述经济实用且能满足大量实际需要的虚拟演播室建设方案，意在总结资源建设的经验，以期未来更好地建设虚拟演播室并为同类地方高校献计献策。

关键词：地方高校;虚拟演播室;集约构建;路径;框架

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）15-0039-04

一、地方高校的困境

在移动互联网与媒体融合发展的大背景下，传统节目的传播和制作方式已经不能满足当今的需求，融媒体观念促使传统演播室悄然改变，虚拟演播室成为一个重要的发展方向。虚拟演播室在高校教学资源制作、远程教育电视节目制作、高校实训教学等领域得到较多应用;[1]采用摄像机跟踪技术、计算机图形图像处理技术与色键蓝箱技术，将摄像机拍摄的画面与电脑三维场景合成，实现虚实结合，节省了传统基于搭设真实布景的设计、材料、施工、场地等方面的昂贵费用。[2]

建设成熟的虚拟演播室需要充足的经费作为保障，用于演播室装修、环境设计、购置机器设备和应用软件。与部委直属高校、“985”、“211”等重点高校相比，地方普通高校在师资力量、经费投入、科研条件、教学条件等方面差距较大，几乎没有机会参与国家各项重点建设工程。各级政府近些年的政策更加倾向于扶持直属高校、重点高校，扩大了地方普通高校与部委直属高校的差距，强者恒强的态势短期内不会改变。个别地方高校经费投入不足，师生比低，生均建筑面积长期不足7平方米，严重低于教育部编制的标准《普通高等学校建筑面积指标》，行政和教辅争抢极为有限的生存空间，学校组织建设虚拟演播室，面临着经费与场地的双重困难。

二、虛拟演播室的建设目标

1.教学视频资源摄制

在信息化教学的背景下，各高校纷纷开展了视频公开课、精品资源共享课、慕课、微课等课程建设项目，鉴于地方高校教辅资源不足的情况，制作教学视频有两个办法：一是排队等待录播教室，时间被动且质量不佳;二是与信息服务公司合作，质量有保障但经费消耗太大，很难批量开发视频资源。因此，集约构建虚拟演播室应采用实时录制、即时出片的作业方法，缓解课程录制严重积压的局面。

2.丰富视频录制形式

实景拍摄的视频看起来高端上档次，如果所有的节目都单独设立演播室，那么就显得极为浪费。[3]巨大的经费投入把许多地方高校挡在门槛之外，仅仅用简陋的实景勉强应对，导致常规录播室的视频背景千篇一律，缺少个性化设计，使学生容易厌倦。虚拟演播室系统在视频录制应用上，应能使虚拟场景生动地反映教学内容，并且形成有效的动态关联，使微课、慕课、视频公开课能在PPT、计算机程序、虚拟背景、视频抠像之间自由切换或任意组合，产生丰富多样的形式，提高现有资源开发效率和制作水平。

3.校园文化建设

专家讲座、多人访谈等类型节目是校园文化活动的重要组成部分，有需求但摄制条件不足。虚拟演播室应该经过声学、光学的布局和设计，集约建设拍摄环境，实现高质量的节目同步录制功能，并针对节目内容开发虚拟三维场景、美化视频背景，使三维场景和背景与节目内容发生实时关联。

4.虚拟演播室直播

重要的专家讲座、线上教学、谈话节目等，现场直播环节必不可少，借助手机或移动终端设备，校园的任何角落都应能够观看。虚拟演播室系统应能对接网络视频直播服务，没有组建流媒体服务器的地方高校，建设虚拟演播系统应能对接到第三方直播服务平台，能直播系统实时输出的画面。

5.视频后期编辑与制作

通过非线性编辑系统，能对虚拟演播室现场合成的视频做后期处理，必要时剪切掉拍摄中的NG部分、添加片头、添加字幕，特殊情况应能创作特效、绘制图形图片。经过后期处理获得可供发布的视频资源，存储至媒体资源管理系统，改变教学视频资源检索和利用率低的现状。

三、系统框架的设计与构建

1.建设路径

由于财政等因素的制约，一些地方普通高校的实验仪器和教学设备都比较短缺，开展直接的教学活动都受到限制，建设虚拟演播室也会成为不痛不痒的工作，何时开展难以预期，一味等待立项审批将阻滞相关工作的有序开展。结合现有条件，借助新兴技术，由软件代替硬件，以解决学校各项业务的实际需求为设计导向，避免大而全的投入和无端浪费，是集约型虚拟演播室的建设路径。

通过测试与应用，我们构建了以VMIX为核心应用程序的虚拟演播系统，与非线性编辑工作站、摄像机、灯光、绿幕、便携式计算机、提词器等演播室通用设备对接，组建了二维半虚拟演播室系统。

2.工作原理

系统融合了色键技术与虚拟三维技术，导播主机通过绿幕视频数据进行色键处理，抠像生成画面主体，画面背景是三维图像，由C4D、E3D等三维制作软件或插件设计制作成三维模型，贴图和渲染后，由PS等图形图像软件输出高质量的二维图片文件，导入录播主机后修改VMIX应用程序，创建个性化的虚拟集，与抠像视频一起布局在程序界面中，产生真实的三维空间观感。

VMIX应用程序有实时色键的功能，拍摄与录制的同时进行抠像。在程序内这一功能位于输入信号源设置面板内的彩色钥匙选项，初始界面提供了红绿蓝三色通道可供色键抠像，实际应用中一般都采用颜色拾取器对蓝箱或者绿幕进行颜色选样，色度键与色度键过滤器结合使用，设计合适的参数组合，或者设置自定义的色度键预设，完成画面的色键，移除摄像机捕捉图像上的绿色或蓝色色块，并保留人物主体图像。程序内的色键容差范围较大，即使没有经过专业的灯光设计和环境布置，仅用简易便携的普通绿色幕布，在普通的灯光下，颜色色相、明度、亮度不太理想，也能实现高质量的抠像。

系统仅通过一部物理摄像机就可以实现最终画面的景别转换，程序在虚拟三维场景中设定了多个预置位，作为虚拟摄像机的独立预置点，虚拟摄像机在各独立预置点能产生不同的拍摄景别，实现被拍摄人物或主体在远景、全景、近景、特写之间的切换。景别之间不是断开跳跃切换的，而是通过计算机程序模拟真实场景连续发生的，最终的画面镜头具有推拉摇移的视觉观感，景别切换的所有过程中，物理摄像机无需任何操作，被摄人物、主体能与虚拟三维场景定位在各自的三维坐标上，最终合成的视频画面取决于虚拟摄像机镜头的运动轨迹。

3.系统结构

（1）播放主机模块

播放主机模块由硬件与软件配套组合而成，包含主播使用的便携式计算机、高清数据连接、屏幕扩展软件、图像镜像软件。计算机运行教学PPT或软件程序，将提词器平板电脑作为扩展屏幕，在相机镜头前的提词器中显示教师机桌面图像。安卓系统的平板电脑能够做到无线连接，在计算机上安装Spacedesk主机程序、平板上安装Spacedesk程序，电脑都连接同一个无线网络即可;苹果系统需要数据线连接笔记本和平板电脑，在计算机上安装XDISPLAY屏幕扩展程序，平板电脑安装客户端APP，最后用Ultramon等屏幕控制程序将平板屏幕左右镜像翻转，由提词器反射玻璃映射形成提词屏幕。与此同时计算机将屏幕信号通过高清数据连线接入视频采集卡，转换为计算机数据，经过USB3.0接口传入导播主机工作站，使计算机屏幕作为一路视频信号接入VMIX应用程序。

（2）导播主机模块

导播主机模块是数据汇聚与输出的关键，由移动图形工作站与核心应用软件VMIX组合而成。导播主机在VMIX的操作界面设置接收两路播放主机的录屏数据和相机数据，分别是TC-UB60pro Video，对应音频设备TC-UB60pro Digital Audio;USB3.0 Capture Video，对应音频设备USB3.0 Capture Digital Audio，同时必须开启两路输入通道的音频开关Audio，看不到摄像机或教师机的声波脉冲，需要开启调音台面板进行设置。程序的声音必须与操作系统的声音隔离分开，在声音合成器中需要将VMIX调至静音，切断操作系统与VMIX程序形成循环往复的声波回路。

（3）提词器模块

提词器为教师或主播提供必要的提示，极大提高了教学视频和节目制作的效率。提词器系统由提词器支架、蓝牙遥控、平板电脑、提词软件组成。平板电脑通过提词软件将屏幕内容反射到相机镜头前一块呈45度角的专用镀膜玻璃上，台词被反射在镜头前，由蓝牙遥控器操纵提示内容的显示布局和速度，提示内容、摄像机与主讲人双眼视线处在一个水平轴线上，避免了主讲人视线出镜，增加了亲切感和逼真效果。提词器设备固有的提词软件仅提供文本编辑，对校园文化建設、节目制作有较大作用，而教学视频拍摄过程中大都使用PPT等计算机程序，极不方便转换为文本，需要将平板电脑作为播放主机的扩展屏幕，形成提词屏幕，如有特殊需求，两个屏幕能分别显示演讲者视图和放映视图。

（4）摄像机系统模块

摄像机模块包括摄像机或单反相机、视频采集卡（与高清数据连接）、无线话筒。摄像机或单反相机直接安装在提词器支架设备上，一并由三脚架支撑。无线话筒拾取主播的语音声道，相机内置的话筒会拾取相机四周的所有声音，如遇到环境噪音、杂音等异常情况，调整相机使用无线话筒录取的单路声道能够应对。相机通过高清数据接口HDMI连接视频采集卡，视频与音频数据被一起转换成计算机的数字数据，经过USB3.0接口传入导播主机。

（5）非线性编辑系统

非线性编辑系统包括高性能图形图像工作站以及一系列图像、视频、音频软件。视频制作过程需要后期人员的鼎力配合，才能达到整体大于部分之和的效果。[4]一部分视频需要制作片头、添加字幕、后期配音、加入图片或者动画元素，系统以Premiere2019做视频编辑，Cinema 4D、Element 3D做三维视频创作，各软件运行时消耗计算机资源较大，使用稳定的工作站运行程序尤为必要。经测试，志强E3双CPU与科卓K4200的卡，配合32G的内存和1TB的固态硬盘，能够满负荷运行以上二维和三维图形软件，字幕软件和音频软件消耗资源很少，可流畅运行。

（6）灯光环境模块

灯光环境模块包括灯光组、绿幕与支架，主讲人和绿幕背景都需要合理的打光照明，演播室内一般为主讲人或主体对象实施三点布光，使用5600K色温的光源，移动灯光组的空间位置、光照强度按照具体情况进行微调，使主讲人面部光照充分、色泽饱满，同时发梢、肩膀等细微之处轮廓边缘立体清晰，灯光组应该将其均匀照射在绿幕上，使光照强度均匀、色相统一，优质的灯光设计能很大程度上降低色键难度，抠图质量会更好，因而悬挂绿幕应避免出现褶皱导致的暗色边缘、幕布过小导致的取景受限。

四、录制与直播

虚拟演播系统实现视频发布和视频直播的过程，如图1所示。

VMIX程序提供了常用的多媒体输入接口，能将摄像机、单反相机、DVD等设备接入程序，又能导入虚拟集、视频、图像、照片、音频、标题等多媒体素材，每一项多媒体的导入都能形成一路视频输入通道。除多媒体外，程序可以接入网页浏览器、视频电话、流媒体等网络数据，捕捉桌面屏幕、播放PPT文件。每个接入的通道形成单独的视频源，通过调整颜色、色键抠像、位置、触发器等重要参数，色键后的视频源能够以合适的比例和位置叠加在最终输出的视频图像上。以拍摄教学视频为例，摄像机拍摄绿幕前的教师，经过采集卡传入VMIX作为主讲教师人像的视频输入源，教师机播放PPT，屏幕信号经过采集卡传入VMIX作为教师机视频输入源，人像视频经过色键加工后，应当特别关注物体占比情况，[5]使人体比例与虚拟三维空间的物体比例相称，最后选择一键叠加至输出画面或一键隐藏。

虚拟演播室技术可以划分为二维虚拟和三维虚拟两个部分。[6]系统预设了一些三维虚拟场景，能够置入二维元素，实现真实与虚拟的结合。但预设的三维场景画面略显粗糙，观感较差，通过修改VMIX程序，能够将图形文件导入三维场景，制作新的虚拟集，形成个性化的背景、前景、舞台，极大丰富了创作空间，新的虚拟集又可以对接各路接入的视频数据源，在个性化的三维空间里自定义视频画面的分布。

系統可以发布MP4和WMV流媒体格式的视频，拍摄和导播的同时视频即刻生成，高效的工作对缓解学校教学视频录像摄制积压严重局面能起到较大作用。系统可以对接到第三方视频直播服务平台，只需开通第三方的账号即可完成推流，有助于开展在线互动教学、直播专家讲座、访谈节目等，有助于建设和传播校园文化。

五、升级改造的方向

集约构建的虚拟演播室系统实属财政不济的无奈之举，在条件许可的情况下，可以考虑选择性地升级改造虚拟演播系统，主要有三个改造方向。

1.采用全三维虚拟演播系统

虚拟背景从二维图像文件改进为三维模型文件，利用定位跟踪技术同步物理摄像机和所有实体的位置，由虚拟引擎实时计算合成效果预览，实现虚拟场景与真实景物在最终视频三维空间的结合效果，在创建的三维场景中可以任意添加三维物件，展示三维模型，在视觉上产生真实的人机互动场景，以此为拓展，将虚拟演播室作为教学实训基地，开展新教学模式的探索。

2.优化抠像技术

由于场地与经费的限制，采用三角支架悬挂绿幕的抠像方法实为权宜之计，绿幕褶皱形成的黑色区域增加了色键技术的难度，而且悬挂绿幕面积不大，摄像机移动或推拉镜头时很容易发生环境物体入镜的情况，相关技术人员必须意识到目前该技术存在的局限性，[7]后期可以将绿幕改进为蓝箱，地面转角处做弧形设计，将摄像机的构图范围扩大到主播人物的全景，满足更多的拍摄需要。[7]

3.强化移动能力和数据负载能力

现有系统无法胜任大型活动、大型节目等现场直播工作，摄像机不能灵活移动，摄像机数据都通过USB3.0接口进入主机，连接数量受限且数据冗余太大，后期可以采用移动录播主机作为多机位摄像机数据的采集工作台，并承担导播切换的功能，每一路摄像机通过图传设备向录播主机传送数据，摄像机或单反相机都可以自由移动拍摄，系统将具备导播切换和移动直播的性能。

参考文献：

[1]唐忠，阳革锋.虚拟演播室技术在高校教学中的应用[J].中国电化教育，2009（7）：116-118.

[2]董武绍，李端强.对高校虚拟演播室建设的探讨[J].电化教育研究，2007（2）：62-64.

[3]武艳.虚拟演播室在新时期电视节目制作中的结合与应用分析[J].中国传媒科技，2017（1）：119-120.

[4]姜楠.虚拟演播室技术在微课视频制作中的运用[J].软件导刊（教育技术），2016，15（2）：92-93.

[5]陈燕.虚拟演播室技术在电视节目制作中的应用探讨[J].视听，2018（12）：255-256.

[6]田冰.融媒体时代移动式虚拟演播室技术在电视节目制作中的应用[J].中国传媒科技，2018（6）：86-87.

[7]戚连秀.虚拟演播室技术在电视节目制作中的应用[J].科技传播，2019，11（13）：81-82.

（编辑：王天鹏）