張　玄，劉清毅，任乃賓

(陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 陜西　西安　710068)

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【遠(yuǎn)程教育】

淺談微課制作中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

張玄，劉清毅，任乃賓

(陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 陜西西安710068)

[摘要]微課程是微型學(xué)習(xí)的一種具體形式，主要以短時(shí)視頻為載體記錄微型化的教學(xué)內(nèi)容，是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新。借助微課程可以有效利用碎片化時(shí)間進(jìn)行隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，有助于形成新的學(xué)習(xí)理念。本文對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“微課”制作中的運(yùn)用進(jìn)行探討，以期使學(xué)生掌握知識動(dòng)態(tài)編輯和知識系列重組的特性，進(jìn)而解決“微課”制作中存在過分簡化知識表征的現(xiàn)象。

[關(guān)鍵詞]“微課”；虛擬現(xiàn)實(shí)；制作技術(shù)

“微課”是運(yùn)用建構(gòu)主義方法以在線學(xué)習(xí)或移動(dòng)學(xué)習(xí)為目的的實(shí)際教學(xué)內(nèi)容。“微課”以視頻為主要載體，記錄教師在教學(xué)過程中圍繞某個(gè)知識點(diǎn)(重點(diǎn)難點(diǎn)疑點(diǎn))或教學(xué)環(huán)節(jié)而開展的精彩教與學(xué)活動(dòng)全過程，并且在有限的時(shí)間內(nèi)追求教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)效果的最大化。在“微課”制作中要避免“微課”存在著過分簡化知識的表征傾向，要充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，制作將視頻、字幕、交互式問答等融為一體的在線師生自由編的動(dòng)態(tài)性、開放性“微課”。因此，將虛擬課堂技術(shù)應(yīng)用于“微課”制作，使學(xué)生掌握知識動(dòng)態(tài)編輯和知識系列重組的特性，是解決“微課”制作存在過分簡化知識表征的有效方法。

一、虛擬課堂技術(shù)

虛擬課堂技術(shù)是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的視頻課程制作技術(shù)，其原理是將攝像機(jī)攝取的真實(shí)影像與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維虛擬背景空間相融合以形成新的視頻圖像。虛擬課堂系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生虛擬背景并將其與前景融合.它通常包括三維虛擬場景制作、攝像機(jī)跟蹤、虛擬背景生成、圖像合成等關(guān)鍵技術(shù)。

1. 虛擬場景的建模。

在虛擬的三維背景圖像生成以前必須先對三維虛擬場景中的各個(gè)物體進(jìn)行建模。制作人員可以通過3DMax、Maya、Soft Image、Alias、Flame等計(jì)算機(jī)三維建模工具對實(shí)體體建模。這些工具大都提供了物體精確的幾何描述，從而可以使所建立的對象不僅在形體上與真實(shí)對象酷似，而且在形態(tài)、光照、質(zhì)感等方面都十分逼真。

2. 攝像機(jī)的跟蹤。

攝像機(jī)的跟蹤主要采用兩種處理方法一是機(jī)械傳感器法，二是圖形識別法。在基于傳感器的系統(tǒng)中，前景攝像機(jī)相關(guān)參數(shù)由攝像機(jī)上裝備的電子機(jī)械傳感器來獲取。 采用圖形識別的系統(tǒng)則過處理攝像機(jī)來的視頻信號從圖像的變化上來確定攝像機(jī)的位置。 此外攝像機(jī)的確切位置和位移也可以通過激光、超聲波、紅外線以及其他信號裝置來測量。

3. 背景的生成。

一個(gè)三維虛擬場景需要大量的計(jì)算工作來處理運(yùn)動(dòng)和再生背景圖象序列。在實(shí)時(shí)播出課程時(shí)既要求色鍵控制器中的跟蹤以及圖像合成都必須實(shí)時(shí)完成還要保證廣播級的圖像質(zhì)量。這就需要像SGI Onxy一類的高級建模工作站才能完成。

4. 圖像的合成。

在合成之前首先要把前景圖像中的人物圖像提取出來才可以使用傳統(tǒng)的摳像技術(shù)分離人物圖像和藍(lán)色背景。由于前景圖像要與最終的三維背景相合成所以必須考慮前景圖像的深度信息。深度是指背景和前景演出人員的各像素到攝像機(jī)的距離所以這里的合成又可以成為深度合成。當(dāng)景的深度值小于背景的深度值則輸出前景圖像，否則輸出背景圖像。

二、虛擬課堂的原理

在虛擬課堂中，教師一般是在呈“U”型或“L”型的藍(lán)箱里講課，實(shí)際的、或“真實(shí)”的前景攝像機(jī)對其進(jìn)行拍攝，背景圖像(畫面裝飾、道具和風(fēng)光布景)大都是三維立體圖，由制作人員預(yù)先用計(jì)算機(jī)生成(即預(yù)先著色好)，前景與背景圖像在傳輸或錄制過程中混合。這種合成圖像的制作方式即被稱為“虛擬”。故此，這種圖像攝錄系統(tǒng)也被稱為“虛擬攝像機(jī)”，與傳統(tǒng)的藍(lán)幕色鍵技術(shù)截然不同的是，虛擬課堂技術(shù)中的真實(shí)攝像機(jī)(前景圖像)與虛擬攝像機(jī)(產(chǎn)生背景圖像)始終保持同步互鎖，為此，必須對真實(shí)攝像機(jī)的以下參數(shù)進(jìn)行確定：

(1)藍(lán)箱的X、Y、Z坐標(biāo)值。

(2)攝像機(jī)的俯仰、搖移以及可旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值。

(3)鏡頭的焦距和聚焦。

然后，真實(shí)攝像機(jī)的所有上述參數(shù)都送入計(jì)算機(jī)分析，系統(tǒng)對與前景圖像相關(guān)的虛擬背景圖像發(fā)出控制指令。最后，錄有表演者和真實(shí)道具的前景圖像與計(jì)算機(jī)生成的背景圖像在色鍵控制器里合成為一幅畫面，傳送至視頻切換臺(tái)輸出。由此可見，虛擬課堂系統(tǒng)可分解為三個(gè)部分：攝像機(jī)跟蹤部分、計(jì)算機(jī)虛擬場景生成部分及視頻合成部分。

1．?dāng)z像機(jī)跟蹤部分。

攝像機(jī)在拍攝過程中有平移X、縱移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、鏡頭變焦Z00M，聚焦FOCUS等變化，這些參數(shù)的改變會(huì)引起所攝圖像視野與視角的改變，為了模擬人物所在的三維環(huán)境，計(jì)算機(jī)必須根據(jù)這些參數(shù)不斷調(diào)整三維視圖。而攝像機(jī)跟蹤部分的作用正是收取攝像機(jī)的位置信息和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的跟蹤真實(shí)攝像機(jī)，以保證前景與計(jì)算機(jī)背景“聯(lián)動(dòng)”。由于這種“聯(lián)動(dòng)”是以高速計(jì)算機(jī)運(yùn)算的結(jié)果，而這種運(yùn)算永遠(yuǎn)是存在著一個(gè)運(yùn)算時(shí)間，所以這種“聯(lián)動(dòng)”是有時(shí)間差的。只是設(shè)計(jì)者保證使這種時(shí)間差在一個(gè)人眼不易察覺的范圍之內(nèi)，因此要求前景攝象機(jī)只能在一個(gè)有限的速率內(nèi)改變位置參數(shù)。 目前虛擬課堂的攝像機(jī)跟蹤系統(tǒng)主要有以下幾種方式。

(1)基于傳感器的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)通過安裝在攝像機(jī)各部分的機(jī)械傳感器來獲取各種信號參數(shù)， 平面X、Y位移傳感器，一般有光電式、機(jī)械式和導(dǎo)軌式等幾種，光電式屬非接觸型，誤碼率低，連續(xù)性好，且攝像機(jī)移動(dòng)不受限制，但必須在攝像機(jī)移動(dòng)通道地面畫上格點(diǎn)，以便識別。機(jī)械式屬接觸型，由一個(gè)與地面相摩擦的圓球帶動(dòng)水平、垂直兩個(gè)方向的光電碼盤，光電碼盤送出X、Y數(shù)據(jù)，此方式攝像機(jī)移動(dòng)也不受限制，但使用時(shí)間長了易產(chǎn)生誤差。導(dǎo)軌式誤碼率低，且必須鋪設(shè)軌道，使攝像機(jī)的移運(yùn)受到一定的限制。 高度位移Z傳感器，一般安裝在升降機(jī)上，隨升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)檢測Z信號。 水平角度和俯仰角度傳感器安裝在攝像機(jī)云臺(tái)上，并分別與云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸連動(dòng)。 聚焦Focus和變焦Z00M傳感器，則附于鏡頭的聚焦齒輪和變焦齒輪處。 該系統(tǒng)速度很快，方法較為簡便直接，是目前虛擬課堂最常用的攝像機(jī)跟蹤方式，但該方式的缺點(diǎn)在于攝像機(jī)參數(shù)精度不高，限制了攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的標(biāo)定很麻煩等等。

(2)基于圖形分析系統(tǒng)。該方式需要把一個(gè)精確的網(wǎng)絡(luò)圖案以兩種不同的藍(lán)色形狀繪制于藍(lán)背景上，通過攝像機(jī)識別這種圖案并與計(jì)算機(jī)跟蹤軟件及硬件，預(yù)先確定的模型進(jìn)行對比，以確定物體與虛擬背景的透視關(guān)系及距離。 該系統(tǒng)精度較高，無需鏡頭校準(zhǔn)，同時(shí)攝像機(jī)可以不同軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但該系統(tǒng)在對藍(lán)色網(wǎng)格圖案制作色鍵過程中的陰影很難處理，很難保持良好的鍵的質(zhì)量，攝像機(jī)拍攝不能垂直于藍(lán)色網(wǎng)格圖案，必須偏離30度角以上，否則不能準(zhǔn)確定位，而且攝像機(jī)必須同時(shí)觀察4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)以保持跟蹤，這就不可能對人物進(jìn)行特寫鏡頭的拍攝，攝像機(jī)必須緩慢移動(dòng)以避免跟蹤混淆引起跳幀。還有一點(diǎn)，此系統(tǒng)需要額外的工作站把網(wǎng)格坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為搖移，俯仰及變焦坐標(biāo)信息供圖形計(jì)算機(jī)使用，這樣圖案辨識的延時(shí)有時(shí)高達(dá)8至12幀。鑒于上述須待解決的若干問題，網(wǎng)格識別方案在目前的虛擬課堂系統(tǒng)中使用的不多。

2．計(jì)算機(jī)虛擬場景生成部分。

虛擬課堂的場景是計(jì)算機(jī)繪制的圖形，計(jì)算機(jī)繪圖有二維和三維之分，因而虛擬場景也有二維和三維之分，二維場景沒有厚度，只是一個(gè)平面圖形，所以二維虛擬場景只能作為背景平面，出現(xiàn)在真實(shí)人物的后面，而三維虛擬場景中的景物具有Z方向的厚度，是立體的，以背景中的一個(gè)長方體為例，長方體是一種六面體，其底面和背面一般是看不見的。然而隨拍攝角度的不同，有可能看見其正面，側(cè)面和頂面。在計(jì)算機(jī)中應(yīng)保存其正面、側(cè)面和頂面的圖像，實(shí)際上，在計(jì)算機(jī)內(nèi)，其正面、側(cè)面和頂面的圖像都分解為像素的形式，保存在存儲(chǔ)器中，當(dāng)攝像機(jī)處于任意的角度位置時(shí)，計(jì)算機(jī)即進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)的畫面。同時(shí)，三維的場景中，虛擬景物既能作為講課教師的前景出現(xiàn)，也能作為背景出現(xiàn)。這樣在視覺效果上更具縱深感，更加真實(shí)。顯然對于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、運(yùn)算速度提出了很高的要求。當(dāng)然還必然進(jìn)一步考慮許多細(xì)節(jié)問題，比如燈光和陰影的問題，當(dāng)攝像機(jī)改變其取向位置時(shí)，根據(jù)照明條件，陰影部分將發(fā)生相應(yīng)的變化，背景畫面應(yīng)該能夠反映出這種變化。

3．視頻合成部分。

虛擬課堂系統(tǒng)視頻合成的基本技術(shù)是色鍵器摳像，攝像機(jī)拍攝的藍(lán)幕布前的真實(shí)景物，通過色鍵器進(jìn)行摳像處理，與計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景合成一個(gè)畫面。

(1)深度合成技術(shù)。虛擬課堂的一個(gè)基礎(chǔ)就是前景和背景合成的時(shí)候，前景的演員可以被背景的內(nèi)容覆蓋，為了做到這一點(diǎn)，一般都采用深度合成技術(shù)。所謂深度就是前后關(guān)系，這一種技術(shù)要考慮兩路鍵信號的深度信息，就可以讓背景的內(nèi)容在演員前面。這不同于二維圖像的層技術(shù)。因?yàn)槭侨S圖像的各像素都帶有深度信息，而且各像素還有與攝像機(jī)的距離的信息，由這兩部分的信息決定前景和背景的像素的可見性。在實(shí)時(shí)生成的時(shí)候，高性能的終端通常使用一個(gè)深度緩沖區(qū)來貯存像素的深度值，但是在常規(guī)演播室里面，實(shí)際信號是沒有深度信息的。而且也沒有一個(gè)方法能夠?qū)崟r(shí)的賦予前景信號以深度信息，可以采用一個(gè)估計(jì)值，即估計(jì)攝像機(jī)與演員之間的距離，前景信號通過色鍵摳像得到演員部分的信號，先與背景作常規(guī)意義上的合成，得到色鍵序列值，這一部分確定了前景在背景中的位置，再由深度值來進(jìn)行前后關(guān)系的調(diào)整，最后輸出的深度鍵值序列就確定了前景和背景的可見性，能夠按常規(guī)方法合成。

(2)同步技術(shù)。要使前景和背景天衣無縫的合成，既要讓兩個(gè)攝像機(jī)的參數(shù)保持一致，還要讓兩個(gè)攝像機(jī)同步，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)合成時(shí)，前景信號的每一幀是與背景信號的對應(yīng)幀合成。背景信號因?yàn)閿z像機(jī)跟蹤系統(tǒng)和實(shí)時(shí)生成都要耗費(fèi)時(shí)間，所以要讓前景信號延時(shí)來保證與背景信號的同步合成。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在微課制作中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門綜合性信息新技術(shù)，目前較為成熟的是虛擬課件技術(shù)系統(tǒng)。虛擬課件系統(tǒng)可在視頻課程的直播期間，將與課程有關(guān)的虛擬課件插入到課堂中，或用虛擬課件替換掉課堂上原有的板書內(nèi)容，合成后可達(dá)到以假亂真的效果。同時(shí)，課堂上的可以運(yùn)用二維或三維的動(dòng)態(tài)形式吸引學(xué)習(xí)者的注意力。在這樣的技術(shù)系統(tǒng)中，板書和課件的位置、尺寸不再有任何限制，設(shè)置的空間亦可以隨心所欲。

1.制作三維網(wǎng)絡(luò)課件。

在教學(xué)中，基于HTML的網(wǎng)絡(luò)課件在不斷地發(fā)展完善，但卻始終不能擺脫二維平面的約束。在課件中加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能掙脫這一枷鎖。將虛擬現(xiàn)實(shí)和文字、聲音、圖片、視頻等各種媒體有機(jī)結(jié)合，可以彌補(bǔ)二維平面課件的不足。VRML可以設(shè)計(jì)各種三維的模型、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，讓學(xué)生多角度地觀察和學(xué)習(xí)，更好地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。如學(xué)習(xí)物理知識時(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，向?qū)W生展示原子核裂變、半導(dǎo)體導(dǎo)電等復(fù)雜的物理現(xiàn)象，供學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。

2.開設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程

虛擬實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)教育中有著巨大的優(yōu)勢，它可以彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教學(xué)條件的不足。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如物理、化學(xué)、地理、生物等實(shí)驗(yàn)室，在“實(shí)驗(yàn)室”里，學(xué)生可以自由地做各種實(shí)驗(yàn)，獲得真實(shí)的體驗(yàn)。學(xué)生還可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)的各種理論知識，提出各種假設(shè)模型進(jìn)行虛擬，并通過虛擬系統(tǒng)觀察這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如，在虛擬的化學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可以按照自己的假設(shè)設(shè)計(jì)某一化學(xué)反應(yīng)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)，可以看到相應(yīng)的反應(yīng)現(xiàn)象。通過這種探索式的學(xué)習(xí)方式，可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.建構(gòu)虛擬教室。

目前，在網(wǎng)絡(luò)教育中，學(xué)生大部分是通過網(wǎng)絡(luò)課程來學(xué)習(xí)的。學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生能在網(wǎng)頁上看到課程的相關(guān)文字材料和圖片視頻。但是不管是文本還是視頻，師生之間都缺乏一種靈活的交互。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建虛擬教室，能使這個(gè)問題得到一定程度的解決。虛擬教室是指運(yùn)用分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造的一個(gè)虛擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，分布在不同地方的學(xué)生，可以通過網(wǎng)絡(luò)參與到虛擬課堂中。虛擬教室模擬了真實(shí)多媒體教室的整個(gè)場景，是師生共同活動(dòng)的一個(gè)空間，在這里，可以完成教學(xué)、答疑等各種教學(xué)活動(dòng)。借助網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，視音頻采集、處理技術(shù)以及交互代理等技術(shù)，參與到課堂的各個(gè)對象可以看到彼此，學(xué)生可以看到老師的板書，聽到他的講解。教師也能看到學(xué)生的表情和動(dòng)作，可以聽到學(xué)生的提問，并隨時(shí)解答。這種教學(xué)方式，可以增強(qiáng)師生之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。

[責(zé)任編輯張宇龍]

Introduction to the Virtual Reslity During the Production of Micro Courses

Zhang Xuan，Liu Qingyi，Ren Naibin

(Shaanxi Radio and TV University，xi'an 710068))

Abstract：Micro course is a specific form of the micro study，which is mainly on the carrier of short-term video to record the miniaturized teaching content,It is the innovation of traditional teaching mode. With the help of micro course it can be effective to use fragmented time for learning anytime and anywhere，and helps to form the new learning idea. In this paper， the virtual reality technology in class "micro Micro course " production were discussed， and the paper provides students with the knowledge of dynamic editing and the features of knowledge series of restructuring， then solves the problem of simplification of knowledge representation during the production of micro Course.

Key words：Micro course；Virtual reality；Manufacturing technology

[中圖分類號]G434

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1008-4649(2016)01-0030-04

[作者簡介]1.張玄(1976—)，河南省西平縣人，文學(xué)碩士，陜西廣播電視大學(xué)資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心副教授。 2.劉清毅(1977—)，陜西省銅川市耀縣人， 陜西廣播電視大學(xué)資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心工程師。 3.任乃賓(1956—)，山西省永濟(jì)市人，陜西廣播電視大學(xué)資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心主任，高級講師。

[收稿日期]2015-08-31