李強(qiáng) 賀超波 吳東醒 賀佃奎 付志文

摘? ?要：地方高校建設(shè)虛擬演播室要面對財(cái)力不足的困難，文章在分析虛擬演播室基本建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，探討集約構(gòu)建的路徑，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、工作原理方面闡述經(jīng)濟(jì)實(shí)用且能滿足大量實(shí)際需要的虛擬演播室建設(shè)方案，意在總結(jié)資源建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，以期未來更好地建設(shè)虛擬演播室并為同類地方高校獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

關(guān)鍵詞：地方高校;虛擬演播室;集約構(gòu)建;路徑;框架

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）15-0039-04

一、地方高校的困境

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與媒體融合發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)節(jié)目的傳播和制作方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的需求，融媒體觀念促使傳統(tǒng)演播室悄然改變，虛擬演播室成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。虛擬演播室在高校教學(xué)資源制作、遠(yuǎn)程教育電視節(jié)目制作、高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)等領(lǐng)域得到較多應(yīng)用;[1]采用攝像機(jī)跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)與色鍵藍(lán)箱技術(shù)，將攝像機(jī)拍攝的畫面與電腦三維場景合成，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，節(jié)省了傳統(tǒng)基于搭設(shè)真實(shí)布景的設(shè)計(jì)、材料、施工、場地等方面的昂貴費(fèi)用。[2]

建設(shè)成熟的虛擬演播室需要充足的經(jīng)費(fèi)作為保障，用于演播室裝修、環(huán)境設(shè)計(jì)、購置機(jī)器設(shè)備和應(yīng)用軟件。與部委直屬高校、“985”、“211”等重點(diǎn)高校相比，地方普通高校在師資力量、經(jīng)費(fèi)投入、科研條件、教學(xué)條件等方面差距較大，幾乎沒有機(jī)會(huì)參與國家各項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)工程。各級(jí)政府近些年的政策更加傾向于扶持直屬高校、重點(diǎn)高校，擴(kuò)大了地方普通高校與部委直屬高校的差距，強(qiáng)者恒強(qiáng)的態(tài)勢短期內(nèi)不會(huì)改變。個(gè)別地方高校經(jīng)費(fèi)投入不足，師生比低，生均建筑面積長期不足7平方米，嚴(yán)重低于教育部編制的標(biāo)準(zhǔn)《普通高等學(xué)校建筑面積指標(biāo)》，行政和教輔爭搶極為有限的生存空間，學(xué)校組織建設(shè)虛擬演播室，面臨著經(jīng)費(fèi)與場地的雙重困難。

二、虛擬演播室的建設(shè)目標(biāo)

1.教學(xué)視頻資源攝制

在信息化教學(xué)的背景下，各高校紛紛開展了視頻公開課、精品資源共享課、慕課、微課等課程建設(shè)項(xiàng)目，鑒于地方高校教輔資源不足的情況，制作教學(xué)視頻有兩個(gè)辦法：一是排隊(duì)等待錄播教室，時(shí)間被動(dòng)且質(zhì)量不佳;二是與信息服務(wù)公司合作，質(zhì)量有保障但經(jīng)費(fèi)消耗太大，很難批量開發(fā)視頻資源。因此，集約構(gòu)建虛擬演播室應(yīng)采用實(shí)時(shí)錄制、即時(shí)出片的作業(yè)方法，緩解課程錄制嚴(yán)重積壓的局面。

2.豐富視頻錄制形式

實(shí)景拍攝的視頻看起來高端上檔次，如果所有的節(jié)目都單獨(dú)設(shè)立演播室，那么就顯得極為浪費(fèi)。[3]巨大的經(jīng)費(fèi)投入把許多地方高校擋在門檻之外，僅僅用簡陋的實(shí)景勉強(qiáng)應(yīng)對，導(dǎo)致常規(guī)錄播室的視頻背景千篇一律，缺少個(gè)性化設(shè)計(jì)，使學(xué)生容易厭倦。虛擬演播室系統(tǒng)在視頻錄制應(yīng)用上，應(yīng)能使虛擬場景生動(dòng)地反映教學(xué)內(nèi)容，并且形成有效的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，使微課、慕課、視頻公開課能在PPT、計(jì)算機(jī)程序、虛擬背景、視頻摳像之間自由切換或任意組合，產(chǎn)生豐富多樣的形式，提高現(xiàn)有資源開發(fā)效率和制作水平。

3.校園文化建設(shè)

專家講座、多人訪談等類型節(jié)目是校園文化活動(dòng)的重要組成部分，有需求但攝制條件不足。虛擬演播室應(yīng)該經(jīng)過聲學(xué)、光學(xué)的布局和設(shè)計(jì)，集約建設(shè)拍攝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的節(jié)目同步錄制功能，并針對節(jié)目內(nèi)容開發(fā)虛擬三維場景、美化視頻背景，使三維場景和背景與節(jié)目內(nèi)容發(fā)生實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。

4.虛擬演播室直播

重要的專家講座、線上教學(xué)、談話節(jié)目等，現(xiàn)場直播環(huán)節(jié)必不可少，借助手機(jī)或移動(dòng)終端設(shè)備，校園的任何角落都應(yīng)能夠觀看。虛擬演播室系統(tǒng)應(yīng)能對接網(wǎng)絡(luò)視頻直播服務(wù)，沒有組建流媒體服務(wù)器的地方高校，建設(shè)虛擬演播系統(tǒng)應(yīng)能對接到第三方直播服務(wù)平臺(tái)，能直播系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出的畫面。

5.視頻后期編輯與制作

通過非線性編輯系統(tǒng)，能對虛擬演播室現(xiàn)場合成的視頻做后期處理，必要時(shí)剪切掉拍攝中的NG部分、添加片頭、添加字幕，特殊情況應(yīng)能創(chuàng)作特效、繪制圖形圖片。經(jīng)過后期處理獲得可供發(fā)布的視頻資源，存儲(chǔ)至媒體資源管理系統(tǒng)，改變教學(xué)視頻資源檢索和利用率低的現(xiàn)狀。

三、系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

1.建設(shè)路徑

由于財(cái)政等因素的制約，一些地方普通高校的實(shí)驗(yàn)儀器和教學(xué)設(shè)備都比較短缺，開展直接的教學(xué)活動(dòng)都受到限制，建設(shè)虛擬演播室也會(huì)成為不痛不癢的工作，何時(shí)開展難以預(yù)期，一味等待立項(xiàng)審批將阻滯相關(guān)工作的有序開展。結(jié)合現(xiàn)有條件，借助新興技術(shù)，由軟件代替硬件，以解決學(xué)校各項(xiàng)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，避免大而全的投入和無端浪費(fèi)，是集約型虛擬演播室的建設(shè)路徑。

通過測試與應(yīng)用，我們構(gòu)建了以VMIX為核心應(yīng)用程序的虛擬演播系統(tǒng)，與非線性編輯工作站、攝像機(jī)、燈光、綠幕、便攜式計(jì)算機(jī)、提詞器等演播室通用設(shè)備對接，組建了二維半虛擬演播室系統(tǒng)。

2.工作原理

系統(tǒng)融合了色鍵技術(shù)與虛擬三維技術(shù)，導(dǎo)播主機(jī)通過綠幕視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行色鍵處理，摳像生成畫面主體，畫面背景是三維圖像，由C4D、E3D等三維制作軟件或插件設(shè)計(jì)制作成三維模型，貼圖和渲染后，由PS等圖形圖像軟件輸出高質(zhì)量的二維圖片文件，導(dǎo)入錄播主機(jī)后修改VMIX應(yīng)用程序，創(chuàng)建個(gè)性化的虛擬集，與摳像視頻一起布局在程序界面中，產(chǎn)生真實(shí)的三維空間觀感。

VMIX應(yīng)用程序有實(shí)時(shí)色鍵的功能，拍攝與錄制的同時(shí)進(jìn)行摳像。在程序內(nèi)這一功能位于輸入信號(hào)源設(shè)置面板內(nèi)的彩色鑰匙選項(xiàng)，初始界面提供了紅綠藍(lán)三色通道可供色鍵摳像，實(shí)際應(yīng)用中一般都采用顏色拾取器對藍(lán)箱或者綠幕進(jìn)行顏色選樣，色度鍵與色度鍵過濾器結(jié)合使用，設(shè)計(jì)合適的參數(shù)組合，或者設(shè)置自定義的色度鍵預(yù)設(shè)，完成畫面的色鍵，移除攝像機(jī)捕捉圖像上的綠色或藍(lán)色色塊，并保留人物主體圖像。程序內(nèi)的色鍵容差范圍較大，即使沒有經(jīng)過專業(yè)的燈光設(shè)計(jì)和環(huán)境布置，僅用簡易便攜的普通綠色幕布，在普通的燈光下，顏色色相、明度、亮度不太理想，也能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的摳像。

系統(tǒng)僅通過一部物理攝像機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)最終畫面的景別轉(zhuǎn)換，程序在虛擬三維場景中設(shè)定了多個(gè)預(yù)置位，作為虛擬攝像機(jī)的獨(dú)立預(yù)置點(diǎn)，虛擬攝像機(jī)在各獨(dú)立預(yù)置點(diǎn)能產(chǎn)生不同的拍攝景別，實(shí)現(xiàn)被拍攝人物或主體在遠(yuǎn)景、全景、近景、特寫之間的切換。景別之間不是斷開跳躍切換的，而是通過計(jì)算機(jī)程序模擬真實(shí)場景連續(xù)發(fā)生的，最終的畫面鏡頭具有推拉搖移的視覺觀感，景別切換的所有過程中，物理攝像機(jī)無需任何操作，被攝人物、主體能與虛擬三維場景定位在各自的三維坐標(biāo)上，最終合成的視頻畫面取決于虛擬攝像機(jī)鏡頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）播放主機(jī)模塊

播放主機(jī)模塊由硬件與軟件配套組合而成，包含主播使用的便攜式計(jì)算機(jī)、高清數(shù)據(jù)連接、屏幕擴(kuò)展軟件、圖像鏡像軟件。計(jì)算機(jī)運(yùn)行教學(xué)PPT或軟件程序，將提詞器平板電腦作為擴(kuò)展屏幕，在相機(jī)鏡頭前的提詞器中顯示教師機(jī)桌面圖像。安卓系統(tǒng)的平板電腦能夠做到無線連接，在計(jì)算機(jī)上安裝Spacedesk主機(jī)程序、平板上安裝Spacedesk程序，電腦都連接同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)即可;蘋果系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)線連接筆記本和平板電腦，在計(jì)算機(jī)上安裝XDISPLAY屏幕擴(kuò)展程序，平板電腦安裝客戶端APP，最后用Ultramon等屏幕控制程序?qū)⑵桨迤聊蛔笥溢R像翻轉(zhuǎn)，由提詞器反射玻璃映射形成提詞屏幕。與此同時(shí)計(jì)算機(jī)將屏幕信號(hào)通過高清數(shù)據(jù)連線接入視頻采集卡，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，經(jīng)過USB3.0接口傳入導(dǎo)播主機(jī)工作站，使計(jì)算機(jī)屏幕作為一路視頻信號(hào)接入VMIX應(yīng)用程序。

（2）導(dǎo)播主機(jī)模塊

導(dǎo)播主機(jī)模塊是數(shù)據(jù)匯聚與輸出的關(guān)鍵，由移動(dòng)圖形工作站與核心應(yīng)用軟件VMIX組合而成。導(dǎo)播主機(jī)在VMIX的操作界面設(shè)置接收兩路播放主機(jī)的錄屏數(shù)據(jù)和相機(jī)數(shù)據(jù)，分別是TC-UB60pro Video，對應(yīng)音頻設(shè)備TC-UB60pro Digital Audio;USB3.0 Capture Video，對應(yīng)音頻設(shè)備USB3.0 Capture Digital Audio，同時(shí)必須開啟兩路輸入通道的音頻開關(guān)Audio，看不到攝像機(jī)或教師機(jī)的聲波脈沖，需要開啟調(diào)音臺(tái)面板進(jìn)行設(shè)置。程序的聲音必須與操作系統(tǒng)的聲音隔離分開，在聲音合成器中需要將VMIX調(diào)至靜音，切斷操作系統(tǒng)與VMIX程序形成循環(huán)往復(fù)的聲波回路。

（3）提詞器模塊

提詞器為教師或主播提供必要的提示，極大提高了教學(xué)視頻和節(jié)目制作的效率。提詞器系統(tǒng)由提詞器支架、藍(lán)牙遙控、平板電腦、提詞軟件組成。平板電腦通過提詞軟件將屏幕內(nèi)容反射到相機(jī)鏡頭前一塊呈45度角的專用鍍膜玻璃上，臺(tái)詞被反射在鏡頭前，由藍(lán)牙遙控器操縱提示內(nèi)容的顯示布局和速度，提示內(nèi)容、攝像機(jī)與主講人雙眼視線處在一個(gè)水平軸線上，避免了主講人視線出鏡，增加了親切感和逼真效果。提詞器設(shè)備固有的提詞軟件僅提供文本編輯，對校園文化建設(shè)、節(jié)目制作有較大作用，而教學(xué)視頻拍攝過程中大都使用PPT等計(jì)算機(jī)程序，極不方便轉(zhuǎn)換為文本，需要將平板電腦作為播放主機(jī)的擴(kuò)展屏幕，形成提詞屏幕，如有特殊需求，兩個(gè)屏幕能分別顯示演講者視圖和放映視圖。

（4）攝像機(jī)系統(tǒng)模塊

攝像機(jī)模塊包括攝像機(jī)或單反相機(jī)、視頻采集卡（與高清數(shù)據(jù)連接）、無線話筒。攝像機(jī)或單反相機(jī)直接安裝在提詞器支架設(shè)備上，一并由三腳架支撐。無線話筒拾取主播的語音聲道，相機(jī)內(nèi)置的話筒會(huì)拾取相機(jī)四周的所有聲音，如遇到環(huán)境噪音、雜音等異常情況，調(diào)整相機(jī)使用無線話筒錄取的單路聲道能夠應(yīng)對。相機(jī)通過高清數(shù)據(jù)接口HDMI連接視頻采集卡，視頻與音頻數(shù)據(jù)被一起轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過USB3.0接口傳入導(dǎo)播主機(jī)。

（5）非線性編輯系統(tǒng)

非線性編輯系統(tǒng)包括高性能圖形圖像工作站以及一系列圖像、視頻、音頻軟件。視頻制作過程需要后期人員的鼎力配合，才能達(dá)到整體大于部分之和的效果。[4]一部分視頻需要制作片頭、添加字幕、后期配音、加入圖片或者動(dòng)畫元素，系統(tǒng)以Premiere2019做視頻編輯，Cinema 4D、Element 3D做三維視頻創(chuàng)作，各軟件運(yùn)行時(shí)消耗計(jì)算機(jī)資源較大，使用穩(wěn)定的工作站運(yùn)行程序尤為必要。經(jīng)測試，志強(qiáng)E3雙CPU與科卓K4200的卡，配合32G的內(nèi)存和1TB的固態(tài)硬盤，能夠滿負(fù)荷運(yùn)行以上二維和三維圖形軟件，字幕軟件和音頻軟件消耗資源很少，可流暢運(yùn)行。

（6）燈光環(huán)境模塊

燈光環(huán)境模塊包括燈光組、綠幕與支架，主講人和綠幕背景都需要合理的打光照明，演播室內(nèi)一般為主講人或主體對象實(shí)施三點(diǎn)布光，使用5600K色溫的光源，移動(dòng)燈光組的空間位置、光照強(qiáng)度按照具體情況進(jìn)行微調(diào)，使主講人面部光照充分、色澤飽滿，同時(shí)發(fā)梢、肩膀等細(xì)微之處輪廓邊緣立體清晰，燈光組應(yīng)該將其均勻照射在綠幕上，使光照強(qiáng)度均勻、色相統(tǒng)一，優(yōu)質(zhì)的燈光設(shè)計(jì)能很大程度上降低色鍵難度，摳圖質(zhì)量會(huì)更好，因而懸掛綠幕應(yīng)避免出現(xiàn)褶皺導(dǎo)致的暗色邊緣、幕布過小導(dǎo)致的取景受限。

四、錄制與直播

虛擬演播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻發(fā)布和視頻直播的過程，如圖1所示。

VMIX程序提供了常用的多媒體輸入接口，能將攝像機(jī)、單反相機(jī)、DVD等設(shè)備接入程序，又能導(dǎo)入虛擬集、視頻、圖像、照片、音頻、標(biāo)題等多媒體素材，每一項(xiàng)多媒體的導(dǎo)入都能形成一路視頻輸入通道。除多媒體外，程序可以接入網(wǎng)頁瀏覽器、視頻電話、流媒體等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，捕捉桌面屏幕、播放PPT文件。每個(gè)接入的通道形成單獨(dú)的視頻源，通過調(diào)整顏色、色鍵摳像、位置、觸發(fā)器等重要參數(shù)，色鍵后的視頻源能夠以合適的比例和位置疊加在最終輸出的視頻圖像上。以拍攝教學(xué)視頻為例，攝像機(jī)拍攝綠幕前的教師，經(jīng)過采集卡傳入VMIX作為主講教師人像的視頻輸入源，教師機(jī)播放PPT，屏幕信號(hào)經(jīng)過采集卡傳入VMIX作為教師機(jī)視頻輸入源，人像視頻經(jīng)過色鍵加工后，應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注物體占比情況，[5]使人體比例與虛擬三維空間的物體比例相稱，最后選擇一鍵疊加至輸出畫面或一鍵隱藏。

虛擬演播室技術(shù)可以劃分為二維虛擬和三維虛擬兩個(gè)部分。[6]系統(tǒng)預(yù)設(shè)了一些三維虛擬場景，能夠置入二維元素，實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬的結(jié)合。但預(yù)設(shè)的三維場景畫面略顯粗糙，觀感較差，通過修改VMIX程序，能夠?qū)D形文件導(dǎo)入三維場景，制作新的虛擬集，形成個(gè)性化的背景、前景、舞臺(tái)，極大豐富了創(chuàng)作空間，新的虛擬集又可以對接各路接入的視頻數(shù)據(jù)源，在個(gè)性化的三維空間里自定義視頻畫面的分布。

系統(tǒng)可以發(fā)布MP4和WMV流媒體格式的視頻，拍攝和導(dǎo)播的同時(shí)視頻即刻生成，高效的工作對緩解學(xué)校教學(xué)視頻錄像攝制積壓嚴(yán)重局面能起到較大作用。系統(tǒng)可以對接到第三方視頻直播服務(wù)平臺(tái)，只需開通第三方的賬號(hào)即可完成推流，有助于開展在線互動(dòng)教學(xué)、直播專家講座、訪談節(jié)目等，有助于建設(shè)和傳播校園文化。

五、升級(jí)改造的方向

集約構(gòu)建的虛擬演播室系統(tǒng)實(shí)屬財(cái)政不濟(jì)的無奈之舉，在條件許可的情況下，可以考慮選擇性地升級(jí)改造虛擬演播系統(tǒng)，主要有三個(gè)改造方向。

1.采用全三維虛擬演播系統(tǒng)

虛擬背景從二維圖像文件改進(jìn)為三維模型文件，利用定位跟蹤技術(shù)同步物理攝像機(jī)和所有實(shí)體的位置，由虛擬引擎實(shí)時(shí)計(jì)算合成效果預(yù)覽，實(shí)現(xiàn)虛擬場景與真實(shí)景物在最終視頻三維空間的結(jié)合效果，在創(chuàng)建的三維場景中可以任意添加三維物件，展示三維模型，在視覺上產(chǎn)生真實(shí)的人機(jī)互動(dòng)場景，以此為拓展，將虛擬演播室作為教學(xué)實(shí)訓(xùn)基地，開展新教學(xué)模式的探索。

2.優(yōu)化摳像技術(shù)

由于場地與經(jīng)費(fèi)的限制，采用三角支架懸掛綠幕的摳像方法實(shí)為權(quán)宜之計(jì)，綠幕褶皺形成的黑色區(qū)域增加了色鍵技術(shù)的難度，而且懸掛綠幕面積不大，攝像機(jī)移動(dòng)或推拉鏡頭時(shí)很容易發(fā)生環(huán)境物體入鏡的情況，相關(guān)技術(shù)人員必須意識(shí)到目前該技術(shù)存在的局限性，[7]后期可以將綠幕改進(jìn)為藍(lán)箱，地面轉(zhuǎn)角處做弧形設(shè)計(jì)，將攝像機(jī)的構(gòu)圖范圍擴(kuò)大到主播人物的全景，滿足更多的拍攝需要。[7]

3.強(qiáng)化移動(dòng)能力和數(shù)據(jù)負(fù)載能力

現(xiàn)有系統(tǒng)無法勝任大型活動(dòng)、大型節(jié)目等現(xiàn)場直播工作，攝像機(jī)不能靈活移動(dòng)，攝像機(jī)數(shù)據(jù)都通過USB3.0接口進(jìn)入主機(jī)，連接數(shù)量受限且數(shù)據(jù)冗余太大，后期可以采用移動(dòng)錄播主機(jī)作為多機(jī)位攝像機(jī)數(shù)據(jù)的采集工作臺(tái)，并承擔(dān)導(dǎo)播切換的功能，每一路攝像機(jī)通過圖傳設(shè)備向錄播主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，攝像機(jī)或單反相機(jī)都可以自由移動(dòng)拍攝，系統(tǒng)將具備導(dǎo)播切換和移動(dòng)直播的性能。

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（編輯：王天鵬）