文献综述：精品课虚拟场景的设计与制作

河北科技师范学院本科毕业设计文献综述精品课虚拟场景的设计与制作 院（系、部）名 称 ： 教育学院 专 业 名 称： 教育技术学 学 生 姓 名： 张怡 学 生 学 号： 1951150311 指 导 教 师： 郝晓芳 2016年12月23日河北科技师范学院教务处制 摘 要摘 要虚拟演播室技术是近年来发展起来的一种新兴的制作技术，是传统演播室色键抠像技术与计算机虚拟现实相结合的产物，是一种将真实摄像机所拍摄的画面与计算机图形工作站生成的三维虚拟场景实时地进行合成的新型的电视节目前期制作系统。其灵活自由的视频制作方式和高性价比的特点在广电领域得到了广泛的应用。而且随着计算机网络技术的发展，许多新的教学手段和技术应用到实际教学中去，提高了教学效果。虚拟演播室系统作为一个高性能、多功能的稳定的系统，也逐渐在高校教学领域得到了应用，为实践教学带来了新的教学手段。但是鉴于其在高校的运用还处于逐渐发展阶段，相关技术还不够成熟，且应用范围的发掘还不够深入等方面的问题。本文立足于国内外有关三维虚拟演播室的研究和经验之上，在阅读大量文献资料后，对虚拟演播室技术在高校教学工作中的优势以及存在的一些问题进行分析后，提出了几点参考性的建议，这也正是此论文致力阐明的问题所在。关键词：虚拟演播室技术；高校；应用II河北科技师范学院2017届本科毕业设计AbstractVirtual Studio Technology is a new production technology developed in recent years, is the traditional studio color key technology and computer virtual reality combination of the product, is a real camera to shoot pictures and computer graphics workstation generated three-dimensional virtual scene real-time synthesis of a new production system of the prophase of television. Its flexible and free video production mode and high cost-effective characteristics in the field of radio and television has been widely used. And with the development of computer network technology, many new teaching methods and techniques have been applied to practical teaching, which improves the teaching effect. As a stable system of high performance and multi-function, virtual studio system has been applied in the teaching field of colleges and universities, and has brought new teaching methods for practical teaching. However, in view of its application in colleges and universities is still in the gradual development stage, the relevant technology is not mature enough, and the application of the excavation is not enough in-depth issues. Based on the research and experience of real three-dimensional virtual studios at home and abroad, after reading a lot of literature, the author puts forward some suggestions on the advantages of the virtual studio technology in the teaching work of colleges and universities and analyzes some problems, which is precisely the problems, which is precisely the problem that this paper is devoted to clarifying.Keywords:Virtual studio technology; College; Application一、绪论近几年来,虚拟演播室技术在视频领域得到迅速推广,并成为业内一个迅速升温的技术热点。它是传统演播室色键技术、计算机图形技术、虚拟现实技术等多领域多学科的集成与发展而产生的全新影视制作手段，其有效利用演播室资源、降低布景搭建成本、表现形式丰富多彩、使制作者拥有更大的想象空间和创作空间等优点是传统演播室所无法企及的。当今世界已进入信息时代，各高校都在大力发展自己的信息技术、信息通讯设施和信息产业，虚拟演播室为教育、教学、科研提供了新的途径。介绍虚拟演播室系统的关键技术，提出适应高校需求、面向师生、服务于师生的高校虚拟演播室系统的设计方案，并对虚拟演播室系统在高校中的应用进行探讨。二、概念界定虚拟演播室系统利用计算机技术可以实时地制作实际不存在的或用传统手段难以实现的三维场景，并可将摄像机拍摄的图像与制作的虚拟场景合成，使视频图像与虚拟背景同步变化，实现前景与背景的完美结合。虚拟演播室技术是在传统色键跟踪技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据前景摄像机的变焦、聚焦以及摇、移等参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使前景中的人物和道具看起来完全沉浸于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。（一）摄像机跟踪技术精确的摄像机跟踪可以把完美的3D图形与前景真实地结合在一起，并把高质量的3D图形转变成视频输出。摄像机的运动状态有摇移、俯仰、变焦、调焦、光圈、沿光轴旋转外，其他6个参数在理论上讲都是可以跟踪，并可保持足够高的精度。目前常见的跟踪方式主要有机械传感、图形识别、红外线跟踪3种。机械跟踪就是在摄像机云台上安装的高精度传感器和机械齿轮，与镜头上变焦环和聚焦环上的齿轮紧密咬合。基于机械传感器跟踪方式是首先应用于虚拟演播室系统的一种跟踪方式，并且至今还在广泛应用。这种跟踪方式原理很简单，但机械跟踪摄像机不能移动，不能根据演员坐、站来升高或者降低摄像机，而且需要复杂的镜头校准，不能与实景演播室共用一个演播室，摄像机等设备不能共享。基于图形识别技术的虚拟演播室，是在演播室的蓝幕上画上两种蓝色深浅不同、线条粗细不等、线间空格不均匀的网络图案。真实摄像机在摄取前景图像的同时，也摄取了网格图案的影像，将这一图像数字化后送入同步跟踪的图形处理计算机，利用图像分析法，参照摄像机起始参数，根据网格图案的变化，计算出摄像机左右摇移、上下俯仰及视角的变化，用这些参数的变化量去控制图形计算机生成虚拟背景的变化，使虚拟摄像机看到场景中物体位置的变化及透视关系与真实摄像机看到的一致。红外线跟踪技术是目前虚拟演播室系统中完成摄像机移动拍摄任务的最佳解决方案。在演播室固定位置安装了红外摄像头以及在摄像机机身安装红外发射器后，红外摄像头获取的发射器信号通过视频传送到深度键系统控制PC，这些信息与演播室摄像机获取的网格信息一起经过控制PC计算实时得到摄像机位置参数X、Y、Z。所有数据都不需要任何人工操作，完全自动获取任何一种跟踪技术都不是十全十美的，目前有些虚拟演播室系统采用多种跟踪技术结合使用的方式，红外线跟踪与机械传感相结合、图形识别与红外线跟踪相结合、机械传感与图像分析识别方式相结合等多种摄像机跟踪技术，可以根据实际需要选择不同价位的跟踪系统。（二）实时显示处理技术“实时”与三维复杂几何模型的建立以及计算机系统有关。为保证三维图形的快速生成，至少要求图形刷新频率在广播电视中为50场/秒。这取决于画面照明度、阴影、纹理和图形复杂度。实时显示要求图形显示速度必须跟上视点的改变速度，消除迟滞现象。目前采用的主要办法有选择合适的成像方法；降低场景的复杂度；采用预处理技术。（三）虚拟演播室软件和真三维场景虚拟演播室软件包括建模软件、合成软件、图文包装等。通常厂家的虚拟演播室系统都兼容3DS MAX、MAYA、Softimage等三维建模软件制作场景，也有部分高端的虚拟演播室系统采用独有的软件进行制作。虚拟场景有二维和三维之分，二维场景只能作为背景图像使用，三维场景中虚拟景物可作为背景使用，也可作为前景或拍摄主体的活动空间，具有纵深感和真实感。三维场景建立在矢量模型实时生成的基础上，因此无论场景放大到什么程度，都可以保证三维场景清晰显示。背景根据摄像机无限制的移动进行相应的渲染，同时也可以将完整的背景在后期根据摄像机运动信息逐帧进行渲染并根据时间码与前景合成。三、国内外虚拟演播室的研究现状虚拟演播室系统依托于色键技术、数字摄像机技术以及计算机图形技术的发展，发展历史较为短暂。国外由于对其相关研究起步较早，现已小有成绩，在各种电视节目及电影的制作方面均有较为广泛的应用。而国内的研发尚处于初步阶段，自上世纪90年代后期，国内电视工作者才对虚拟演播室有所了解并运用到节目制作中。1978年，Eugene L.在其某篇论文中提出了“电子布景”（ESS, Electro Studio Setting）的设想，提出未来节目的制作，将逐渐趋向于电子化，即演播室只存在演员和摄像机，布景和道具将全部由电子系统产生，从而更大程度的简化演播室。1988年，日本NHK在报道汉城奥运新闻的演播室中运用了自己开发的名为“Sythe Vision”的二维计算机图形实时合成系统。1993年，英国BBC利用与Radamec合作开发的Virtual Soenario虚拟演播室系统制作电视新闻背景，以三维模型形式报道国会与地方选举。1994年，在荷兰的IBC国际广播展览上，德国IMP和VAP公司展出了虚拟布景系统（Virtual Set），此系统是世界上第一个二维虚拟演播室系统。1995年，Orad公司开发了Cyberset可移动摄像机图形识别系统，推出了世界上第一套真三维虚拟演播室，RT-SET公司也推出了基于传感器跟踪技术的真三维虚拟演播室。IMP和VAF以及西班牙等三家公司也展示了令人兴奋的虚拟演播室系统。1996年，Accom公司在ELSET基础上增加了背景生成模块、背景跟踪和可编程应用程序接口功能，推出了2路视频叠画、12台摄像机动态切换的ELSET Live系统。1997年，在国际广播工作者联合会NAB展览会上，美国Evans & Suthreland公司推出了首套基于Windows NT和实时图形工作站的系统Mindset虚拟演播室。1999年,北大方正数字媒体分公司推出了镜头切换的“方正虚拟布景系统”。同年，深圳华强智能技术有限公司、深圳奥维迅科技有限公司、国内的大洋公司和索贝公司也相继推出了虚拟演播室。虚拟演播室从1994年在国际广播电视会议上第一次展示以来，便在世界各地得到迅速发展和推广,目前全世界已经有10多个虚拟演播室品牌推向市场。比较具有代表性的产品有，印度MONARCH无轨虚拟演播室系统、韩国达瑞VS2000虚拟演播室系统、以色列的ORAD（傲威）公司的Cyberset虚拟演播室系统以及RT-Set公司的Larus虚拟演播室系统、ACCOM公司开发的Elset系统、DISCREET LOGIC公司开发的Vapour系统等。在国内，具有代表性的产品有，深圳市迪乐普数码科技有限公司的Top3D Set三维虚拟演播室、新奥特的NASET虚拟演播室系统、北京中广上洋科技股份有限公司的Vision Magic虚拟演播室系统、奥维迅的USet星空3D全景虚拟演播室系统。四、高校虚拟演播室系统功能需求及应用（一）功能需求针对高校实际需求，结合目前广播电视技术发展的情况，需要设计经济实用、安全先进、更加切实贴近高校需求的虚拟演播室系统，从而能够保证系统安全、稳定、高效地运行。总体要求如下：充分考虑系统的稳定性，在高速渲染下，系统能依旧稳定运行；支持真三维的场景；确保图像处理的高指标输入输出；采用顶级的数字色键；系统的渲染能力可以达到30万个三角形面片，支持更加漂亮、细腻的三维场景；保证系统的先进性及性价比；系统可扩展性强。机位、通道及输入输出：要求三机位、单通道的多功能虚拟演播系统。色键：实现高质量的实时抠像，能将诸如发丝、烟雾、水滴等抠净。同步性能：每个机位（包括在虚拟状态下）、虚拟视窗、联网的计算机VGA之间，均带同步特技切换，没有抖动和闪烁。跟踪：通过软件实现摄像机多点（近景、中景、远景等）定点跟踪，使人物与场景随着不同摄像点的变化而按比例变化，即景、物吻合。虚拟演播室功能：实时虚拟场景，实时虚拟电视大屏（可插入视频文件、动画、图文等、虚拟视窗可与电视全屏互相带特技切换），摄像机之间、摄像机与虚拟大屏之间可实时带二、三维特技过渡切换，虚拟场景中的真实人物和虚拟物体（包括虚拟电视大屏以及大屏中播放的内容）均可作出阴影、倒影、镜像等逼真效果。支持应用3D MAX、MAYA等国际著名的三维建模软件制作的三维场景，导入后的三维场景可方便进行调整，方便进行二次再创作。（二）应用虚拟演播室系统主要可用于校园视频节目制作、精品课程制作、远程教育、网络流媒体服务等，为实现节目制作的全新视觉效果提供了技术手段，可以根据不同的应用需求改变场景的复杂度。在高校中都建设有校园电视台，电视节目预告、校园新闻、访谈、文艺类节目等都可以用虚拟演播室来进行制作。其中校园新闻节目量大，时效性强，播出频繁，采用虚拟演播室制作可增加节目的丰富感和艺术性。而文艺类节目灵活性强，可充分发挥场景制作人员的构思和创新，根据内容精心设计，并结合虚拟大屏幕实现效果。视频节目还包括教学类视频，如讲座、实验、操作和演示等大多需要固定的场景，范围不大，基本上在多媒体教室里就可以容纳，非常适合采用虚拟演播室来制作。通过虚拟系统和素材库，大大减少了对实景人力、物力、财力的投入。精品课程的录制既要体现教师授课的个性特点，又要体现课堂的互动性，还要反映课件内容和课堂的气氛，在虚拟演播室中，制作人员可以通过虚拟电子背景，将计算机多媒体课件与主讲人的视频图像根据教学需要进行合成或随意切换，以达到最佳的教学效果，虚拟演播室系统丰富多彩的三维场景给教学增添极大的感染力，使数字化教学课程比通常的课程录像更加直观、更有吸引力，可以激发学生更高的学习欲望。虚拟演播室技术在远程教育中，将多媒体课件与视频相结合，通过设定图像的反馈区域就可以实现远程教育的交互，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习，以达到激发学生学习兴趣和理解记忆的目的。同时也可以弥补远程教学条件的不足，在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟演播室系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。参考文献1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):62-64.2李文光,董志彪.高校虚拟演播室教学实验系统的建设与应用J.中国教育技术装备,2009,(18):100-101.3董武绍,耿英华,朱姝,等.虚拟演播室技术与创作M.广州:暨南大学出版社,2014:3-56.4黄慕雄,李振亭.虚拟演播室的场景设计与开发J.中国电化教育:虚拟技术,2005,(223):94-97.5张克善.三维图形与动画制作3ds max及其应用高职高专计算机与信息技术系列规划教材M.北京:中国电力出版社,2004:29-113.6李斌.虚拟演播室技术在微课视频制作中的运用J.西部广播电视,2016,(15):198.7苏挺超,陈阳键.浅谈虚拟演播室在微课制作中的应用J.电脑知识与技术,2016,(17):202-203.8张冉,金靖,安明.浅谈气象虚拟演播室灯光及场景设计J.信息化建设,2016,(04):380.9李婷.虚拟演播室技术应用研究以校园电视节目制作为例J.数字技术与应用,2015,(12):67-68.10刘京洙,马金钟.三维虚拟演播室在MOOC制作中的应用J.中国教育技术装备,2015,(16):45-46.11张晓林.全景虚拟演播室系统设计亮点J.广播与电视技术,2015,(02):43-45.12耿英华,王慧敏.论科教类电视节目虚拟演播室设计要素J.西部广播电视,2014,(18):84.13钟祥铭,钟康云.论虚拟演播室技术在高职院校中的应用J.浙江传媒学院学报,2014,(04):137-140.14杨丽媛.地方高校虚拟演播室的构