（教育技术学专业论文）虚拟演播室在教学中的应用研究.pdf

虚拟演播室技术在教学中的压用研究 【摘要】 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 研究生：栗曦坤 指导教师：刘家勋 学科专业：教育技术学 随着网络技术、多媒体技术、数字广播技术等现代信息技术手段的不断丰富和发展，新兴 的现代教育形式不断涌现，教育事业出现了前所未有的繁荣景象。各种理论、模式和技术的应 用，呈现出了百花齐放、百家争鸣的态势。他们共同合力在扩大教育规模，提高教育质量，增 强办学效率，构建终身教育体制等方面为整个教育事业的开拓和发展贡献力量。 正如电视和网络的山现不能完全的取代传统的平面媒体的作用一样，任何的理论、模式和 媒体的应用都有各自强势的应用领域和适用范围。同样，任何的理论、模式和技术手段的廊用 都不可能完全取代对方的作用，也就是没有所谓的可以任意驰骋在不同的教育、教学领域，并 发挥绝对不可替代的作用的“全媒体”。也止因为这样的特点，现代教育技术领域才呈现了愈 加丰富的研究课题。我们的现代教育技术工作者也正在试图通过各自的努力发明的更多的科学 合理的教育的模式和手段，有针对性地解决遍布教育领域的各种问题，为整个教育领域的发展 添砖加瓦。 本文针对现代教育技术特点，重点探讨虚拟演播室这种新型的媒体形式在教学中的应用。 试图利用这种不被广泛认识的媒体打开解决现代教育技术某些研究课题的大门，这些课题主要 是指不被普遍关注但对未来存在一定潜在影响的教育因素和现代教育正在试图寻求更高效的 解决方案但一时未有重大突破的问题。尽管虚拟演播室这种媒体形式，白身还存在这样那样的 问题，但就目前米说，对它们在教学中的应用研究至少可以为止在探寻相关问题答案的道路上 踯躅前进的各位教育技术工作者提供些许的启示。 【关键词】虚拟演播室情境教学情商教育做中学 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 引言( 1n t r o d u c t i o n ) ： 虚拟演播室是近年米新兴的融合三维技术、多媒体技术和网络技术于一身的综合媒体技 术。目前，它被广泛应用在广播电视领域，在各种电视栏目中创建虚拟的背景，在各项重大的 体育赛事中搭建虚拟的环境。它的出现不仅丰富了演播室的表现手段，为观众呈现了更加丰富 的视觉体验，还节省了人量演播室建设的时间和经费。因为它不仅可以利用计算机来合成各种 各样模拟现实生活的场景，甚至还可以创建一些抽象的只能在想象中存在的空间形式。这些虚 拟场景的搭建，不仅方便而且使用的方式十分灵活。可以说，虚拟演播室的出现为整个电视媒 体的发展起到了相当的推动作用。 经过长时间的观察和实践，我们发现虚拟演播室在创设教学环境，丰富教学手段发面也有 着自身独特的优势。特别是在素质教育得到广泛认同的今天，教育不再仅仅是传道授业解惑的 过程，学习的目的也不再是单纯的掌握知识，信息加工能力和学习能力越来越成为当今 1 ：会衡 量人才的标准。在这样的形势f ，虚拟演播室的优势凸现出来，它在创设环境方面有着不可比 拟的优势。在它的帮助下我们的教育从注重知识学习向知识、技能、情感教育相互融合的方 向发展；在它的帮助r ，我们的教育从利用教学条件的层次向创造教学条件的层次发展。 这里结合通过自己多年来研究的成果，利用系统分析、文献查阅和是实践考察相结台的方 法来证明虚拟演播室这种新型的媒体在教育中的应用，到底能为现代教育解决什么样的问题。 实际上，由于本人能力有限，可能有些研究还朱深入到相当的程度。所以，我希望通过我的论 证，能让更多的教育工作者从中受到启发，共同来关注现代教育中隐藏的问题，共同关注虚拟 演播室在教育中的应用价值。 1 问题的提出 戴尔的经验之塔 6 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 幽11 戴尔( d a l e ) 认为，如果学习者有具体经验，他们就会更容易理解和掌握抽象的符号和概 念。 “经验之塔”的理论阐述了人获得知识的三大途径：直接参与、借用视听媒体，利爿j 抽象 符号。而直接参与是最具体，学习者最容易接受，力+ 可以获得较高效率的学习途径。 同样，心理学家布鲁纳( j e r o m eb r u n e r ) ，所提山的教学理论中也建议教学最好按照从直 接的经验( 具体的) 到图像描述的经验( 例如图画和影片) ，再到象征性的描述( 例如文字) 的顺序 来进行。他进一步指出：学习者接触教材时若按上述的顺序，对达成该项学习的精熟程度有直 接的助益。b r u n e t 还指出这套理论不仅# 良于儿童，它适用于各种学习者。当一个成人学习者 学习某件事，而他并没有任何相关的经验时，最好的教学程序是遵循由真实的经验到图像的描 述，再到象征性或抽象的说明，这种顺序学习最可能成功。 另外，美国著名教育家杜威在他的教育理论中尤为强调“做中学”的重要。他把“从做 中学”贯穿到教学领域的各个主要方面中去，诸如教学过程、课程、教学方法、教学组织形式 等，都以“从做中学”的要求为基础。形成了“不仅塑造了现代的美国教育，而且影响了全世 界”的活动课程和活动教学。“ 由此我们可以看出知识的学习借助真实的体验十分重要，能够使得学习者主动进行r 一 步信息加上、转化和建构自己知识体系的“原材料”。同时，实践也证明这种主动参与、自主 构建的过程，具有不可比拟的优异效果。 但是，所有知识的学习都从直接经验开始需要人量的教学时间。相比之下，将一卷描述 相同户外旅行经验的录像带，呈现给学生看时，只需用很短的时间和花较少的精力就能完成。 所以在直接经验的易于接受和理解与间接经验的高效率之间出现了一对矛盾，随之出现了一个 在效果和效率之间平衡的问题。 丁是，。大教育技术工作者开始思索着如何更好的平衡教学的效果和效率，使得整个教 学过程达到最佳的教学效果，同时又有比较高的性价比。随着网络技术的e 速发展，特别是得 益丁此技术的远程教育形式的出现，这样的矛盾似乎更加突山。准永久性分离状态成了远程教 育的一把双刃剑，它一方面解决了开放式教学和终身学习的需要，不分时空的提供交互的、多 媒体的教育内容；但另一方面，又不可避免的带来直接经验和间接经验的比例失恒对丁各种 学习内容的教学效率产生不同程度的影响。 面对这样的困境，综台各种资源的虚拟教学形式应运而生。在一定程度上，教学评价的 结果显示，现在这种整合各种教学资源的教学过程的确在提高教学过程的性价比方面起到了不 可小觑的作用。但是，目前的所谓虚拟学习还仅仅停留在虚拟社区、虚拟实验等简单的虚拟形 式，他们要么是抽象的人际交互，要么尽管形象却是人机交互，没有形成真正的相互观摩、共 同学习的人际交互环境的虚拟。 与此同时，随着社会的发展和人类文明的进步，另一急待解决的问题也摆在 ，广人教育 技术工作者的面前。 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 广大的教育学者发现：在教学领域里，教学活动应该是师生之间有效的活动，学习群体 的存在对于教学和学习是十分必要的。因为在群体中存在的竞争与合作的关系，这能激发学习 者的兴趣与热情，促进学习着的全面发展。但是在以往的实践中，教学活动被看成简单的教与 学的活动，缺乏人际交往的能力的培养。 周时，西方心理学者也发现一个人的成功2 0 由智商决定，8 0 则由情感智力冈素，人际 交往是情感能力培养的重要组成部分。在教学过程进行过程中的人际交往能力的培养能够在潸 移默化中帮助学习者直面人生、迎接挑战，培养乐观的生活态度和积极向上的个性品质。另外， 站在教育的社会学角度，教育还扮演着传承社会文化和价值观念的作用。如果说过去的教育直 接面对学生的个体，那么现在的教育还要面对每个个体表征的群体的观念和行为。而这种表征 的过程不是靠一个一个个体的简单归纳，而是要在个体复杂的相互关系中不断复合，这其中自 然少不了相互的交往过程。可见教学过程中交往能力的培养尤为重要。但是，现行的教育方 往往又都忽略了这个环节。 8 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 2 研究虚拟演播室在教学中应用的意义 针对这些问题，尽管我们不能指望通过一两种教学媒体的介入，一两个教学模式的改变 就能完全的解决问题。但是我们仍然可以通过对整个教育教学过程中复杂问题的科学抽象和简 化，将其中的主要问题进行有针对性的研究，达到各个击破的目的。 由此我们引入虚拟演播室作为解决问题的一个途径。作为虚拟教学的升级形式，虚拟演 播室依靠自己相对比较成熟的技术、广泛的适应性、相对低廉的价格和日趋简化的使用方式脱 颖而山，成为现代教育技术领域的新亮点。这里简单的概括研究虚拟演播室在教学中应用的主 要意义。 一、有利于在整个教学过程中通过形象的人际交往，扩充情感教育，增加内容密度，提 高教学效率。 目前，传统的知识传授为主的教学过程，正在向综合知识、技能、情感，重在培养学习 能力、生活能力、生存能力，提高思想品德素质、文化素质、业务素质和身心素质的素质教育 的方向进行转变。所以在不增加教学时间前提f ，教学过程中教学内容的密度在不断的增加。 情景教学理论告诉我们，根据教学内容创设出形象鲜明的学习环境，并借助音乐的艺术 感染力，再现教学内容的情景，使学生如闻其声，如见其人，仿佛置身其间，如临其境。师生 就在此情此景之中进行的一种情景交融的教学活动，能够大大提升教学效率，改善教学质量。 因此，只要配合科学合理的虚拟演播室教学过程在虚拟演播室创建的教学环境下，师生共同 参与活动，就可以达到不仅增进知识的理解，培养学习者主动架构知识体系的习惯；还可以通 过参与性的教学活动，扩容情感和素质教育的相关内容的目的。这些在潜移默化中进行的情感 培养、素质教育反过来又会对知识技能的理解和掌握起到催化剂的作用。也就是说，通过虚拟 演播室搭建的教学环境不仅为知识类内容的同化创造了便于接受的通道，同时也为扩充教学内 容，提高教学效率创造良机。 众所周知，美国教育就其传授的知识水平而言的确低于我国。但人才培养和人才构成要 素包括多方面，除知识传授外，还包括能力培养与潜力开发。我国教育侧重于知识传授，形成 共性培养重丁个性培养的格局。事实表明，这种格局在知识传授上有其可取之处，但在能力培 养，尤其是潜力开发上则显得不足。然而，美国的教育不过分侧重知识传授( 实际上重视不够) ， 而注重能力培养和潜力开发。根据孩子心理发育特点，使孩子们在活动中锻炼了观察、思考和 动手能力，充分发展了想象力、创造力和个性。虽然如此培养的学生知识量不及我国的学生， 但实际能力强，后劲足，潜力大对今后发展、深造明显有利。虚拟演播室在应用正好为教学 过程提供了能力培养与开发潜力的机会，不仅体现在虚拟演播室教学成为教学方式的有益补 充，更主要的是原本情感、意识、性格品质这些在传授知识的过程中容易被忽视的元素，重新 得到了与知识传授同样的重视。 二、有利于在远程教学中提供真实的人际交互，和面对面地教学指导，融合丰富教学手 段改善，提供多样化远程教学内容。 9 虚拟演播室技术在教学中的压用研究 随着数字卫星广播网、有线电视网、计算机网络“三网”的不断融合，以及人类学习理 念的变革，远程教育正逐渐成为现代教育的一个生力军。 国际知名的远程教育学者德斯蒙德基更曾做过这样的概括：“远程教育是教育致力开拓 的一个领域。在这个领域里，在整个学习期间，学生和教师处于准永久性分离状态；技术代替 了常规的、口头的、讲述的、以媒体学习为基础的教育入际交流。”。 从基更的概括我们不难发现，与传统教学过挥相比，远程教育一般不受时间空间限制， 是强调学习者自主学习，白行安排学习内容、进度和路线的学习过程。但是也着因为这样，它 也不可避免的存在着教与学的异步，沟通受局限，人际教学形式受限制的问题。 这种情况卜，虚拟演播室针对远程人际教学形式受限制，同步沟通不及时和远程动作教 学内容演示不直接，这几个比较典型的问题提出了基于远程教育特点的解决方案。通过虚拟演 播室搭建的真三维环境，实现远程教学的同步人际教学和教学过程中演示、辅导的融合。方 面身处异地的师生可以通过虚拟演播室技术无缝的接入同样的环境，共同就学习内窬展开讨 论对学习过程和学习效果进行评价，另一方面教师和学习者都可以通过虚拟演播室将学习 内容南观的呈现给对方，面对面地进行形象的教学和评价。 虚拟演播室的引入改变了以往人们对于虚拟教学的印象。不仅丰富了远程教育的手段， 升级了虚拟教学的形式，还使得很多原来不便于远程教学的教学内容可以利用远程网络进行传 播。更主要的是由于虚拟演播室的介入，远程教学的教与学的结合方式更加多样，教学和辅导 都更加及时，大大的改善了整个远程教学的教学效果。本文将在第八章中具体论述虚拟演播室 在解决上述问题方面的具体方法。 虚扭演播至技术在教学中的应用研究 3 研究问题的方法 本文主要采用思辨和实证相结合的研究方法。首先根据对虚拟演播室技术的综合分析和 应用的实地考察，提出利用虚拟演播室创设的学习环境的假设，结合目前教学过程中存在的问 题，进一步推理出虚拟演播室在教学中应用的意义和优势，进而通过实地考察虚拟演播室的应 用情况，合理外推得山本文的相关论点。 论文撰写的过程中还应用了文献法和归纳法。在论文撰写的过程中，人量翻阅相关技术 和应用的文献资料。特别针对现行教育的特点，着力分析虚拟演播室的特点和今后的发展趋势。 在实地的收集关于论文的应用的实际情况后，综合运用归纳和演绎的方法，前瞻性的提出虚拟 演播室在教学中应用的优势和不足，为今后继续研究虚拟演播室在教学应用的奠定了一定的基 础。 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 4 虚拟演播室基本原理 在虚拟演播室中，把摄像机拍摄到的人物、景物称为前景幽像，而把通过计算机动画软件 制作的二维或三维动画、图形称为虚拟背景或虚拟场景。 典型的虚拟演播室系统主要由摄像机跟踪系统、虚拟背景生成系统( 图形工作站) 及视频 合成系统构成，如下图所示： 虚拟演播室基本原理 4 1 摄像机跟踪系统 图4 1 摄像机在拍摄过程中有平移x 、纵移y 、景深z 、水平角、俯仰角、镜头变焦z o o m ，聚焦 f o c u s 等变化，这些参数的改变会引起拍摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维 环境，图形工作站必须根据这些参数不断调整三维视图。而摄像机跟踪部分的作用止是用来拾 取摄像机的位置信息和运动数据适时地跟踪定位系统。主要有以下两种方式： 41 1 机械跟踪方式 这种摄像机跟踪系统采集摄像机的位置及透视数据，它通常被安装1 生二脚架或基座之上。 为测量摄像机的镜头运动参数，需要在摄像机镜头上安装附加设各。这个装置中包含传感器和 有关电子装置，成为镜头运动参数编码器一种精确的旋转编码器。镜头编码器通过托架 与镜头上的变焦环和聚焦环的齿轮紧密咬合。当变焦环或聚焦环发生位置变化时，编码器能够 检测出上、r 、左、右摆动的细微角度并将其编码输山。摄像机的地面位置x 、y 及高度z 也 可以用类似的方式测量。这样，现场的摄像机与计算机中的“虚拟摄像机”被相对的锁定在同 一位置，两者可以实时地保持同步变化。 41 2 图像分析识别方式 1 2 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 机械跟踪方式是直接对摄像机的各种运动参数进行测量，而图像分析识别方式与之截然不 同，是利用图像分析识别技术在拍摄期间同步控制并检测摄像机的各项运动参数，包括位置参 数( x 、y 、z ) ，水平转动参数，垂直转动参数和变焦参数，所有这些参数都被转化成位置参数， 这使得摄像机师能够在拍摄过程中随意移动摄像机，而且也不需要特殊的摄像机。它需要一个 画有特殊网格的蓝色布景。这些网格的横格间距与竖格间距各不相同以方便精确定位。这种方 式将所拍摄的画面送到数字视频处理器中进行计算，通过对所拍摄画面中的网格的旋转和透视 关系的改变进行计算，得到有关摄像机的运动参数，以控制虚拟背景的生成。 4 2 虚拟背景生成系统 4 2 1 虚拟场景的制作 虚拟演播室的背景图像可以是来自录像机的视频图像，但使用最多的是计算机创你的一维 或三维c g ( c o m p u t e rg r a p h i c s ) 即虚拟场景。虚拟场景可以分为二二维虚拟场景和三维虚拟场 景。所谓二维场景指景物没有厚度。只提供一个平面背景，而在三维中景物是立体的，具有z 方向的厚度，在具有虚拟后景的同时也提供虚拟前景。主体可以在前景和后景之间穿插运动。 从而增强了视觉效果的纵深感和真实感。 4 2 2 实时背景生成 实时生成背景是指在摄像机运动参数的控制r ，背景生成装置对制作好的背景信号进行处 理，实时生成与前景有正确透视关系的背景图像。所谓实时是指可以达到每秒5 0 场。 4 2 视频合成系统 图4 2 虚拟演播室的视频合成系统采用色键抠像技术，即前景与背景的混合是通过色键混合器来 完成的，一般采用u l t i m a t e 、p r i m a t e 等色键合成器。为保证容易抠像，应使蓝色幕布处于均 匀光照之下，并使用纯正的色键蓝色，其空间火小应保证主体有足够的移动范围。另外，为使 主体在环境中的运动更加逼真，引入深度色键来表现各物体之间的遮挡关系。 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 5 虚拟演播室的主要技术 5 1 摄像机跟踪技术 摄像机跟踪技术对于虚拟演播室系统来说 十分重要，它为系统止确地模拟背景( 正确的物体大小和 透视感) 提供保证。跟踪系统t 作时需要大量的测量。并 要根据测量的结果精确地计算出摄像机的位置。一个虚拟 演播系统需要测量的与摄像机运动及镜头运动相关的参 数共有8 个，分别为：图5 - 1 3 个位置参数：x 场中水平距离、y 与场中背墙量度之间的深度、z 与地板之 间的高度； 3 个角度：摇( p a n ) 沿z 轴的旋转、俯仰( t i l t ) 沿y 轴的旋转、r o l l 沿x 轴的旋转： 推拉( z o o m ) 位置： 聚焦( f o c u s ) 位置。 并1 f 所有的系统都能测量这8 参数。通常，二维演播室的跟踪系统只能提供摇移、俯仰 和推拉变焦( 聚焦或者r o t l ) 测量，不能给出止确的深度感，因而不能把物体放置丁演员之 前。而三维演播室的跟踪系统必须提供以上8 个参数( 也许不使用r o l l 和聚焦参数) 的测鼙。 目前在虚拟演播室摄像机跟踪技术中，普遍使用的有网格识别、机械传感器、跟踪红外 线光源等。 5 1 1 网格识别 据演播室的人小，定制不同尺寸的网格，相邻的网格大小不同，通过摄像机拍下的视频 图像可以实时地解析出摄像机的位置、方向和变焦参数；支持任意数量、任意类型的演播室摄 像机及镜头；不需要烦琐、耗时的校准过程，可1 3 动实时重校准；对演播室中的设备和安装方 式没有特别的要求。 5 。1 2 传感器识别 ( 1 ) 推拉变焦和聚焦传感器 推拉变焦和聚焦传感器安装在摄像机的镜头上( 如果采用数字镜头，则不需要安装推拉 变焦和聚焦传感器) ，通常使剧电位计或编码器。推拉变焦信息片j 来确定域面范围( 物体譬现 的大小) ：聚焦信息用来协助纠正画面范围。 ( 2 ) 传感头( 摇移、俯仰或r o l l ) 传感器安装在摄像头上以测量摇移和俯仰动作，这些信息用来确定背景的透视感。除非 1 4 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 加入了某些位置测量跟踪器，否则在拍摄中不能移动摄像机的位置，因为位置一旦移动就必 须重新校准。不过，使用这种方法拍摄的画面范围，不会像使用网格识别那样受到网格范围的 限制。 5 1 3 红外线跟踪技术 红外线l e d 目标安放在每个演播室摄像机上，它们是很轻的盘片，包含1 6 个1 6 丛小红外 线l e d ，从顶部和旁边发射光线。安装在天花板或墙上的一列“监测”摄像器把这些目标拍摄 下来。所有目标都是相同的。在初始处理后即开姑跟踪摄像机。摄像器对红外线敏感，l e d 丛 在图像上呈现为黑背景上的白色亮点，l e d 与视频同步，图像处理运算检测到l e d 并计算出摄 像机的位置和角度。 5 】4 其它跟踪技术 5 1 4 1 超声波定位和惯性测量 采片j 超声波信号多点发射和接收，陀螺仪定位和模糊识别处理，定位摄像机的当前位置。 一般在演播室顶部安装超声波发射和接收杆，每根杆有6 个发射和接收点，间隔6 0 口r 【，每个 点以7 0 。向下发射超声波。安装时两根杆平行放置，间隔也为6 0l l l l ，高度为4 m 。根据演播 室摄像机所需活动范用，可以放置一定数量的杆来覆盖活动区域。在摄像机顶部安装3 个金属 点和陀螺仪，前者用于反射超声波信号；后者用于模糊定位，主要用在摄像机倾斜和翻转时定 位。每次断电后，必须重新做一次摄像机镜头的锁定。安装在摄像机上的金属架很重，不适合 肩扛。 5 14 2 机械摄像机( x 、y 、z ) 这里的机械摄像机是指把摄像机安放在机动式基座上，测量基座的运动，而遥控摄像机 的动作。把传感头和推拉聚焦结合起来，就可以进行全面的测量。这些设备性能不错，但体积 庞火。也非常昂贵。 当前高端三维虚拟演播室系统都使用几种不同的方法来探测摄像机在地板上的位置及其 动作。如稠格识别+ i 。e d 、网格识别+ 传感器、传感器+ l e d 等。这些系统可以测量自由运动 的6 个参数( x 、y 、z 、摇移、俯仰和r o l l ) ，有些亦可以测量推拉变焦和聚焦参数。 网格识别机械传感器跟踪红外线光源 图5 - 2 各种跟踪方式比较列表 - 1 5 a 铽瞻x _ l a i ) o o 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 獯。簿撬骧撩感器越纛渡缓魁翱接收蠡囊b 缓蒺瓣秘攮叛鞫、黪瀛黜 在同定轨道采用超声波信号多点发采用红外线信号发在监箱上特定的 上安装多个射和多点接收原理，陀射和多点摄像头接大小和形状图形， 纛程传感器，根据螺仪定位原理和模糊识收的原理，对摄像根据摄像机拍摄 传感器采集别处理的原理定位摄像机的位蚤进行定的画面真接处理 的数据进行机的当前位置。位。监色背景的信号 运算得到摄定位摄像机的值 像机当前的置。 位置坐标。 摄像机走位精度高，在6 * 6 米的空无轨道和吊臂限无轨道和吊臂限 受固定的轨间范围内误差不超过制，可以实现摄像制，可以实现摄像 道和吊臂的1 m m 。可以在控制区范嗣机的自由运动：在机的白由运动：监 限制，走位方内测定摄像机在任何位摄像机机身上安装色背景不能虚焦 式固定、呆置和角度的坐标参数。红外线发射器；可否则无法进行正 板。无法实现可以实现肩扛或手提拍能受到演播室灯光确的图形识别主 城摄像机机位摄，不受轨道限制；不干扰；可能会因红持人不能被推得 自由移动；无受演播室灯光千扰，信外线交织形成“玄过人；如主持人或 法实现肩扛号传输时可以绕过遮挡光”损害主持人，者实体景物将特 或手提拍摄，物；安装和初始化简单；摄像师和镜头；成定的图形覆盖! j | j 羧节目效果受运算量较小，视音频延本相对较高：系统系统不能进行止 限制；安装和时小( 2 帧) ：对主持人运算量较大，对系确的场景位置测 初设置相对和摄像机没有损毁；电统配置要求高，视定；安装简单，除 复杂，摄像机视台用户投资成本低。音频延时相对高。数位置相对复杂， 轨道移动需视音频延时相对 要重新测量较大；运算量较 和安装。人，通常需要懿 _ | _ _ = 作站。 5 2 实时渲染技术 实施渲染能力是衡量虚拟演播室系统性能的另一个重要冈素。作为个优秀的二位虚拟 演播室系统，应能实时处理大量的三角形、纹理、贴图、视频插入等，而不是预生成场景，所 以必需一个强大的图形工作站。 t 6 虚扭演播室技术在教学中的应用研究 图5 - 3 对丁虚拟演播室来说，实时运算一定数量的三角形的能力也很重要。在一个虚拟场景中， 所有的物体除了视频插入信号外部是由三角形组成，但在衡量一个系统的运算能力时，不能只 看它能够运算多少个三角形。因为在一个场景中除了三维物体以外，还会有视频插入信号、虚 拟灯光效果、粒子效果、大量的贴图等，其中任何一项都会导致系统实时处理三角形的能力急 剧f 降。所以，为正确地判断一个虚拟演播室系统的图形运算能力，必须综合所有的因素。 5 3 色键合成及定位技术 在虚拟演播室出现以前，色键抠像技术就已经被广泛使用，它把站在演播室蓝屏幕前的主 持人图像叠加在视频背景上来模拟现场效果，由于背景不随主持人而动，使得主持入好像浮在 背景上，感觉很不真实。 虚拟演播室中的定位，町分为主持人或前景定位和摄像机定位两大步骤。 53 1 主持人的定位 主持人的定位方法有两种。一种是近似定位法。近似判断前景主持人和摄像机之间的相对 距离，井以此作为整个前景的深度值z ，如果主持人移动，z 值也将随之变化。根据实际需要， 以手控方式决定前景主持人和虚拟背景的相对关系。此方法实现起来比较容易，口河比较常川： 其缺陷是逼真度较低，对主持人的要求比较高。 第二种方法是“自动主持人跟踪系统”。它主要由一个别在主持人身上的超声波或红外发 射器和一个安装在演播室墙上的超声波或红外接收装置组成。在演播室中移动的演员佩带红外 发射机，在虚拟演播室真实的蕊屏左右两侧上方分别安装一台接收红外信号的微型搬像机，艿 保持发射和接收信号同步锁定。 5 。3 2 摄像机的定位 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 值得一提的是辅助机位的定位方法，它的设计思想是在摄像机基序上捆绑一个工业摄像 机，在蓝屏演播室的天花板画上特殊的图案，主摄像机的运动带动辅摄像机运动位置变化，辅 助摄像机拍摄天花板图案的变化传递到图形处理工作站，通过分析处理可以得到主摄像机的精 确位置。 图5 4 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 6 虚拟演播室的特点 6 1 虚拟演播室的优点 6 1 1 节省资本节省空间 出计算机建造的三维虚拟场景，制作和更换电子布景快捷简便，节省了大量 的人力、物力、财力，而且缩短了节目制作周期。首先是省钱，虚拟演播室不需 要舞台布景、幕布、仪器设备和建筑结构，一次性投入的制景费用较低，同样的 布景，实景比虚拟景制作费要高出很多，而且达不到虚拟景所表现的时空效果。 其次是省时，采用虚拟演播室制作周期短，个虚拟场景从创意到完成用时4 5 天，简单场景只要2 3 天；并且，虚拟场景使用起来方便快捷，缩短了换景和调 光的时间，可以在一天内摄制多个不同场景的节目；另外，虚拟演播室在有限的 条件下可以实现直播、准直播。第三是省地，使用虚拟演播室，一般只需要一个 5 0 2 5 0 m 。的蓝色背景的演播室，即可完成大场景的拍摄。 6 1 2 置景方便换景方便 过去我们在利用传统布景制作竹目的过程中，如果遇到背景有纰漏或背景不如意，j ；_ i l 能等 卜次改版，或重新投入经费雨制作。现在利用多种三维动画软件，虚拟演播室就可以轻松的 制作出各种逼真的场景。不必花费太大的时间精力去布置学习环境，而只需将拍摄的主体与计 算机制作的背景完美的结合就可以。 虚拟场景制作结构复杂、形式多样、材质丰富，不用考虑材料的选择与使用。制作完成的 虚拟布景，作为一种可再生、可转移、不占物理空间的资源，存储方便，可重复利用。另外， 由于虚拟场景占用的是硬盘空间，可在网上进行数据传输。 6 1 3 创意自由拍摄自由 因为不受时间、空间、资金、人员等方面的限制，背景的创设可以自由的发挥。这样既可 硝创设出所需的现实场景也可以创设在现实中难于实现的场景甚至是想象的空间。 演播室的摄像机运动自如，可以多台多角度拍摄，因此可以从不同侧面完整展现一个连续 的过程。如果录制还可以保存f 来便于今后的比较和使用。 6 2 虚拟演播室的缺点 6 2 1 虚拟的真实性不足 由于贴图尺、j 的限制，栩质荦易失真。虽然虚拟演播室可以大量使用# 寓的材质、贴幽， 但由丁实时生成对贴图火小的要求( 4 m 左也) ，大体、面物体近最模糊，容易产生马赛兜，录 一1 9 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 出的节目感觉粗糙。 在虚拟演播室中主体并不一定知道此时的拍摄状况，所以难免会发生如穿墙而过、隔空取 物等与现实相悖的情况，这些一般可以通过调整虚拟场景的设置和主体的走位米解决。 6 2 ，2 延时问题 虚拟场景是根据摄像机运动参数的变化而变化的，这个过程需要一定的时间。因此在前景 与背景进行台成之前，首先要对前景图像进行相应的延时。另外为保证声画同步，声音信号也 要做相虑的延时。 6 2 3 灯光问题 虚拟演播室的灯光效果不如实景具有亲和力，近景的光线“平”，没有层次，远、中、近 景难以做到近实、远艘的真实效果，虚拟灯光与实际灯光存在位置、强弱、冷暖、数量等著异， 容易导致主持人与生成的场景脱i 了。4 2 0 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 7 虚拟演播室在我国广电领域的应用简述 虚拟演播室在电视领域的应用是虚拟演播室应用起步的领 域，也是发展最快、应用最充分的领域。在1 9 9 8 年底我国在社 会调查使用了第一个虚拟场景，从那以后全国从中央到地方近 百家电视台陆续开始使用虚拟演播室作为节目制作的新型手段。 他们大体分为三个阶段。 试用阶段，制作的节目包括荧屏指南、旅游之镓、 每周经济点评、创、眦行、中国之窗等。这阶段还 处丁对虚拟演播寰的认识椰基本功能的熟悉过程中，比较机械、 简单地使用各种命令：使用的是o r a d 的产i 抽，演播室面积为1 5 0 m 2 。 如图7 、1 g i 目月o 划m 自i 镕目 m * * * 罐镕 如图7 - 】 开发阶段，制作的：竹曰包括城际特快、越阳平台、赛 车世界、周末9 0 0 秒、北京之歌等。这一阶段对虚拟演 播室有r 深入的认识，创意制作有了长足的进步，充分发挥虚拟演 播室在空间与时间上的优势，营造与栏目内容相呼应的光影氛围。 新增r2 5 0 m 2 演播宝，使用r t s e t 的l a r u s 系统。其效果如图7 - 2 完善发展阶段，制作的节目包括 。，* 。h 。# r 。；。， 龙年时空隧道、皇帝的新农、 田园、证券无限、通向2 0 0 8 嘲7 - 2等。这一阶段创意制作进一步提高， 将虚拟的使用范围由传统的新闻、访谈、体育节目扩夫到直播与 影视剧的制作。首次在龙年日_ j 空隧道晚会中大量使用虚拟设 计，将几个童话歌舞有机地融入晚会节目当中，丰富了节目的表图4 龙年聪空隧道的虐搬场景 现形式。效果如图7 - 3图7 - 3 2 0 0 1 年底完成的新编童话剧皇帝的新衣，是我国首部全 虚拟演播室电视剧。效果如图7 4 所示。其中虚拟场景1 6 个，镜 头多达7 0 0 多个，场面宏大。如图7 4 。( 左为：图7 4 ) 圉6t 童帝的薪托 2 i 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 8 虚拟演播室在教学领域中的应用 教学模式一词最初是由美国著名的学者乔伊斯和韦尔等人提出的，是指在一定的教育思 想、教育理论、学习理论的指导f 的教学活动进程的稳定结构形式。同时，由于指导思想、理 论依据的不同，各种教学模式所达到的教学目标也不尽相同，从而形成了应对不同教学内容的 教学模式。尽管各种教学模式侧重点各不相同，但他们都有相同的特点，就是具有系统性、概 括性、可操作性和一定的局限性。 任何一种教育模式都应该具有如下几个要素： 一、理论基础 二、教学原则 三、教学目标 四、操作程序 五、师生角色 六、实现条件 七、评价方法 下面结合虚拟演播室的特点我们将具体论述。 8 1 虚拟演播室在教学中应用的模式 面对现行教育中情感教育的缺乏和远程教育中人际交互不足、动作技能类教学内容手段单 一等问题，我们将在虚拟演播室环境下进行的教学过程分成四种模式： 远程 i非远程 融合活动i模式1模式2 融合情感i模式3模式4 模式1 ：融合活动的远程直播式教育模式 一、理论基础 戴尔的经验之塔理论和杜威的“做中学”理论，使我们认识到直观的教学内容和直接的参 与方式可以使学习者的学习过程更加优化。同时，现代建构主义学习理论普遍认为：环境的创 设对于学习者建立顺应的认知心理，建构个性化知识体系具有相当的作用。此外，著名远程教 育专家基更( d e s m o n dk e e g a n ) 将虚拟教学描述为“远程面对面教学( f a c e t o f a c et e a c h i n g a tad i s t a n c e ) ”，并论述了从面授教学( f a c e t o f a c et e a c h i n g ) 到远程教学( t e a c h i n g a tad i s t a n c e ) 再到虚拟教学的历史发展( 1 9 9 6 ) 。在构建虚拟教学的概念中，强调“眼光 接触( e y et o u c h ) ”或“眼球对眼球教学( e y e b a l l t o e y e b a l lt e a c h i n g ) ”，即强调通过 现代电子通信技术手段实现师生和同学之间的眼光接触、眼球对眼球的沟通，从而真正达成信 息、思想、情感的交流和交互作用。这些理论一方面强调了教学过程的参与性和教学内容的直 2 2 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 观性对于整个教学过程的重要程度；另一方面也肯定了虚拟环境在创造参与性教学过程和直观 性教学内容方面的重要作用。 二、教学原则 除了要符合远程教育的诸多原则，虚拟演播室创设的学习环境还要保证随机性原则。就是 保证通过虚拟演播室使得意义建构的过程不是一成不变的线性发展，而是非线性的进程。冈为 学习者本身的起点不同，学习者通过虚拟演播室应该可以在任何一个层次加入籀个学习过程进 而继续学习，冈此围绕同一教学内容，应该为虚拟演播室的远程赢播的教学过程设计不同的起 点利路径。 三、教学目标 融合行动的远程教育模式的目标就在于通过虚拟演播室的引入，使得现在远程教育能够提 供更加丰富的直观的教学内容和更具参与性的教学过程。这样，不仅可以促进学习者信息d d ：【： 能力的提高和智力的发展，还能够在虚拟演播室的环境中培养学习者的灵活多样的思维方式和 坚毅顽强的意志品格。 四、操作程序 虚拟环境的创设教学活动的开展教师端参与视频的接入学生端参与视频的 接入人际交互教学过程的开展面对面的反馈 五、师生角色 这种融合现代远程教育的异地性和传统教育的直接性的教学过程，不仅仍然保证了学习者 的主体地位，而且还保证了教师的教学过程是面对面的、及时的、直观的，甚至于反馈的过群 都是在双方的监督卜进行。这样，即使在远程教学过程中，教师仍然可以成为整个教学过程真 正意义的掌控者掌握、控制和监督整个学习过程的良性、高效的进行。 六、实现条件 整个教学过程中，除了必要的技术支持，更主要的是课程的设计要充分的利用虚拟演播室 的特点，创设科学的教学环境，呈现直观的教学内容，充分发挥虚拟演播室在远程教育中独特 的作用。 七、评价方法 评价该模式，因为学习过程中反馈的及时性，所以除了收集有关的练习、测试和口头回答 的成绩，然后运用数理统计、多元分析等方法进行科学处理，总结规律这种传统的定量的方法 之外，还可以通过虚拟演播室的直观的视频环境真接观察，特别是一些动作技能类知识的学习， 学习者模仿性的活动可阻直接反馈出学习的效果。 模式2 ：融合活动的现场参与式非远程教育模式 一、理论基础 戴尔的经验之塔理论和杜威的“做中学”理论，使我们认识到直观的教学内容和直接的参 与方式可以使学习者的学习过程更加优化。同时，现代建构主义学习理论普遍认为：环境的创 设对于学习者建立顺应的认知心理，建构个性化知识体系具有相当的作用。所以把教学过程融 合在一定环境下进行的活动中，不仅可以丰富教学手段，还可以提高认知效率。另外，录制的 教学过程经过后期处理可以制作成为适于教学的光盘资料或者是满足一定需要的远程教育教 2 3 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 材。 二、教学原则 现场参与式教学过程，除了要坚持适合教学内容的一般性原则之外，还要遵循科学性前提 下的真实性原则。但是这并不等于一定要在虚拟演播室环境中创建完全真实的环境。为了节省 成本和降低再现真实环境本身的难度，我们可也考虑在虚拟演播室中搭建符合真实环境特点的 典型的元素和符号，比如能够有助于学习者联想真实环境的典型服装、道具。而其他的场景的 构建就可以利用虚拟演播室的虚拟背景生成系统来完成，结合视频合成系统在教学过程的进行 中适时合成。 三、教学目标 在虚拟演播室的环境中直接参与的教学过程，目的是培养学者的主动性、参与性、创造力， 增加信息加工的能力，提高信息处理的能力。 四、操作程序 教学内容的选择虚拟环境的搭建师生教学活动的展开现场参与和现场反馈 ( 虚拟后期加工后期的反馈和总结学习资料的制作) 五、师生角色 在这样的教学环境下，教师处于活动导演的身份，指导监督和评价整个教学过程。学生处 于角色扮演的身份，主动参与活动的环节，按照相应的程序，能动地完成整个学习的过程。 六、实现条件 这种模式对虚拟演播室的背景生成和后期加工环节要求比较专业。但是前期的准备相对比 较简单，可以充分发挥学生的主动性和创造力进行相应的环境设计和活动设计。 七、评价方法 现场参与的模式，除了可以在现场进行各种定性和定量的评价，还可以通过录制的节目， 在随后的时间对大家在参与活动过程中的教学效果进行教师评价和学生自体互评和异体互评。 模式3 ：融合情感的开放式远程教育模式 一、理论基础 著名远程教育专家基更( d e s m o n dk e e g a n ) 将虚拟教学描述为“远程面对面教学 ( f a c e t o f a c et e a c h i n ga tad i s t a n c e ) ”，并论述了从面授教学( f a c e t o f a c et e a c h i n g ) 到远程教学( t e a c h i n ga tad i s t a n c e ) 再到虚拟教学的发展历程( 1 9 9 6 ) 。他在构建虚拟教 学的概念中，强调“眼光接触( e y et o u c h ) ”或“眼球对眼球教学( e y e b a l l t o e y e b a l l t e a c h i n g ) ”，既强调通过现代电子通信技术手段实现师生和同学之间的眼光接触、眼球对眼 球的沟通，从而真正达成信息、思想、情感的交流和交互作用。 建构主义认为：人的认知是在社会文化背景卜与他人及社会的互动中主动建构的，其发展 的根本动力依赖于思维的社会基础。因此，文化和社会在增进认知发展中起着巨大的作用，文 化给了认知1 ：具以满足他们发展的需要，这些工具的类型与性质决定了认知发展的方式和速 度，而社会情境则是认知与发展的重要资源。 随着现代社会的发展，具有创新能力和信息获取、分析、加丁与利用的能力是信息社会所 需求的新型人才必须具备的两种重要的能力特质。根据建构主义理论通过环境创设的情境能够 2 4 虚拟演播室技术在教学中的皿用研究 使得学习者主动的意义建构，培养良性的学习习惯和个性品质，进而提高他们的综合信息加工 处理能力。在学习过程中，通过学习环境创设的情境，来培养学生主动参与的情感，进而培养 他们的批判性思维、创造性思维，发现探索精神和信息的综合处理加工能力。 二、教学原则 这种主要以融合情感为主，旨在提高创新能力和信息加工能力的虚拟演播室教学模式，重 点要遵循开放性原则。为了达到上述两个目的，可以通过虚拟演播室整合各种教学资源，在学 习进度和学习内容的呈现形式上为学生提供更多的主动权，便于学习者通过各种途径，提高自 己的创新能力和信息和获取、分析、加工和利用的能力。 三、教学目标 培养参与意识和主动建构知识体系的心理，完善个性品质，进而增强学习者创新能力和信 息获取、分析、加丁与利用的能力。 四、操作程序 教学资源整合一晴感因素设计虚拟演播室环境搭建教学活动开展融合情 感的远程教学活动远程同步或异步反馈 五、师生角色 在这样的融合情感的虚拟演播室教学模式中，情感环节的融合十分重要，教师作为整个教 学活动的组织者，还应该处丁情感设计者的地位。整个教学过程的中学习者是否真正融合其中 主动发挥自己的主动精神建构自己的知识体系，学习者创新能力和信息加工能力的是否真正提 高都取决于教师科学的、符合教育规律的情感设计。学习者同样也处于蓝图设计者的地位，他 们的初步设计，既增强了他们的参与意识，也使得教师的定稿有了学习者特征的分析的基础。 六、实现条件 这种模式对学习者前期特征分析的要求比较高，冈为学习过程要融合情感，形成学习者从 内心产生的认同感，并激发学习者主动性使其自觉参与教学过程中问题的探究。所以能够顺麻 学习者需要的情感融合设计，特别是既能融合学习者情感价值观，_ 义能引领学习者主动体高认 识水平的设计对于该模式是十分有价值的。 七、评价方法 因为这种模式的培养目标是比较长远的，能力的提高也不能仅仅通过定量的测试，练习 和作业全部完成。所以可以选择一定的任务，作为评价的参考。特别是一些没有标准答案的土 观题的解答，不仅可以充分的发挥学习的主动性，创造力，锻炼他们信息加工和探寻问题的能 力，还能在他们分析解决问题的过程中观察到认知情感的变化。 模式4 ：融合情感的非远程教育模式 一、理论基础 人类正在进入以知识、信息和大量富有创新能力的人才为经济要素的知识经济时代，个体 的信息素养能力对于他的学习、工作、生活以至生存方式等方面起到越来越至关重要的作用。 其中信息素养不仅包括获得、分析和加工信息的能力还包括个体自主的学习、有效地与他人协 作交流、积极主动地参与活动、利用信息去解决问题进行创造性思维的各种能力。 根据2 l 世纪教育的四大支柱“学会认知、学会做事、学会共同生活、学会生存”的指导 2 5 虚拟演播室技术在教学中的应用研究 思想，在教学活动中融合一定的情感教育内容，有助于使得受教育者全面发展、全体发展、个 性发展。 二、教学原则 该模式遵照探索眭原则，通过在教学活动中融合情感，树立科学的学习态度、良好的研究 心理。通过有意识培养包括谨慎、求实、和成就感在内的各种情感，提高发现问题、分析问题、 解决问题的能力。 三、教学目标 著名心理学者布鲁纳( j e r o m es b r u n e r ) ，所提出的教学理论中建议教学时最好由直接 的经验到图像描述的经验，到象征性的描述的顺序来进行。该模式遵照他的“发现学习”理论， 强调学生主动的建构自己的知识体系，目的是培养学生的学习态度、推测和独立解决问题的能 力，从学习过程中提高学生的心理成熟度，进而树立科学的学习观、发展观、世界观、人生观。 四、操作程序 融合情感的教学过程的设计虚拟学习环境的搭建教学过程实施培养科学学 习观引申引导科学世界观、人生观现场活动反馈师生讨论总结 五、师生角色 在这样的教学模式中，教师在引导学习者的教学过程的同时，还要引导学习者的价值取向， 使之通过学习过程获得科学的学习方法和更趋多元化并且符合科学的人生观和价值观。所以