超高清虚拟演播课程制作系统设计与应用

龚京民，许沁菲

（南京航空航天大学 信息化处，江苏 南京 210016）

0 引 言

建设学习型社会，需要更多、更好的教育资源以提供给大众学习。利用现代信息技术手段，加强优质教育资源开发和普及共享，对于进一步提高大众的学习质量具有非常重要的意义[1]。近十年来，教育部相继颁布了多个关于教学资源建设的文件，如《教育部关于国家精品开放课程建设的实施意见》《精品资源共享课建设工作实施办法》《教育部关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》等，其中一个共性的要求就是建设高质量的课程教学资源。在国家相关政策指导和教育教学资源大力建设背景下[2]，各高校课程教学资源建设已初具规模。然而，经历疫情期间的大规模在线学习后，学习者对教学资源的需求已不再简单停留于认知上的满足，更需要情感上的关怀[3]。随着课程教学资源建设数量迅猛增加和质量要求的不断提升，各高校均面临着拍摄强度大、质量提升难、表现形式少、制作效率低以及资源同质化严重等问题[4]。为解决上述问题，实现优质教育资源制作的便捷性、丰富性和多样性，各高校必须首先着力构建教学资源开发的基础支撑环境。课程制作系统作为一个必不可少的基础支撑环境，其功能的优劣将直接影响教学资源制作的质量和效率。

1 超高清虚拟演播课程制作系统的特点

超高清虚拟演播课程制作系统（以下简称课程制作系统）是一种基于计算机虚拟演播技术的教学课程资源制作工具，可以将教师本人以及讲课的内容融入三维虚拟场景，从而实现更加生动、直观的教学效果。课程制作系统在整体功能上能满足各种课程，如微课、慕课、一流课程的拍摄制作需求，同时也能满足形式多样的讲座、报告、专题栏目制作需要。系统搭建过程依据“场景布局合理、信号调试灵活、操作简易方便”的建设思路，充分融合多种信号，将虚拟场景信号、摄像机信号、电脑PPT 信号及其他外来信号输出至视频导播台[5]，通过视频导播台对输入信号源进行特效、切换、调度等处理，最终由视频导播台AUX 接口（可指派）输出至虚拟服务器、录像机等设备，从而完成各类课程的拍摄、制作。除了满足上述需求外，整个课程制作系统还具有以下几方面的特点。

（1）稳定性。稳定性在课程制作系统中占据着至关重要的地位，这一点不容忽视。为此，课程制作系统采用了知名品牌如SONY，ORAD，YAMAHA，SHUER 等的成熟广播级产品，以确保系统整体运行稳定可靠。

（2）易用性。系统在设计时，注重操作界面设计和交互设计，使得操作人员能够快速上手并熟练完成各种操作。因高校制作团队人数通常不多，故课程制作系统应做到尽量减少操作人员的数量，使用操作简单易用，降低操作人员的学习和使用成本。

（3）可扩展性。建设系统时，充分考虑到未来可能的业务增长和技术发展，为系统预留了较多的扩展空间和接口，具有较强的可扩展性，能够随着录制需求的变化进行功能升级和扩展，以便应对发展的需求。

2 课程制作系统设计

课程制作系统通过虚拟演播室技术，模拟多种真实的演播室场景，能够实现多场景的实时动态链接，解决传统演播室系统存在的场景单一问题，从而创造出逼真流畅、立体感强的电视演播室效果。在传统色键抠像技术的基础上，系统充分利用计算机三维图形技术和视频合成技术，提供虚拟背景和特效功能，可以从虚拟素材库里选择不同的背景场景，从而高效地制作视频课程。

课程制作系统在整体设计上遵循简单易用、方便灵活、易于操作的原则。在设计过程中将各个子系统划分为若干个单元，在每个单元都设置足够多的输入、输出路数，便于后期的扩展和升级。概括来说，课程制作系统主要由视频系统、虚拟系统、音频系统以及灯光系统四个部分组成。

2.1 视频系统

视频拍摄部分采用两讯道（SONY HDC-3500）4K 演播室摄像机。摄像机为4K CMOS 感光元器件结构，62 dB 信噪比设计，可以拍摄4K/高清/标清等多种格式视频，满足高质量视频拍摄需求。

视频系统输入有多个信号源，如两讯道4K 演播室摄像机信号、虚拟渲染信号、HDVP 跟踪信号及抠像信号等。考虑到产品兼容性，视频切换台采用SONY MVS-3000 视频切换台。切换台标配32路信号输入，确保所有信号源统一进入切换台进行信号调度，标配16 路可指派AUX 信号输出，可以将AUX信号指派给虚拟渲染服务器、录像机等设备。切换台具备2M/E 制作能力，每级M/E 带有PGM，PVW 和2CLEAN 输出，输入、输出形式多样。

视频信号通过虚拟渲染工作站和色键器抠像信号进行实时渲染合成，通过数字周边视频分配板卡，信号最终输出到录像机进行节目录制、存储。系统配备REDLINK 公司的专业录像机系统UltraMCR-4000，可以录制高清/标清等多种信号格式，支持录制信号直接输出至NAS 存储设备，满足非线性编辑工作站从NAS 存储直接读取、编辑素材的需求，有效减少素材拷贝工作流程。通过数字视频分配板卡以及视频切换台将多画面信号输出到技术监视器、监看大屏，方便导播实时监看不同景区的拍摄信号。视频系统整体架构如图1 所示。

图1 视频系统框图

2.2 虚拟系统

目前，主流的跟踪方式为网格跟踪或机械跟踪。网格跟踪具有虚拟定位快速、便捷、扩展性强且后期扩展无须增加硬件跟踪设备费用等优点[7]，但其精度比机械跟踪低。机械跟踪具有虚拟定位准确、精度高、可以拍摄特写等镜头、不受拍摄区域限制等优点，但是其虚拟定位操作较为复杂，而且后期扩展时需要重新购买机械跟踪设备，成本增加较多。本系统通过采用“网格+机械”组合的跟踪方式，可以合理避免网格跟踪精度不高，机械跟踪定位复杂、后期扩展成本较高的问题，同时利用两者优势，可以拍摄特写镜头，可以随时根据节目需要扩展拍摄机位，无须增加硬件成本。

虚拟系统采用以色列ORAD 公司的真三维高清虚拟演播室系统，包括摄像机跟踪、虚拟播控、虚拟渲染（图形渲染工作站）和场景制作、设计软件等。两通道高清有轨真三维虚拟演播室系统中，一个通道采用高承重云台可负载提词器结构，另一个通道采用远程遥控云台，可以在导控间对演播厅内的摄像机进行远距离遥控。

虚拟系统信号是由摄像机拍摄网格视频信号，经过网格捕捉服务器输出跟踪数据及摄像机遥控云台跟踪数据，数据信号输出到图形渲染工作站进行数据处理。同时，虚拟渲染工作站进行实时虚拟场景渲染，由色键器对画面人物进行抠像。图形渲染工作站将虚拟场景信号输出给色键器，色键器将抠像人物信号与虚拟场景信号进行合成，便得到最终的虚拟场景实时合成效果。虚拟系统整体架构如图2 所示。

图2 虚拟系统框图

2.3 音频系统

为了满足话筒拾音效果及使用美观方便需求，音频系统配备国际知名品牌SHUER 的专业级无线领夹话筒进行音源拾音。领夹话筒造型适合不同场景主讲人、领导佩戴使用，最终成像画面比较美观。

导控间、演播厅为相对独立空间（结构存在隔墙），同时环境中存在较多无线网络、无线通话、无线视频等信号干扰。对此，专门为无线话筒配备天线放大器、1/2 波长天线等设备。由无线话筒接收机天线进行信号放大并且延长至演播厅内，保证无线领夹话筒高品质音频信号稳定输出。

无线领夹话筒、录像机等音源输入至调音台，现场有多路音源信号需要调音台进行现场切换、调度等工作。该系统配备国际知名品牌YAMAHA 公司的01V96 数字调音台，具有24 位/96 kHz 音频解析能力、超高动态范围、16 个高性能麦克风前置放大器等，保证音频信号高品质调度、合成。经过数字调音台的信号调度处理，音频信号通过音频分配板卡输出至录像机，通过录像机完成视、音频信号加嵌处理，由录像机实时上传，最终，成片信号存储在NAS 阵列中。音频系统具备专业监听音箱以及监听耳机，导播可以实时监听PGM 音频信号。音频系统整体架构如图3 所示。

图3 音频系统框图

2.4 灯光系统

拍摄区域均匀布光是拍摄、抠像的首要条件。灯光系统中，背景光、顶光、侧光及部分面光光源均采用LED 柔光灯，照度均匀，光质柔软，对物体投像清晰，光影质量好。

灯光悬吊部分采用活动轨道和恒力铰链的悬吊方式。采用活动轨道悬吊方式，可以增强灯光的灵活性和可扩展性，保证多节目制作的灯光布局需求，能够使灯具前、后、左、右进行移动，实现灵活布光。为了满足主讲人的面部、下颌光源均匀，面光和侧光均使用恒力铰链。木制蓝箱表面采用ROSCO 5710 专用蓝色抠像漆，满足专业虚拟设备拍摄蓝箱视频画面色彩均匀度的技术要求。灯光系统整体布局如图4 所示。

图4 灯光布局图

3 课程制作系统应用实践

课程制作系统自2019 年10 月投入使用至今，已完成精品课程、线上直播、校园节目等多种课程形式的录制，取得了较好的成果。其特点是不受教学场地的限制、可以随时根据需求任意切换场景，从而满足不同视频制作的需求。此外，因其场景构建通过计算机软件执行，摆脱了空间、道具的约束，节省了人力、物力。制作好的场景均保存在计算机中，切换操作简便，缩短了课程制作时间，提高了课程制作效率。

3.1 精品课程录制

针对不同的课程类型，课程制作系统能够创造出演播厅、实验室甚至太空等真实存在或是现实中难以到达、不存在的授课情境，丰富教学内容，同时也能激发学生的学习兴趣。通过多机位摄像机的接入，PPT 课件等教学资源的引入以及二次处理美化，增加视频画面的层次感，使视频的可视性得到提高。录制的画面质量及声音品质有保障，搭配提词器、返看屏等设备，系统能够满足各类精品课程的拍摄和制作，提升了课程视频制作的质量。所具备的录播系统可进行多机位同步录制，不会出现音画不同步的问题，降低了后期制作的时间成本，极大地提高了课程制作的效率。

南京航空航天大学目前已经利用课程录制系统拍摄并制作了大量的微课、慕课等精品在线课程达360 余门，并上传至南京航空航天大学课程资源共享平台。其中，2021 年录制的14 个微课获得江苏省微课大赛的多个奖项。

3.2 线上课程及比赛支持

课程制作系统因其场地设计的多样化，也可应用于线上课程及比赛的录制和直播。通过搭载虚拟场景PGM 信号的输出，可将画面输出至计算机上的腾讯会议、ZOOM 等平台，进行实时远程观看，打破了学生学习空间的限制。

以线上课程《基于力学与解剖学原理，游泳-蛙泳腿部技术教学》的线上授课为例，如图5 所示，首先通过搭载虚拟场景的最终PGM 信号接入腾讯会议，将教师课程讲授的画面通过腾讯会议平台展示给学生，并可随时根据教学内容进行画面切换；其次，利用HDMI 采集卡接入显示屏，将腾讯会议中学生的画面再返回给教师，同时在虚拟场景中添加信号输入，将学生画面同步展示在教学视频画面当中，使师生同在一个画面里，从而增强线上线下的交互性，将教学过程完整地表现出来。此模式不仅打破了师生空间的壁垒，而且能吸引学生的注意力，激发学生的学习动力。本课程获得了2023 年江苏省高校教师创新大赛一等奖并入围国赛。

图5 利用虚拟演播室进行线上授课

3.3 校园节目录制

课程制作系统已具备较好的声音、照明、导播等专业设备。除了虚拟场景，系统也可以增加实际的讲台、桌椅，虚实结合，完成诸如《我说二十大》《防疫微讲堂》等节目的拍摄制作，如图6 所示。无须花费大量的时间、精力来搭设节目场景，节约了人力、资金，设计好的场景也可以保存在计算机中，重复利用，为学校制作校园节目提供了极大的便利。

图6 校园节目录制

4 结 语

超高清虚拟演播课程制作系统的建设，正逐步成为高校教育数字化建设的重要一环。采用虚拟演播室技术，可构造不同的场景，从而满足各种教学资源的制作需求，有利于节约制作成本，提高制作效率。此外，应充分挖掘其多方面的应用价值，同样在教学实践应用方面做好基础环境支撑，为师生创新思维和创意作品提供孵化地。