高校視頻教學(xué)中的虛擬演播室關(guān)鍵技術(shù)

章 峰，金巧芳

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，高校的教學(xué)方法在不斷創(chuàng)新和改變。視頻教學(xué)成為高校教學(xué)的重要方式之一。然而，傳統(tǒng)的視頻教學(xué)方式存在很多局限性，無法滿足教師和學(xué)生的需求[1]。為了解決這個(gè)問題，研究者提出了通過虛擬演播室來改善高校視頻教學(xué)的方法。虛擬演播室是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)環(huán)境，可以提供更加真實(shí)和交互性的教學(xué)體驗(yàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以模擬真實(shí)的教學(xué)場景，學(xué)生能夠感受到身臨其境的教學(xué)體驗(yàn)。同時(shí)，虛擬演播室還利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高清流暢的視頻傳輸，確保教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的視頻教學(xué)形式中，學(xué)生往往只能被動(dòng)接受教學(xué)內(nèi)容，缺乏互動(dòng)性和深入理解[2]。虛擬演播室可以通過虛擬互動(dòng)環(huán)境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過虛擬互動(dòng)環(huán)境，學(xué)生可以與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)，進(jìn)行深入理解和思考，提升學(xué)習(xí)效果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的推廣，虛擬演播室在高校視頻教學(xué)中將發(fā)揮越來越重要的作用。未來，虛擬演播室可能向教學(xué)資源共享、大數(shù)據(jù)分析等方面發(fā)展，為高校提供更加全面和個(gè)性化的教學(xué)服務(wù)。對(duì)虛擬演播室關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢的研究，可以為高校視頻教學(xué)提供創(chuàng)新的思路和方法，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

1 虛擬演播室概述

虛擬演播室是當(dāng)前高等教育領(lǐng)域的一項(xiàng)引人注目的創(chuàng)新技術(shù)[3]，基于虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、人工智能和5G 等先進(jìn)技術(shù)，為高校教育提供了嶄新的教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)[4]。虛擬演播室的核心概念是通過計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景和多媒體元素來模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，從而使學(xué)生能夠沉浸其中，積極參與學(xué)習(xí)過程[5]。虛擬演播室具有互動(dòng)性、實(shí)時(shí)性、多媒體豐富和時(shí)空彈性等特點(diǎn)。學(xué)生可以積極參與學(xué)習(xí)，隨時(shí)與教師和同學(xué)互動(dòng)。教育內(nèi)容包括視頻、音頻及圖像等多種多媒體元素，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的吸引力和多樣性。虛擬演播室的學(xué)習(xí)資源可以隨時(shí)隨地訪問，克服了地理和時(shí)間上的限制，提高了教育的可及性。虛擬演播室場景如圖1 所示。

圖1 虛擬演播室場景

2 基于虛擬演播室的高校視頻教學(xué)關(guān)鍵技術(shù)

在虛擬演播室拍攝時(shí)，場景上的角色和屏幕上的虛擬背景都被電視攝像機(jī)捕捉到，錄制的視頻由圖像協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行后處理，最終輸出視頻，系統(tǒng)框架如圖2 所示。虛擬演播室技術(shù)主要使用了虛擬場景設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬攝像頭跟蹤技術(shù)、虛擬摳像合成技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理技術(shù)。

圖2 虛擬演播室系統(tǒng)框架

2.1 虛擬場景設(shè)計(jì)技術(shù)

虛擬場景設(shè)計(jì)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和三維建模技術(shù)創(chuàng)建逼真虛擬教室、演播室等場景的技術(shù)，支持場景搭建和模塊調(diào)整，提供多樣素材和動(dòng)畫效果，滿足不同的教學(xué)主題和風(fēng)格需求。虛擬場景設(shè)計(jì)利用專業(yè)三維建模軟件，制作虛擬場景物體和元素，借助高效的3D 圖形渲染引擎，處理光照、陰影、紋理及反射等，提升虛擬場景的真實(shí)感和視覺效果，可模擬不同時(shí)間、天氣、季節(jié)條件和視角，通過動(dòng)畫編輯器或編程語言，為虛擬場景元素添加動(dòng)態(tài)效果。

2.2 虛擬攝像機(jī)跟蹤技術(shù)

虛擬攝像機(jī)跟蹤技術(shù)通過模擬虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)和視角，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的多角度捕捉和呈現(xiàn)，提高在線教育視頻的質(zhì)量和吸引力。虛擬攝像機(jī)跟蹤技術(shù)的原理涉及計(jì)算機(jī)視覺和3D 圖形渲染領(lǐng)域的知識(shí)。這些攝像頭的輸出圖像被輸入計(jì)算機(jī)，通過圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺算法來跟蹤實(shí)際物體的位置和運(yùn)動(dòng)，包括講師、學(xué)生或物品。一旦物體的位置和運(yùn)動(dòng)被跟蹤，虛擬攝像機(jī)可以根據(jù)這些信息生成虛擬相機(jī)的視角和運(yùn)動(dòng)路徑。這些虛擬攝像機(jī)的輸出可以與實(shí)際攝像頭的視頻流進(jìn)行融合，從而創(chuàng)造出具有多個(gè)視角的虛擬演播室環(huán)境。

2.3 虛擬摳像合成技術(shù)

虛擬演播室的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是虛擬摳像合成技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)支持將講師或演示者從實(shí)際拍攝背景中提取出來，與虛擬背景或圖像合成，以創(chuàng)造出沉浸感強(qiáng)、高度個(gè)性化的教學(xué)環(huán)境。虛擬摳像合成技術(shù)基于圖像分割、遮擋檢測和圖像合成等計(jì)算機(jī)視覺和圖形處理技術(shù)。這個(gè)過程需要考慮光照、陰影及透明度等因素，以確保合成后的圖像看起來自然且逼真。在合成過程中還需要進(jìn)行遮擋檢測，以確保演示者與虛擬元素之間的交互較為自然，不會(huì)出現(xiàn)不一致或沖突。

2.4 基于深度學(xué)習(xí)的圖像協(xié)調(diào)技術(shù)

隨著深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的成功，一些基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理方法已經(jīng)被開發(fā)出來。端到端深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在圖像協(xié)調(diào)過程中同時(shí)捕獲復(fù)合圖像的上下文信息和語義信息，將其加入基于多重高清屏幕的虛擬演播室系統(tǒng)，利用拍照技術(shù)拍攝來自現(xiàn)實(shí)世界的場景作為背景。該系統(tǒng)以全景視頻為背景，利用多個(gè)高清屏幕在演播室中重現(xiàn)場景。

3 虛擬演播室的現(xiàn)狀

信息技術(shù)的發(fā)展和教育改革的深入，促進(jìn)了高校教學(xué)模式的創(chuàng)新和變化。在這一過程中，虛擬演播室技術(shù)作為一種新興的教學(xué)工具和平臺(tái)，逐漸被越來越多的高校采用，用于錄制和直播課程，以提高教學(xué)質(zhì)量和效率。目前，國內(nèi)外許多高校已經(jīng)建設(shè)了虛擬演播室，并將其應(yīng)用于精品課程、微課及慕課等的制作和直播。例如，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院建立了虛擬演播室教學(xué)平臺(tái)，利用虛擬演播室技術(shù)進(jìn)行電子信息工程專業(yè)的教學(xué)和科研。該平臺(tái)由虛擬演播室系統(tǒng)、視頻編輯系統(tǒng)及視頻點(diǎn)播系統(tǒng)3 個(gè)部分組成，可以實(shí)現(xiàn)多種教學(xué)模式，如錄制教學(xué)視頻、直播網(wǎng)絡(luò)課堂、展示科研成果等，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量和效率，而且促進(jìn)了教師和學(xué)生之間的互動(dòng)和溝通。

虛擬演播室已經(jīng)在高校教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在一些問題和挑戰(zhàn)。一方面，虛擬演播室的建設(shè)成本較高，需要專業(yè)的設(shè)備和人員，不利于普及和推廣。例如，虛擬演播室的設(shè)備包括高清攝像機(jī)、跟蹤系統(tǒng)、摳像系統(tǒng)、合成系統(tǒng)及音頻系統(tǒng)等，這些設(shè)備的價(jià)格都不低，而且需要專業(yè)的安裝和維護(hù)。另一方面，虛擬演播室的使用效果受到技術(shù)水平和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，需要不斷地優(yōu)化和更新，以適應(yīng)不斷變化的教學(xué)需求。

4 虛擬演播室的發(fā)展趨勢

4.1 虛擬演播室+人工智能的智能導(dǎo)播技術(shù)

人工智能技術(shù)可以使虛擬演播室的導(dǎo)播功能更加智能化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的課程錄制，根據(jù)課程主題、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)方法等信息，自動(dòng)生成合適的虛擬場景和視頻特效，為教師和學(xué)生提供更加生動(dòng)、有趣、互動(dòng)的課程體驗(yàn)。例如，如果課程主題是自然科學(xué)，人工智能技術(shù)可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，自動(dòng)選擇相關(guān)的自然現(xiàn)象和物理模型如地震、火山、太陽系等作為虛擬背景和道具，讓教師和學(xué)生仿佛親臨現(xiàn)場。教師在講解某個(gè)重點(diǎn)時(shí)，語速加快、聲音提高、眼神注視，人工智能技術(shù)可以自動(dòng)切換到近距離特寫鏡頭，突出教師的表情和語氣。

4.2 虛擬演播室+云計(jì)算的云端課程技術(shù)

云計(jì)算是一種通過網(wǎng)絡(luò)提供可按需使用的共享計(jì)算資源和服務(wù)的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、靈活和可擴(kuò)展的計(jì)算服務(wù)。云計(jì)算技術(shù)使得虛擬演播室的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)可以部署在云端，為用戶提供統(tǒng)一的接入平臺(tái)和管理界面，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的課程錄制。用戶無須購買昂貴的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，只需通過網(wǎng)絡(luò)連接到云端平臺(tái)，就可以使用虛擬演播室的各項(xiàng)功能。云計(jì)算技術(shù)還能夠根據(jù)用戶的需求，動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整計(jì)算資源和服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)高性能、低成本和高可靠性的課程錄制。用戶可以根據(jù)課程的復(fù)雜度、時(shí)長及質(zhì)量等要求，選擇合適的計(jì)算資源和服務(wù)如中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）、內(nèi)存及帶寬等，以達(dá)到最佳的課程錄制效果。

5 結(jié)語

隨著不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，智能導(dǎo)播、云端課程和移動(dòng)課程等趨勢將進(jìn)一步提高教育的靈活性和質(zhì)量，使學(xué)習(xí)變得更加便捷和互動(dòng)。虛擬演播室技術(shù)的發(fā)展必將繼續(xù)推動(dòng)教育領(lǐng)域的創(chuàng)新，為學(xué)生和教育者提供更多的工具和資源，以適應(yīng)不斷變化的學(xué)習(xí)環(huán)境。