1、电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）1-5,9.Engineering，2 0 2 3,47（6)GONGJM,XUQF.Designandapplicationofdefinition virtual studio course production systemJj.Videoultra文献引用格式：龚京民，许沁菲.超高清虚拟演播课程制作系统设计与应用.电视技术，2 0 2 3，47（6）：1-5，9.VIDEOAPPLICATION&PROJECT电视投量ideoEngineering视频应用与工程中图分类号：TN948.1文献标识码：AD0I:10.16280/j.videoe
2、.2023.06.001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)摘要：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、表现形式少等问题。为了更好地解决相关问题，以南京航空航天大学超高清虚拟演播课程制作系统为例，阐述系统的整体设计要求、系统功能设计以及应用实践，希望能对高校虚拟演播课程制作系统在设计和搭建方面起到一定的参考和帮助，促进高校课程制作体系的共同发展。关键词：超高清；虚拟演播；课程制作Design and Application of Ultra High Definition Virtual
3、Studio Course Production SystemGONG Jingmin,XUQinfei(Information Technology Department,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:With the rapid increase in the number of course teaching resources construction and the continuous improvement of qualityrequirement
4、s,all colleges and universities are faced with problems such as high shooting intensity and few forms of expression.Inorder to better solve the relevant problems,this paper takes the ultra high definition virtual studio course production system of Nanjinguniversity of aeronautics and astronautics as
5、 an example to explain the overall design requirements,system function design andapplication practice of the system.It is hoped that it can play a certain reference and help to the design and construction of the virtualstudio course production system in colleges and universities,and promote the comm
6、on development of the course production system incolleges anduniversities.Keywords:ultra high definition;virtual studio;course production0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。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
7、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基金项目：江苏省现代教育技术研究2 0 2 2 年度智慧校
8、园专项课题（2 0 2 2-R-107195）。作者简介：龚京民（197 8 一），男，硕士，讲师，研究方向为教学信息化。E-mail：g o n g j m n u a a.e d u.c n。电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）ideoEngineeringIDEOAPPLICATION&PROJECT视频应用与工程的基础支撑环境。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。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
9、融人三维虚拟场景，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
10、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，O R A D，YA M A H A，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
11、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人、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
12、部分采用两讯道（SONYHDC-3500）4K演播室摄像机。摄像机为4KCMOS感光元器件结构，6 2 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。视频系统输人有多个信号源，如两讯道4K演播室摄像机信号、虚拟染信号、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SONYMVS-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人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信号指派给虚拟谊染服务器、录像机等设备。切换台具备2 M/E制作能力，每级M/E带有PGM，PVW和2 CLEAN输出，输人、输出形式多样
13、。视频信号通过虚拟染工作站和色键器抠像信号进行实时染合成，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。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
14、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3电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）IDEOAPPLICATION&PROJECT电视技ideo Engineering视频应用与工程摄像机1摄像机承托器演播厅返香屏慕墙视频拼接器摄像机2摄像机承托器监视器视频转换器虚拟遣染工作站11录像机数字周边视频切换台11虚拟控制工作站数字周边板卡非编系统1录像机摄像机控制器1摄像机控制器2虚拟系统存储阵列外源信号（预留）视频信号图1视频系统框图扩展时需要重新购买机械跟踪设备，成本增加
15、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、虚拟染（图形染工作站）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
16、到图形染工作站进行数据处理。同时，虚拟染工作站进行实时虚拟场景染，由色键器对画面人物进行抠像。图形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。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、录像机等音源输人至调音台，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0 1V96数字调音台，具有2 4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
