浅谈微课制作中的虚拟现实技术

张　玄，刘清毅，任乃宾

(陕西广播电视大学 资源建设与现代教育技术中心， 陕西　西安　710068)



【远程教育】

浅谈微课制作中的虚拟现实技术

张玄，刘清毅，任乃宾

(陕西广播电视大学 资源建设与现代教育技术中心， 陕西西安710068)

[摘要]微课程是微型学习的一种具体形式，主要以短时视频为载体记录微型化的教学内容，是对传统教学模式的革新。借助微课程可以有效利用碎片化时间进行随时随地学习，有助于形成新的学习理念。本文对虚拟现实技术在“微课”制作中的运用进行探讨，以期使学生掌握知识动态编辑和知识系列重组的特性，进而解决“微课”制作中存在过分简化知识表征的现象。

[关键词]“微课”；虚拟现实；制作技术

“微课”是运用建构主义方法以在线学习或移动学习为目的的实际教学内容。“微课”以视频为主要载体，记录教师在教学过程中围绕某个知识点(重点难点疑点)或教学环节而开展的精彩教与学活动全过程，并且在有限的时间内追求教学内容呈现效果的最大化。在“微课”制作中要避免“微课”存在着过分简化知识的表征倾向，要充分发挥现代信息技术的优势，制作将视频、字幕、交互式问答等融为一体的在线师生自由编的动态性、开放性“微课”。因此，将虚拟课堂技术应用于“微课”制作，使学生掌握知识动态编辑和知识系列重组的特性，是解决“微课”制作存在过分简化知识表征的有效方法。

一、虚拟课堂技术

虚拟课堂技术是一种基于虚拟现实的视频课程制作技术，其原理是将摄像机摄取的真实影像与计算机设计的三维虚拟背景空间相融合以形成新的视频图像。虚拟课堂系统的关键在于如何产生虚拟背景并将其与前景融合.它通常包括三维虚拟场景制作、摄像机跟踪、虚拟背景生成、图像合成等关键技术。

1. 虚拟场景的建模。

在虚拟的三维背景图像生成以前必须先对三维虚拟场景中的各个物体进行建模。制作人员可以通过3DMax、Maya、Soft Image、Alias、Flame等计算机三维建模工具对实体体建模。这些工具大都提供了物体精确的几何描述，从而可以使所建立的对象不仅在形体上与真实对象酷似，而且在形态、光照、质感等方面都十分逼真。

2. 摄像机的跟踪。

摄像机的跟踪主要采用两种处理方法一是机械传感器法，二是图形识别法。在基于传感器的系统中，前景摄像机相关参数由摄像机上装备的电子机械传感器来获取。 采用图形识别的系统则过处理摄像机来的视频信号从图像的变化上来确定摄像机的位置。 此外摄像机的确切位置和位移也可以通过激光、超声波、红外线以及其他信号装置来测量。

3. 背景的生成。

一个三维虚拟场景需要大量的计算工作来处理运动和再生背景图象序列。在实时播出课程时既要求色键控制器中的跟踪以及图像合成都必须实时完成还要保证广播级的图像质量。这就需要像SGI Onxy一类的高级建模工作站才能完成。

4. 图像的合成。

在合成之前首先要把前景图像中的人物图像提取出来才可以使用传统的抠像技术分离人物图像和蓝色背景。由于前景图像要与最终的三维背景相合成所以必须考虑前景图像的深度信息。深度是指背景和前景演出人员的各像素到摄像机的距离所以这里的合成又可以成为深度合成。当景的深度值小于背景的深度值则输出前景图像，否则输出背景图像。

二、虚拟课堂的原理

在虚拟课堂中，教师一般是在呈“U”型或“L”型的蓝箱里讲课，实际的、或“真实”的前景摄像机对其进行拍摄，背景图像(画面装饰、道具和风光布景)大都是三维立体图，由制作人员预先用计算机生成(即预先着色好)，前景与背景图像在传输或录制过程中混合。这种合成图像的制作方式即被称为“虚拟”。故此，这种图像摄录系统也被称为“虚拟摄像机”，与传统的蓝幕色键技术截然不同的是，虚拟课堂技术中的真实摄像机(前景图像)与虚拟摄像机(产生背景图像)始终保持同步互锁，为此，必须对真实摄像机的以下参数进行确定：

(1)蓝箱的X、Y、Z坐标值。

(2)摄像机的俯仰、摇移以及可旋转角度的数值。

(3)镜头的焦距和聚焦。

然后，真实摄像机的所有上述参数都送入计算机分析，系统对与前景图像相关的虚拟背景图像发出控制指令。最后，录有表演者和真实道具的前景图像与计算机生成的背景图像在色键控制器里合成为一幅画面，传送至视频切换台输出。由此可见，虚拟课堂系统可分解为三个部分：摄像机跟踪部分、计算机虚拟场景生成部分及视频合成部分。

1．摄像机跟踪部分。

摄像机在拍摄过程中有平移X、纵移Y、高度移Z、水平角、俯仰角、镜头变焦Z00M，聚焦FOCUS等变化，这些参数的改变会引起所摄图像视野与视角的改变，为了模拟人物所在的三维环境，计算机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正是收取摄像机的位置信息和运动数据，实时的跟踪真实摄像机，以保证前景与计算机背景“联动”。由于这种“联动”是以高速计算机运算的结果，而这种运算永远是存在着一个运算时间，所以这种“联动”是有时间差的。只是设计者保证使这种时间差在一个人眼不易察觉的范围之内，因此要求前景摄象机只能在一个有限的速率内改变位置参数。 目前虚拟课堂的摄像机跟踪系统主要有以下几种方式。

(1)基于传感器的系统。 该系统通过安装在摄像机各部分的机械传感器来获取各种信号参数， 平面X、Y位移传感器，一般有光电式、机械式和导轨式等几种，光电式属非接触型，误码率低，连续性好，且摄像机移动不受限制，但必须在摄像机移动通道地面画上格点，以便识别。机械式属接触型，由一个与地面相摩擦的圆球带动水平、垂直两个方向的光电码盘，光电码盘送出X、Y数据，此方式摄像机移动也不受限制，但使用时间长了易产生误差。导轨式误码率低，且必须铺设轨道，使摄像机的移运受到一定的限制。 高度位移Z传感器，一般安装在升降机上，随升降机的运动检测Z信号。 水平角度和俯仰角度传感器安装在摄像机云台上，并分别与云台的水平转轴和垂直转轴连动。 聚焦Focus和变焦Z00M传感器，则附于镜头的聚焦齿轮和变焦齿轮处。 该系统速度很快，方法较为简便直接，是目前虚拟课堂最常用的摄像机跟踪方式，但该方式的缺点在于摄像机参数精度不高，限制了摄像机的运动，系统的标定很麻烦等等。

(2)基于图形分析系统。该方式需要把一个精确的网络图案以两种不同的蓝色形状绘制于蓝背景上，通过摄像机识别这种图案并与计算机跟踪软件及硬件，预先确定的模型进行对比，以确定物体与虚拟背景的透视关系及距离。 该系统精度较高，无需镜头校准，同时摄像机可以不同轨道进行运动，但该系统在对蓝色网格图案制作色键过程中的阴影很难处理，很难保持良好的键的质量，摄像机拍摄不能垂直于蓝色网格图案，必须偏离30度角以上，否则不能准确定位，而且摄像机必须同时观察4个网格点以保持跟踪，这就不可能对人物进行特写镜头的拍摄，摄像机必须缓慢移动以避免跟踪混淆引起跳帧。还有一点，此系统需要额外的工作站把网格坐标信息转换为摇移，俯仰及变焦坐标信息供图形计算机使用，这样图案辨识的延时有时高达8至12帧。鉴于上述须待解决的若干问题，网格识别方案在目前的虚拟课堂系统中使用的不多。

2．计算机虚拟场景生成部分。

虚拟课堂的场景是计算机绘制的图形，计算机绘图有二维和三维之分，因而虚拟场景也有二维和三维之分，二维场景没有厚度，只是一个平面图形，所以二维虚拟场景只能作为背景平面，出现在真实人物的后面，而三维虚拟场景中的景物具有Z方向的厚度，是立体的，以背景中的一个长方体为例，长方体是一种六面体，其底面和背面一般是看不见的。然而随拍摄角度的不同，有可能看见其正面，侧面和顶面。在计算机中应保存其正面、侧面和顶面的图像，实际上，在计算机内，其正面、侧面和顶面的图像都分解为像素的形式，保存在存储器中，当摄像机处于任意的角度位置时，计算机即进行计算，获得相应的画面。同时，三维的场景中，虚拟景物既能作为讲课教师的前景出现，也能作为背景出现。这样在视觉效果上更具纵深感，更加真实。显然对于计算机的运算能力、运算速度提出了很高的要求。当然还必然进一步考虑许多细节问题，比如灯光和阴影的问题，当摄像机改变其取向位置时，根据照明条件，阴影部分将发生相应的变化，背景画面应该能够反映出这种变化。

3．视频合成部分。

虚拟课堂系统视频合成的基本技术是色键器抠像，摄像机拍摄的蓝幕布前的真实景物，通过色键器进行抠像处理，与计算机生成的虚拟场景合成一个画面。

(1)深度合成技术。虚拟课堂的一个基础就是前景和背景合成的时候，前景的演员可以被背景的内容覆盖，为了做到这一点，一般都采用深度合成技术。所谓深度就是前后关系，这一种技术要考虑两路键信号的深度信息，就可以让背景的内容在演员前面。这不同于二维图像的层技术。因为是三维图像的各像素都带有深度信息，而且各像素还有与摄像机的距离的信息，由这两部分的信息决定前景和背景的像素的可见性。在实时生成的时候，高性能的终端通常使用一个深度缓冲区来贮存像素的深度值，但是在常规演播室里面，实际信号是没有深度信息的。而且也没有一个方法能够实时的赋予前景信号以深度信息，可以采用一个估计值，即估计摄像机与演员之间的距离，前景信号通过色键抠像得到演员部分的信号，先与背景作常规意义上的合成，得到色键序列值，这一部分确定了前景在背景中的位置，再由深度值来进行前后关系的调整，最后输出的深度键值序列就确定了前景和背景的可见性，能够按常规方法合成。

(2)同步技术。要使前景和背景天衣无缝的合成，既要让两个摄像机的参数保持一致，还要让两个摄像机同步，因为当进行实时合成时，前景信号的每一帧是与背景信号的对应帧合成。背景信号因为摄像机跟踪系统和实时生成都要耗费时间，所以要让前景信号延时来保证与背景信号的同步合成。

三、虚拟现实技术在微课制作中的应用

虚拟现实技术作为一门综合性信息新技术，目前较为成熟的是虚拟课件技术系统。虚拟课件系统可在视频课程的直播期间，将与课程有关的虚拟课件插入到课堂中，或用虚拟课件替换掉课堂上原有的板书内容，合成后可达到以假乱真的效果。同时，课堂上的可以运用二维或三维的动态形式吸引学习者的注意力。在这样的技术系统中，板书和课件的位置、尺寸不再有任何限制，设置的空间亦可以随心所欲。

1.制作三维网络课件。

在教学中，基于HTML的网络课件在不断地发展完善，但却始终不能摆脱二维平面的约束。在课件中加入虚拟现实技术，能挣脱这一枷锁。将虚拟现实和文字、声音、图片、视频等各种媒体有机结合，可以弥补二维平面课件的不足。VRML可以设计各种三维的模型、物质结构等，让学生多角度地观察和学习，更好地理解学习内容。如学习物理知识时，利用虚拟现实技术，向学生展示原子核裂变、半导体导电等复杂的物理现象，供学生观察学习。

2.开设网络实验课程

虚拟实验在网络教育中有着巨大的优势，它可以弥补远程教学条件的不足。利用虚拟现实技术，还可以建立各种虚拟实验室，如物理、化学、地理、生物等实验室，在“实验室”里，学生可以自由地做各种实验，获得真实的体验。学生还可以通过虚拟实验验证所学的各种理论知识，提出各种假设模型进行虚拟，并通过虚拟系统观察这一假设所产生的结果或效果。例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设设计某一化学反应，通过虚拟实验，可以看到相应的反应现象。通过这种探索式的学习方式，可以培养学生的学习兴趣，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

3.建构虚拟教室。

目前，在网络教育中，学生大部分是通过网络课程来学习的。学习时，学生能在网页上看到课程的相关文字材料和图片视频。但是不管是文本还是视频，师生之间都缺乏一种灵活的交互。应用虚拟现实技术，构建虚拟教室，能使这个问题得到一定程度的解决。虚拟教室是指运用分布式虚拟现实技术构造的一个虚拟真实的教学环境，分布在不同地方的学生，可以通过网络参与到虚拟课堂中。虚拟教室模拟了真实多媒体教室的整个场景，是师生共同活动的一个空间，在这里，可以完成教学、答疑等各种教学活动。借助网络通讯技术，视音频采集、处理技术以及交互代理等技术，参与到课堂的各个对象可以看到彼此，学生可以看到老师的板书，听到他的讲解。教师也能看到学生的表情和动作，可以听到学生的提问，并随时解答。这种教学方式，可以增强师生之间的实时互动，激发学生的学习兴趣，提高教学效率。

[责任编辑张宇龙]

Introduction to the Virtual Reslity During the Production of Micro Courses

Zhang Xuan，Liu Qingyi，Ren Naibin

(Shaanxi Radio and TV University，xi'an 710068))

Abstract：Micro course is a specific form of the micro study，which is mainly on the carrier of short-term video to record the miniaturized teaching content,It is the innovation of traditional teaching mode. With the help of micro course it can be effective to use fragmented time for learning anytime and anywhere，and helps to form the new learning idea. In this paper， the virtual reality technology in class "micro Micro course " production were discussed， and the paper provides students with the knowledge of dynamic editing and the features of knowledge series of restructuring， then solves the problem of simplification of knowledge representation during the production of micro Course.

Key words：Micro course；Virtual reality；Manufacturing technology

[中图分类号]G434

[文献标识码]A

[文章编号]1008-4649(2016)01-0030-04

[作者简介]1.张玄(1976—)，河南省西平县人，文学硕士，陕西广播电视大学资源建设与现代教育技术中心副教授。 2.刘清毅(1977—)，陕西省铜川市耀县人， 陕西广播电视大学资源建设与现代教育技术中心工程师。 3.任乃宾(1956—)，山西省永济市人，陕西广播电视大学资源建设与现代教育技术中心主任，高级讲师。

[收稿日期]2015-08-31