CN105376547A - 一种基于3d虚拟合成技术的微课录制***及方法 - Google Patents

一种基于3d虚拟合成技术的微课录制***及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***及方法，（1）利用人物采集处理模块对视频摄像设备拍摄的视频的人物进行抠像；（2）利用场景处理模块生成虚拟场景文件；（3）利用图像合成模块将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化；（4）利用视频录制控制模块将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制。本发明利用虚拟合成技术，可将人物虚拟到任意空间内，并在虚拟的空间内进行活动，利用此技术可实现老师和学生在固定场所下模拟出丰富的场景下的教学和实践。

Description

一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***及方法
技术领域
本发明涉及3D虚拟合成技术，尤其是应用在教学的基于3D虚拟合成技术的微课录制***及方法。
背景技术
“微课”全称“微型视频课程”，它是以教学视频为主要呈现方式，围绕学科知识点、例题习题、疑难问题、实验操作等进行的教学过程及相关资源之有机结合体。
“微课”作品特点：
1.“微课”核心资源是“微视频”（教学视频片段），同时可包含与该教学视频内容相关的“微教案”（教学设计）、“微课件”（教学课件）、“微习题”（练习测试题）、“微反思”（教学反思）等辅助性教与学内容。”时长一般为5分钟左右，建议不超过10分钟。
2.微课件的设计要求短小精悍，围绕重点的教学课件，并且有良好的压缩方式，最好是流媒体格式，便于网络传输达到共享的效果。
3.目前学校中实现课件录制的方式主要通过人工录制和课件录播***，这两种录制方式的特点是多机位的视频展现，和现场实况录制，录制的内容经过后期编辑和制作后作为教学资源来使用。但是如果面对微课件的制作这两种方式就不适合了，如果只为了几分钟的微课件制作，动用如此多的人力物力在目前的学校环境下可能有些勉为其难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***及方法，微课录制方法更简单，制作时间更短，制作成本更低，而且展现的内容更丰富。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***，包括：
用于对人物进行拍摄取像的视频摄像设备；
用于对人物进行收音的音频录入设备；
用于对视频摄像设备拍摄的视频进行人物抠像的人物采集处理模块；
用于生成虚拟场景文件的场景处理模块；
用于将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化的图像合成模块；
用于将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制的视频录制控制模块。
作为改进，***还包括在虚拟背景中***图片或视频的文件处理模块。
作为改进，***还包括对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中与背景进行合成显示的***界面捕抓模块。
为解决上述技术问题，本发明另一技术方案是：一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，包括以下步骤：
（1）利用人物采集处理模块对视频摄像设备拍摄的视频的人物进行抠像；
（2）利用场景处理模块生成虚拟场景文件；
（3）利用图像合成模块将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化；
（4）利用视频录制控制模块将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制。
作为改进，步骤（1）中，人物抠象基于颜色采样与平滑优化的方式实现，抠像方程式为：C=aF+(1-a)B，基于RGB三色的抠像方程为：Cr,g,b=aFr,g,b+(1-a)Br,g,b；其中r,g,b三色的色值，采用***实时采集的背景色的某一个像素点的色值，背景颜色采用与R(255，0，0)、G（0，255，0）、B（0，0，255）相近色值的颜色；在这个范围之外的像素作为前景，相应的Alpha通道值设为1，在这个范围之内的像素作为背景，相应的Alpha通道值设为0；平滑优化采用目标像素点的色值附近一定范围内的加权平均值，做为边缘优化的参照值。
作为改进，步骤（2）中，将3DMAX中设计的场景建模文件重新编译为以.ASE或.XND为后缀的场景执行文件。
作为改进，利用文件处理模块在虚拟背景中***图片或视频，包括：
1）PPT加载方式为：利用***的文档转换程序，将PPT文档格式转换成PNG、JPG、BMP的图片格式，在虚拟场景中显示和控制；
2）视频加载方式为：利用***的内建播放器对视频进行解码播放，支持视频格式包括avi、wmv、mp4，播放器控制功能包括播放、暂停、循环播放和快进。
作为改进，利用***界面捕抓模块对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中，与背景进行合成显示。
作为改进，步骤（4）中，虚拟背景下的3D立体视频生成方法：在视频合成后，复制生成另外一个图像，形成左右叠加视频输出，通过偏光式3D电视机进行播放，观看者通过佩戴偏光眼镜进行观看。
作为改进，步骤（4）中，利用视频录制控制模块生产压缩视频和流媒体视频。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
本发明利用虚拟合成技术，可将人物虚拟到任意空间内，并在虚拟的空间内进行活动，利用此技术可实现老师和学生在固定场所下模拟出丰富的场景下的教学和实践；对于微课程的录制，将计算机制作的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的老师讲课图像进行数字化的实时合成，使老师与虚拟讲台能够同步变化。老师讲解的PPT、视频、图片等资料可以以画中画的方式在场景中显示，并且可以对讲解的PPT进行注解和勾画，注解和勾画有四种颜色字体的变换，能够分类分别进行标注。同时老师可以根据课程需求***网页，以画中画的形式展现网页内容。老师需要展现word文档和Excel表格，同样可以***，并且能够将操作内容一起录制到课程视频当中。在这样的场景下进行课件录制，老师可以与所要讲解的课程场景进行良好的互动，录制出的课件生动、立体、趣味性强。
附图说明
图1为本发明***框架图。
图2为三维场景生产流程图。
图3为虚拟背景下的3D立体视频生成流程图。
图4为多文件格式与虚拟背景的全方位融合流程图。
图5为高清视频实时压缩和录制流程图。
图6为虚拟合成视频的流媒体推送流程图。
图7为本发明视频录制方法流图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***，录制的场景包括抠像蓝箱区域、教师操作桌面和一体式录制设备。录像场景可设于房间内，教师操作桌面与一体式录制设备相对，录制视频时，教师可以看到虚拟合成后的虚拟场景，有助于教师投入虚拟场景中进行授课。
本发明硬件框架包括：视频摄像设备、音频录入设备、软件运行服务器、视频显示设备、音频输出设备、网络设备。
1)视频摄像设备：使用摄像分辨率在1920×1080@25i的高清摄像机，视频信号输出方式采用HDMI或者HD-SDI。
2)音频录入设备：使用信噪比在50DB以下的有线话筒或者无线话筒，音频输出信号为6.5寸或者3.5寸。
3)软件运行服务器：服务器配置的推荐配置为，Z87芯片组主板，英特尔i7-4790CPU，8GBDDR31333MHZ内存，GTX960芯片组显卡，120SSD+2TBSATA硬盘，采集分辨率在1920×1080@25i的高清采集卡机，视频信号采集方式为HDMI或者HD-SDI，音频信号采集方式为RCA。
4)视频显示设备：分辨率为1920×1080@60P的显示器或者电视机。
5)音频输出设备：可通过软件服务器直接输出的包括有线耳机、有源音箱，也可通过调音台输出到功放音响设备和监听耳机设备。
6)网络设备：基于RJ45接口和TCP/IP网络协议的交换机、路由器、无线AP。
摄像机进行任务视频拍摄取像，通过摄像机的HDMI或HD-SDI输出至服务器采集卡信号采集接口；通过麦克风的3.5或6.5音频信号输出至采集卡音频采集接口。
服务器将人物图像与***生成的虚拟背景合成后，通过声卡将音频信号输出至调音台设备或直接输出至声音接收设备；通过高清显卡把虚拟合成图像输出至显示设备；通过TCP/IP网络协议和MMS流媒体协议经过网络设备传输至用户终端设备。
如图1所示，本发明微课录制软件***包括：人物采集处理模块、场景处理模块、图像合成模块、视频录制控制模块、控制虚拟机位、文件处理模块、***界面捕抓模块。如图7所示，基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，包括以下步骤：
（1）利用人物采集处理模块对视频摄像设备拍摄的视频的人物进行抠像；
（2）利用场景处理模块生成虚拟场景文件；
（3）利用图像合成模块将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化；
（4）利用视频录制控制模块将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制；
（5）利用文件处理模块在虚拟背景中***图片或视频；
（6）利用***界面捕抓模块对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中，与背景进行合成显示。
步骤（1）中，人物抠象基于颜色采样与平滑优化的方式实现，抠像方程式为：C=aF+(1-a)B，基于RGB三色的抠像方程为：Cr,g,b=aFr,g,b+(1-a)Br,g,b；其中r,g,b三色的色值，采用***实时采集的背景色的某一个像素点的色值，背景颜色采用与R(255，0，0)、G（0，255，0）、B（0，0，255）相近色值的颜色；在这个范围之外的像素作为前景，相应的Alpha通道值设为1，在这个范围之内的像素作为背景，相应的Alpha通道值设为0；平滑优化采用目标像素点的色值附近一定范围内的加权平均值，做为边缘优化的参照值。
在基于颜色采样的抠像a值的设定和优化方面，在抠像a值设定方面采用实时采集的背景色的某一个像素点的色值及附近一定范围像素点的加权平均值，在实际的操作过程中只需要将鼠标移动至目标背景色范围，点击鼠标，***就可以计算出a值，无需手动输入色值。
步骤（2）中，将3DMAX中设计的场景建模文件重新编译为以.ASE或.XND为后缀的场景执行文件，以这两种格式编译后的场景文件只能执行，并不含带原始的场景建模文件，但是可以对场景以视角的方式进行远近、旋转的控制，类似与摄像机变焦和云台的操作控制。
步骤（3）中，通过抠像前景和.ASE、.XND文件的合成，就实现了摄像机拍摄的人物在虚拟空间内的活动和变化。利用虚拟合成技术，可将人物虚拟到任意空间内，并在虚拟的空间内进行活动，利用此技术可实现老师和学生在固定场所下模拟出丰富的场景下的教学和实践。如图2所示，***导入三维场景以.ASE、.XND格式文件，三维场景通过xml配置文件自动读取识别三维场景内容。
步骤（4）中，录制的视频输出有三种：
1）如图3所示，虚拟背景下的3D立体视频生成技术：实现方式为***将在视频合成后，复制生成另外一个图像，形成左右叠加视频输出，通过偏光式3D电视机进行播放，观看者通过佩戴偏光眼镜进行观看。
2）如图5所示，高清视频实时压缩和录制（包括暂停续录功能）：利用WMV和MP4高清视频的压缩技术，可根据需求调整高清视频的压缩录制参数。***借用标准的WMV和MP4视频压缩算法，对***合成输出的视频信号进行压缩保存。暂停续录的实现方式为，在录制控制按键分为录制键、暂停键和停止键，当点击暂停键时压缩录制的视频文件暂时保存在主机内存中不写入硬盘，当再点击录制按键时在内存中的文件中继续压缩缓存，直致点击停止按键时才会将整个文件写入硬盘生成视频文件。
3）如图6所示，利用流媒体文件生成技术，将虚拟合成视频在压缩后实时利用MMS流媒体协议和TCP/IP网络协议进行传输，具体方法为在浏览器中键入：MMS://主机IP地址即可，MMS流媒体协议可以直接调用windows自带mediaplay播放器进行解码播放。移动终端在基于IOS和安卓操作***下安装VLC流媒体播放软件，都可获取流媒体视频文件并进行解码浏览。
如图4所示，步骤（4）和（5）实现多文件格式与虚拟背景的全方位融合：利用虚拟背景对多格式文件的实时捕捉和合成技术，虚拟背景的画中画屏幕空间内可显示如PPT、WORD、EXCEL、PDF、photoshop、3DMAX、画图、AfterEffects等众多文件格式的文件。
1）PPT加载方式为，利用***的文档转换程序，将PPT文档格式转换成PNG、JPG、BMP等图片格式，在虚拟场景中显示和控制。
2)视频加载方式为，利用***的内建播放器对视频进行解码播放，支持视频格式包括avi、wmv、mp4，播放器控制功能包括播放、暂停、循环播放和快进。
3)Windows自带软件和第三方程序（如：WORD、EXCEL、PDF、photoshop、3DMAX、画图、AfterEffects等）的加载方式为：***内建电脑桌面程序显示视频的捕捉功能，对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中，与背景进行合成显示。

Claims (10)

1.一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***，其特征在于，包括：
用于对人物进行拍摄取像的视频摄像设备；
用于对人物进行收音的音频录入设备；
用于对视频摄像设备拍摄的视频进行人物抠像的人物采集处理模块；
用于生成虚拟场景文件的场景处理模块；
用于将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化的图像合成模块；
用于将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制的视频录制控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***，其特征在于：***还包括在虚拟背景中***图片或视频的文件处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制***，其特征在于：***还包括对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中与背景进行合成显示的***界面捕抓模块。
4.一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用人物采集处理模块对视频摄像设备拍摄的视频的人物进行抠像；
（2）利用场景处理模块生成虚拟场景文件；
（3）利用图像合成模块将抠像前景与虚拟场景文件虚拟合成，实现视频摄像设备拍摄的人物在虚拟场景内的活动和变化；
（4）利用视频录制控制模块将人物在虚拟场景内的活动和变化进行视频录制。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：步骤（1）是基于鼠标点击获取数值的色键抠像算法：人物抠象基于颜色采样与平滑优化的方式实现，抠像方程式为：C=aF+(1-a)B，基于RGB三色的抠像方程为：Cr,g,b=aFr,g,b+(1-a)Br,g,b；其中r,g,b三色的色值，采用***实时采集的背景色的某一个像素点的色值，背景颜色采用与R(255，0，0)、G（0，255，0）、B（0，0，255）相近色值的颜色；在这个范围之外的像素作为前景，相应的Alpha通道值设为1，在这个范围之内的像素作为背景，相应的Alpha通道值设为0；平滑优化采用目标像素点的色值附近一定范围内的加权平均值，做为边缘优化的参照值。
6.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：步骤（2）中，将3DMAX中设计的场景建模文件重新编译为以.ASE或.XND为后缀的场景执行文件。
7.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：利用文件处理模块在虚拟背景中***图片或视频，包括：
1）PPT加载方式为：利用***的文档转换程序，将PPT文档格式转换成PNG、JPG、BMP的图片格式，在虚拟场景中显示和控制；
2）视频加载方式为：利用***的内建播放器对视频进行解码播放，支持视频格式包括avi、wmv、mp4，播放器控制功能包括播放、暂停、循环播放和快进。
8.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：利用***界面捕抓模块对软件的显示输出信号进行获取，视频信号对应输入到虚拟场景的显示框中，与背景进行合成显示。
9.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：步骤（4）中，虚拟背景下的3D立体视频生成方法：在视频合成后，复制生成另外一个图像，形成左右叠加视频输出，通过偏光式3D电视机进行播放，观看者通过佩戴偏光眼镜进行观看。
10.根据权利要求4所述的一种基于3D虚拟合成技术的微课录制方法，其特征在于：步骤（4）中，利用视频录制控制模块生产压缩视频和流媒体视频。
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