增強現(xiàn)實技術在演播室中的應用

王守寬

摘 要：增強現(xiàn)實技術已在電視節(jié)目生產的演播室中廣泛應用，它有別于傳統(tǒng)虛擬演播室，把真實與虛擬信息完美結合，增加了與虛擬信息的互動。本文解析了增強現(xiàn)實技術的實現(xiàn)原理，分析了增強現(xiàn)實技術在演播室中的應用原理和優(yōu)缺點。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；演播室；人機交互；虛擬演播室

增強現(xiàn)實技術在電視節(jié)目中的應用已經有很多的例子，演播室是增強現(xiàn)實技術應用的關鍵地方，也是亮點最多的地方。利用增強現(xiàn)實技術讓可以讓演播室有更強的時尚感和科技感，還能展現(xiàn)更多的信息內容，使觀眾能更輕松更愉快的看懂電視節(jié)目。增強現(xiàn)實技術在電視節(jié)目演播室中的應用將會是未來演播室的主流技術。

1 增強現(xiàn)實技術原理解析

在說增強現(xiàn)實（AR）前先說說虛擬現(xiàn)實（VR），虛擬現(xiàn)實Virtual Reality，簡稱“VR”，VR技術是采用以計算機為核心的技術，生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，從而產生身臨其境的感受和體驗。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱“AR”），也被稱之為“混合現(xiàn)實”，它是把虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)實景象疊加起來，所以增強現(xiàn)實是隨著虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展而產生的新技術，是一門綜合了圖像識別、運動捕捉、虛擬現(xiàn)實等學科的技術（如圖1）。能夠把圖片、多媒體、視頻、三維模型等虛擬信息和攝像頭拍攝的現(xiàn)實場景完美結合起來，并且能夠與這些虛擬信息進行交互。隨著科技的發(fā)展，計算機硬件的飛速提高，各行各業(yè)開始應用了增強現(xiàn)實技術，在軍事、醫(yī)療、電視、古跡復原和數(shù)字化文化遺產保護、科教、出版、旅游、展覽、娛樂、游戲、市政規(guī)劃等領域發(fā)揮出越來越重要的作用。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)中用到了3個關鍵技術：3D顯示技術、跟蹤和定位技術、人機交互技術。

1.1 3D顯示技術

3D顯示技術在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中是最出效果的部分，真實環(huán)境和虛擬信息的疊加最后在3D顯示這塊來展現(xiàn)給用戶，3D立體顯示原理主要是因人的兩只眼睛之間的視差導致兩眼分別看到的畫面有偏差，最后讓有視差的兩個畫面分別進入人的左、右眼睛，在大腦里反映出3D立體效果。此類設備有很多，適合增強現(xiàn)實的方法主要是戴3D眼鏡。

1.2 跟蹤和三維定位技術

跟蹤和三維定位技術要完成對位置與方位的檢測，就要用攝像頭或傳感設備，收集圖像或傳感數(shù)據(jù)傳輸給AR程序，AR程序進行大量計算，包括攝像機參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對象定位以及變形等，計算出真實的三維坐標參數(shù)，達到拍攝對象的真實坐標與計算出的虛擬環(huán)境中的坐標一致。這種三維定位技術目前常用的有兩種：計算機圖形圖像識別技術和傳感器硬件追蹤方式。

（1）傳感器硬件追蹤方式。主要是通過紅外跟蹤器、機械傳感器、超聲波等設備，獲取攝像機準確的位置和攝像機在拍攝時左右上下運動和角度的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)實中的攝像機坐標位置、角度和虛擬信息中的攝像機保持一致，從而達到準確三維定位。GPS、位移傳感器、加速度傳感器、角度傳感器是最基本的傳感器。

（2）計算機圖形圖像識別技術。計算機圖形圖像識別追蹤技術，由計算機圖像識別處理算法實現(xiàn)，首先用攝像機拍攝現(xiàn)實環(huán)境影像，再通過計算機軟件跟蹤解算數(shù)據(jù)，來提取并識別圖像中的運動信息或場景環(huán)境三維坐標信息，獲取攝像機與場景、目標物體之間的位置和方向。一般用此方法需要在場景中做些方便計算機識別的十字點或網(wǎng)格線標記，以提高準確性。

（3）計算機圖形圖像識別與傳感器硬件追蹤的結合定位方式。在硬件條件允許的情況下，結合圖像識別與傳感器運動捕捉技術的混合三維空間定位算法，可以更大程度發(fā)揮兩種技術各自的優(yōu)勢，從而提高增強現(xiàn)實系統(tǒng)應用的準確性和穩(wěn)定行，同時也能提高對環(huán)境的適應性。

1.3 人機交互技術

增強現(xiàn)實系統(tǒng)中在給用戶帶來最終體驗的時候，除了真實和虛擬結合外，還有個更重要的功能是真實環(huán)境中的人物可以與虛擬信息對象進行交互，擴展人們對真實世界的感知。

人機交互技術不再局限于傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標的交互方式，Leap Motion體感控制器和微軟公司Kinect體感動作識別能實現(xiàn)更加智能、更加直觀自然的人機交互方式。Kinect體感能更好地實現(xiàn)三維空間中的人機交互，其廣泛地擴展了增強現(xiàn)實系統(tǒng)的交互方式，極大地提高了增強現(xiàn)實的應用范圍。

2 增強現(xiàn)實技術在演播室中的應用

增強現(xiàn)實技術很早就已經被用于一些現(xiàn)場體育賽事的轉播特技上，如足球比賽現(xiàn)場轉播中虛擬越位線在場地上的實時展示。如今，各類型節(jié)目都在嘗試增強現(xiàn)實技術，不管哪種類型節(jié)目，只要用到增強現(xiàn)實技術，首先會考慮在演播室中的應用。

傳統(tǒng)虛擬演播室節(jié)目大家應該了解，與增強現(xiàn)實技術節(jié)目區(qū)別在于，傳統(tǒng)虛擬演播室是在藍箱里拍攝，拍攝完成后將主持人后面的藍色背景扣掉，再將無背景的主持人放在制作好的虛擬場景中。這樣會出現(xiàn)最終大面積的虛擬場景看起來不真實，主持人摳像邊緣不干凈，主持人服裝、裝飾不能和背景色相近等問題。[1]

從實現(xiàn)原理上來看，增強現(xiàn)實技術演播室和傳統(tǒng)虛擬演播室技術是相同的，都用到攝像機跟蹤技術和圖像實時渲染技術。不同的是增強現(xiàn)實演播室是在真實場景中融入虛擬信息，虛擬信息出現(xiàn)在真實場景和主持人的前面，來實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實的結合，不需要藍箱及摳像處理（如圖2）。增強現(xiàn)實技術演播室有兩個關鍵點：一個是定位，這也是增強現(xiàn)實中的跟蹤和三維定位技術研究的內容，通過定位來實現(xiàn)真實攝像機和虛擬攝像機之間的三維空間坐標定位，定位點準了就不會有破綻；另一個是高性能計算設備，圖像跟蹤大量數(shù)據(jù)的計算，真實場景和三維虛擬物體完美合成并且實時輸出，需要強大的虛擬引擎和渲染合成模塊，可以實時地將虛擬物體天衣無縫的疊加在相應的位置，使觀眾產生這個虛擬圖形是實際存在現(xiàn)場之中的幻覺。

增強現(xiàn)實技術下的演播室優(yōu)點，是將各種虛擬信息實時與實拍畫面融合展現(xiàn)在電視畫面中，還能夠實現(xiàn)虛擬信息與主持人之間的互動，虛擬信息則包含豐富的內容，如三維模型和動畫、多媒體、圖片、視頻、音頻等，提高節(jié)目的信息量。通過人機交互程序可以做到讓三維模型旋轉、縮放、移動，甚至變換顏色，多媒體可以通過揮手翻頁點擊等效果（如圖3），這將極大的提高節(jié)目真實度，在攝像機推、拉、搖、移的同時能夠保持實景與虛景的同步變化，從而實現(xiàn)虛實完美的融合。

貴州衛(wèi)視的《新聞延長線》節(jié)目中，就用到了增強現(xiàn)實技術手段增強新聞報道的說服力和感染力，讓新聞節(jié)目更加貼近觀眾（如圖4）。

增強現(xiàn)實技術演播室也有不足的地方：第一，對硬件要求非常高，主要體現(xiàn)在大量數(shù)據(jù)計算和實時渲染方面，這就要求cpu和顯卡必須是高配置。第二，對節(jié)目前期制作增加繁重的任務，節(jié)目中用到的虛擬信息必須在前期做完，并且多數(shù)內容為三維模型和三維動畫、多媒體等，三維制作是一個完全從無到有的過程，必須用軟件模擬出來。第三，在直播節(jié)目中的穩(wěn)定性不好，根據(jù)當前跟蹤器和軟件識別能力決定。第四，虛擬制作的內容在有效果質感上面的欠缺，并且主持人始終只能在虛擬信息的后面。第五，主持人與虛擬信息交互的時候手不能很精確地對準虛擬物體的位置。

3 結束語

雖然科技在飛速發(fā)展，增強現(xiàn)實技術也在不斷發(fā)展，虛實結合手法也在電視中廣泛應用，但增強現(xiàn)實技術在演播室中的應用還需要不斷完善。在以后真正的全息成像出現(xiàn)并普及時，增強現(xiàn)實技術將會有更大的變化，演播室功能將會更加完善和強大。

參考文獻：

[1] 廖欣葉.虛擬演播室系統(tǒng)的虛實結合技術分析應用[J].現(xiàn)代電視技術，2011（03）.