增強現(xiàn)實技術(shù)在電視節(jié)目中的應(yīng)用分析

李 瑩

（山東廣播電視臺，山東 濟南 250000）

0 引 言

增強現(xiàn)實技術(shù)作為現(xiàn)階段新興技術(shù)，擁有人機接口、現(xiàn)實空間的仿真模擬工具，發(fā)揮出較強的技術(shù)作用，展現(xiàn)出超強的技術(shù)潛力。增強現(xiàn)實技術(shù)成功整合了人工智能、CAD制圖、空間仿真以及數(shù)據(jù)訓(xùn)練等多種技術(shù)，以城市鏡頭為代表性應(yīng)用，此應(yīng)用程序集合了購物推薦、景點導(dǎo)航、商戶介紹等多個平臺。將AR技術(shù)融合于電視節(jié)目中，可以增強畫面質(zhì)量，加強多個平臺資料展示的同步性，具有重要研究價值。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

1.1 技術(shù)功能

增強現(xiàn)實技術(shù)利用攝像功能，借助攝像頭的自由度，動態(tài)獲取攝影資料，在虛擬空間中收集資料，形成虛擬與現(xiàn)實數(shù)據(jù)信息的交互。增強現(xiàn)實技術(shù)具有連接虛擬空間與真實事物的技術(shù)優(yōu)勢，對視覺、音頻、味覺等信息，借助智能科技進行仿真疊加，在真實環(huán)境中融合虛擬資料，形成較強的感官體驗。增強現(xiàn)實技術(shù)整合了多媒體、立體模型、監(jiān)控科技、傳感器、動態(tài)跟蹤、場景疊加等技術(shù)，能夠為人們創(chuàng)設(shè)全新的感知環(huán)境。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

增強現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出三個技術(shù)優(yōu)勢：真實環(huán)境與虛擬空間的數(shù)據(jù)連接，虛擬與現(xiàn)實兩個環(huán)境數(shù)據(jù)的動態(tài)交互，在立體空間中，給出了虛擬物質(zhì)的真實定位信息，因此在軍事、醫(yī)療、影視等多個領(lǐng)域獲得了廣泛使用。在電視節(jié)目中使用增強現(xiàn)實技術(shù)，能夠提升體育賽事視頻的畫面疊加效果，便于觀眾實時觀看比賽，及時接收各類輔助資料，提升賽事觀看的體驗感，增加賽事資料接收的全面性。因此，以電視節(jié)目為視角研究增強現(xiàn)實技術(shù)的使用方法，具有較高的研究價值。

1.3 跟蹤技術(shù)應(yīng)用

1.3.1 普通顯示中的跟蹤技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)有多種數(shù)據(jù)交互形式。AR系統(tǒng)的顯示可劃分為普通顯示和頭盔顯示[1]。普通顯示方案在技術(shù)運作時依賴于真實環(huán)境中添加的攝影設(shè)備，由傳感器反饋數(shù)據(jù)資料，進行數(shù)據(jù)動態(tài)跟蹤，是現(xiàn)階段電視節(jié)目的常用方案。

1.3.2 攝影平臺組成

傳感器負(fù)責(zé)采集影像資料，獲取動態(tài)數(shù)據(jù)時依賴于攝影平臺。攝影平臺的物理組成包括：腳架，用于攝影設(shè)備支撐；搖臂，用于調(diào)整攝影角度與方位；軌道，從水平方向移動攝影設(shè)備位置；牽引，從豎直方向調(diào)整攝影設(shè)備位置。平臺各結(jié)構(gòu)的運行以機械齒輪、液壓系統(tǒng)為力量驅(qū)動，確保攝影運行的平穩(wěn)性。

1.4 SLAM算法

1.4.1 算法簡介

光學(xué)跟蹤技術(shù)以SLAM算法為技術(shù)中心，能夠?qū)?shù)據(jù)位置、真實物理地圖進行資料同步。比如家用智能清掃設(shè)備是SLAM算法的代表應(yīng)用。此種同步技術(shù)對真實環(huán)境進行多次觀測，捕獲環(huán)境特征，鎖定自身位置，調(diào)整自身姿態(tài)。與此同時，依據(jù)自身所在方位，補充周邊環(huán)境虛擬信息，形成增量式地圖，達成相同時間內(nèi)位置鎖定、地圖信息采集的目標(biāo)。

1.4.2 算法類型

SLAM技術(shù)包含傳感器和視覺兩種類型。傳感器類型主要使用激光雷達，技術(shù)較為成熟。視覺類型的算法有多種計算方案，如單目、雙目等。單目視覺計算方案使用一組攝影頭進行目標(biāo)物的信息采集，在信息采集時會降低圖像立體信息的真實性。因此，單目相機需要持續(xù)拍攝，確保各時段采集圖像信息的動態(tài)性，以獲取各時段的影像方位。雙目視覺計算方案使用兩組攝影頭，與3D特殊眼鏡相似，采取兩組攝像頭的成圖對比方式獲取攝影頭的相對位置。視覺方案在實際使用時，均需建立在充足數(shù)學(xué)特征的基礎(chǔ)上。數(shù)學(xué)特征以相鄰圖像屬性為基礎(chǔ)，一般包括角點、邊緣點、暗區(qū)亮點、亮區(qū)暗點等。相比圖像識別技術(shù)，深度圖像攝像頭在紅外線幫助下能夠有效接收返回的紅外線，獲得發(fā)出與返回兩個紅外線的相位差，間接判斷物體深度。在獲取深度信息后，準(zhǔn)確推算相機的運動長度。

結(jié)合SLAM的技術(shù)優(yōu)勢，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)整合了多種ALAM技術(shù)，確保攝影結(jié)果的精準(zhǔn)性。

1.5 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

1.5.1 校準(zhǔn)方法

為保證立體虛擬結(jié)構(gòu)與真實環(huán)境的契合效果，需進行真實與虛擬兩個坐標(biāo)的比對。此時，進行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)較為關(guān)鍵。跟蹤設(shè)備啟動時，以FreeD協(xié)議為基礎(chǔ)，傳送攝像機方位、鏡頭兩組參數(shù)，確保渲染端接收數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)校驗前期，明確跟蹤設(shè)備的初始位置與坐標(biāo)點位，結(jié)合立體場景的坐標(biāo)參數(shù)，測量出跟蹤設(shè)備與虛擬場景之間的參數(shù)偏差。計算位置偏差量時，以立體場景的各項坐標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)資料，此時跟蹤設(shè)備的坐標(biāo)零點參數(shù)對應(yīng)于場景坐標(biāo)參數(shù)。

1.5.2 校準(zhǔn)實例

假設(shè)虛擬空間中零點位置處于舞臺前方中心點位，攝像機與中心點位存在多種參數(shù)的位置偏差，包括水平、豎向深度、高度等，對于位置偏移量進行準(zhǔn)確測量。在數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與調(diào)試時，坐標(biāo)3個方向的參數(shù)值較為關(guān)鍵，可以確保虛擬與現(xiàn)實兩組坐標(biāo)校準(zhǔn)效果，確保AR物體與周邊環(huán)境有效貼合。較為關(guān)鍵的是，各類設(shè)備與軟件在真實坐標(biāo)系中的界定具有差異性。如部分搖臂高度設(shè)定為Z軸，在虛擬空間中高度參數(shù)對應(yīng)的是Y軸。兩個軸參數(shù)在轉(zhuǎn)化時，需使用FreeD協(xié)議，確保參數(shù)轉(zhuǎn)化效果，減少參數(shù)偏差問題。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時需要明確真實物體與虛擬空間坐標(biāo)軸的設(shè)定差異，確保數(shù)據(jù)校準(zhǔn)質(zhì)量[2]。

2 SLAM技術(shù)融合電視節(jié)目的應(yīng)用

2.1 春晚節(jié)目

2019年春晚節(jié)目中，節(jié)目制作組在斯坦尼康、搖臂處使用AR鏡頭，借助虛擬鏡頭的自由性，成功捕獲室外空間影像信息。在增強現(xiàn)實技術(shù)融合中，攝像設(shè)備云端添加兩組鏡頭，對目標(biāo)場景進行全方位掃描，提取區(qū)域中的場景特征屬性，構(gòu)建成環(huán)境點云模型。在攝像機移動位置時，兩組鏡頭同步調(diào)整位置，獲取相鄰時刻中點云的位置差異，校準(zhǔn)相機所在方位。

2.2 文物展示節(jié)目

在文物展示節(jié)目中，可以使用SLAM模塊，借助增強現(xiàn)實技術(shù)，進行兵馬俑等文物的虛擬展示。首先，對真實兵馬俑立體參數(shù)搭建成的模型進行壓縮處理，數(shù)據(jù)包被壓縮成10 MB左右大小。其次，提取數(shù)據(jù)包紋理特征。最后將其用于虛擬文物展示。借助紋理特征的虛擬描述，以SLAM算法獲取文物方位，確保模型繪制的全面性，增強文物展示的真實感。

3 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)融合電視節(jié)目的應(yīng)用

在電視節(jié)目有序發(fā)展中，虛擬角色的制作科技、制作流程處于逐步完善的狀態(tài)，相應(yīng)增加了數(shù)據(jù)校準(zhǔn)技術(shù)的使用需求。以某卡通電視節(jié)目為例，卡通欄目以少兒為主要目標(biāo)收視群體，此群體對虛擬動畫具有較高的追求心理，由此提升了卡通角色的設(shè)計任務(wù)量[3]?？ㄍㄐ蜗篼溸沂悄晨ㄍ娨暤拇越巧?，在多個頻道、欄目宣傳視頻中，進行虛擬人物的融合制作。以《飛行游樂園》為活動主題，對卡通角色麥咭進行處理，確保節(jié)目展示的增強現(xiàn)實效果[4]。

3.1 技術(shù)使用需求

在麥咭虛擬形象正常使用的基礎(chǔ)上，制作一部麥咭虛擬人物與主持人真人互動的MV作品。

3.2 方案設(shè)計

麥咭的動作角度與位置可結(jié)合真人運動進行模擬。因此，前期需要進行環(huán)境資料的測試，對麥咭行動、扮演者行為的位置參數(shù)進行匹配[5]。

在測試中，進行演員與麥咭的骨骼坐標(biāo)匹配，采取多次掃描、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方式，確保軸向一致。由于演員與麥咭具有身材比例、骨骼結(jié)構(gòu)的差異性，為加強影視效果，調(diào)整了扮演者的運動體式，比如手與身體保持一定距離，減少自然下垂動作[6]。

3.3 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的具體應(yīng)用

渲染技術(shù)能夠保證剛體模型的自由性，但無法確保麥咭卡通柔性模型的運行效果。對此問題，使用三維動畫模型軟件進行驅(qū)動渲染處理，將軟件生成的動態(tài)畫面用作視頻信號，反饋給渲染引擎[7]。此時，程序輸出的視頻信號無法同步給出“鍵信號”，在虛擬引擎顯示麥咭虛擬形象存在困難[8]。為此，將畫面背景顏色調(diào)整成全藍色，以“藍色背景+視頻信號”的形式進行渲染引擎，操作程序“色鍵”摳出麥咭形象，解決了渲染問題。

使用數(shù)據(jù)校準(zhǔn)虛擬技術(shù)，讓虛擬人物模仿真人動作，可以形成虛擬人物動畫制作效果。此技術(shù)與真人處于相同空間，真人拍攝時，會出現(xiàn)在畫面中，需要對示范動作的真人進行遮擋處理。對此，可以使用引擎遮罩功能，對真人動作進行屏蔽處理[9]。在真人錄制期間，進行虛擬場景的設(shè)計與調(diào)整，結(jié)合主持人的具體方位，調(diào)整麥咭虛擬人偶的具體方位，將真人表演者位置進行遮擋處理，防止真人出現(xiàn)在電視畫面中，解決了穿幫問題[10]。

3.4 技術(shù)使用效果

麥咭節(jié)目錄制過程總共用時4 h，拍成2個MV產(chǎn)品，有效控制了后期節(jié)目制作所需的成本，獲得了優(yōu)異的播放效果[11]。麥咭MV產(chǎn)品的錄制與技術(shù)應(yīng)用，形成了增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用案例，為后續(xù)相關(guān)節(jié)目生產(chǎn)提供了參考。

4 渲染與交互在電視節(jié)目中的應(yīng)用

4.1 渲染引擎

在電視節(jié)目播放時，AR場景以手動觸發(fā)操作為主，回避了串聯(lián)滾動播放的局限性問題。在實際觸發(fā)時，使用鼠標(biāo)、快捷鍵進行觸發(fā)設(shè)計，確保虛擬場景的控制質(zhì)量[12]。在使用快捷鍵進行控制時，應(yīng)在場景程序中，添加邏輯腳本，使用渲染引擎給予解析，解析后執(zhí)行控制指令。在各領(lǐng)域虛擬展示中，AR圖像質(zhì)量較為關(guān)鍵。渲染引擎是決定畫面顯示質(zhì)量的主要技術(shù)。渲染引擎能夠有效轉(zhuǎn)化立體模型，以平面圖像進行展示，結(jié)合前期設(shè)定完成材質(zhì)、紋理等各項資料，準(zhǔn)確獲取虛擬物體表層的細(xì)節(jié)特征[13]。以物理空間為視角創(chuàng)建的渲染技術(shù)，使用了諸多真實環(huán)境的模擬技術(shù)，借助數(shù)學(xué)理論，以物理視角增強視覺效果。應(yīng)用的模擬技術(shù)包括凸凹表面測算、物體碰撞試驗等。

PBR渲染整合了能量守恒、光線反射等物理思想，借助物理模型進行真實物體相對位置的視覺呈現(xiàn)。各類物理模型均融合了多個函數(shù)，準(zhǔn)確模擬真實現(xiàn)象。在PBR材質(zhì)整編時，從多個視角，使用各組參數(shù)進行物理描述。將各類參數(shù)組合，反映出材質(zhì)的物理屬性差異性。例如，香蕉、木材這兩種不同材質(zhì)的黃色反射表現(xiàn)有差異，在設(shè)計PBR材質(zhì)時，可進行Metallic參數(shù)優(yōu)化，準(zhǔn)確獲取各類物體表層的材質(zhì)特征[14]。比如將木材屬性參數(shù)設(shè)計為1，香蕉屬性參數(shù)設(shè)為0。在實際物體環(huán)境中，各類材質(zhì)均有多種細(xì)節(jié)，光源個數(shù)、光照強度表現(xiàn)出多樣性。因此，為保證渲染效果，應(yīng)配合貼圖、燈光加以使用。

4.2 渲染技術(shù)使用

2019年中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會，每個會場均融合了新型物理渲染技術(shù)，增強了春晚整體的視覺效果。

此次渲染技術(shù)的使用增加了創(chuàng)意設(shè)計環(huán)節(jié)，采取分鏡創(chuàng)作方式，在前期進行分鏡圖設(shè)計。分鏡圖設(shè)計完成后，設(shè)計團隊與導(dǎo)播小隊、攝像工作組建立溝通機制，形成互相碰撞的設(shè)計效果，共同形成鏡頭景區(qū)，展現(xiàn)最佳的視覺效果[15]。例如，在《敦煌飛天》節(jié)目中，AR虛擬技術(shù)營造“天宮仙界”時，采取開放式三角形結(jié)構(gòu)，提取敦煌壁畫的主要顏色，進行結(jié)構(gòu)色彩填充。同時，結(jié)合飛天服飾、綢緞等要素，進行大屏動畫設(shè)計，加強場景的延續(xù)性，使用云霧、粒子等虛擬要素覆蓋觀眾席，形成整體的敦煌虛擬場景，增加場景的渲染效果，營造出仙氣環(huán)繞的敦煌氛圍。

5 增強現(xiàn)實技術(shù)的未來發(fā)展構(gòu)想

增強現(xiàn)實技術(shù)有效連接了現(xiàn)實與虛擬兩個環(huán)境，借助互動機制增強虛擬空間的展示結(jié)果。未來，教育、醫(yī)療、文化等領(lǐng)域均可有效融合增強現(xiàn)實技術(shù)，帶給人們優(yōu)質(zhì)的視覺感受。具體有如下應(yīng)用：

（1）結(jié)合不同的需求，人們可自由使用多種增強現(xiàn)實工具，進行虛擬空間的交互講解，增強教學(xué)展示效果。

（2）借助增強現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)的程序，人們可以進行室內(nèi)空間的優(yōu)化調(diào)整，比如家具擺放、裝飾品設(shè)計等，提升室內(nèi)設(shè)計的智能性[16]。

（3）進行古文物電視宣傳時，可以借助增強現(xiàn)實技術(shù)，加強真實文物的展示，帶給人們?nèi)碌墓盼奈飳W(xué)習(xí)體驗。

（4）在智能手機中嵌入增強現(xiàn)實技術(shù)，以更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理效果、更優(yōu)質(zhì)的畫面渲染能力，為人們提供智能科技的便利條件，提升增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍。

6 結(jié) 語

增強現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展，結(jié)合SLAM算法、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、渲染等多個技術(shù)的優(yōu)勢，可以提升電視節(jié)目的制作質(zhì)量，滿足人們觀看電視的視覺需求；加強算法使用的智能性，可以提升數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的自然性，發(fā)揮渲染技術(shù)的色彩效果，以更為真實的視野，增強虛擬空間的展示效果。綜合使用多種增強現(xiàn)實技術(shù)，可以最大化發(fā)揮增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用價值，助力電視節(jié)目發(fā)展。