大型體育賽事中的AR秀
——淺析杭州亞運(yùn)會(huì)游泳比賽電視轉(zhuǎn)播中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用與探索

文_金 可

國(guó)際奧委會(huì)名譽(yù)主席薩馬蘭奇先生曾說過：“電視轉(zhuǎn)播讓大型體育賽會(huì)生存下來，并繁榮發(fā)展下去?！币粓?chǎng)成功的體育賽事，不僅僅需要賽場(chǎng)上體育健兒賽出水平、賽出風(fēng)采，而且要讓體育精神透過鏡頭，去鼓舞全世界的人民，這便是競(jìng)賽轉(zhuǎn)播的核心意義。

杭州第19 屆亞運(yùn)會(huì)和第4 屆亞殘運(yùn)會(huì)正是遵循這一理念，通過電視轉(zhuǎn)播使全亞洲人民能身臨其境感受亞運(yùn)比賽的特點(diǎn)與魅力，展示中國(guó)文化，最大程度提升觀眾的觀賽體驗(yàn)。筆者作為亞運(yùn)游泳項(xiàng)目的轉(zhuǎn)播服務(wù)工作人員，親歷了亞（殘）運(yùn)會(huì)奧體游泳館全部比賽項(xiàng)目轉(zhuǎn)播服務(wù)的管理規(guī)劃、技術(shù)實(shí)施、賽事轉(zhuǎn)播管理等工作。我們對(duì)標(biāo)國(guó)際一流賽事的轉(zhuǎn)播制作標(biāo)準(zhǔn)，采用最新的廣電前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有史以來最高制作標(biāo)準(zhǔn)的一屆亞運(yùn)會(huì)電視轉(zhuǎn)播，為亞運(yùn)會(huì)電視轉(zhuǎn)播樹立新的標(biāo)桿。我們不僅使用了常規(guī)的拍攝設(shè)備制作國(guó)際電視廣播信號(hào)（ITVRS），還充分利用高倍數(shù)長(zhǎng)焦攝像機(jī)、水下攝像機(jī)、軌道攝像機(jī)、EVA 回放系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等多種先進(jìn)設(shè)備，呈現(xiàn)了比賽的多樣性和豐富性，為觀眾提供了全新的視聽體驗(yàn)。本文將以杭州亞運(yùn)會(huì)游泳比賽為例，探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)際賽事轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用和實(shí)踐。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在賽事轉(zhuǎn)播中的原理

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）技術(shù)是一種將真實(shí)世界的圖像或視頻信息和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息“無縫”集成的技術(shù)，通過將虛擬物體實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地疊加到真實(shí)視頻場(chǎng)景中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的增強(qiáng)和補(bǔ)充。[1]目前的體育視頻增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為兩類，第一類研究的重點(diǎn)是通過給定體育賽場(chǎng)的多重同步視頻生成虛擬場(chǎng)景，觀眾只能獲得單視點(diǎn)的視頻；第二類是采用攝像機(jī)校準(zhǔn)算法，建立賽場(chǎng)圖像與虛擬場(chǎng)景之間的映射，識(shí)別鏡頭內(nèi)場(chǎng)景畫面、運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)與速度，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)（如OpenGL），與真實(shí)場(chǎng)景疊加生成一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景畫面。[2]

在電視轉(zhuǎn)播中，AR 的實(shí)現(xiàn)主要在于找到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的一個(gè)參照平面，然后將這個(gè)三維場(chǎng)景下的平面映射到我們的二維屏幕上，并在這個(gè)平面上繪制需要展示的畫面和圖形。[3]主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：

視覺標(biāo)記識(shí)別，實(shí)景標(biāo)記追蹤：使用攝像機(jī)鏡頭捕捉場(chǎng)景中的特殊標(biāo)記，通過圖像識(shí)別算法進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，確定虛擬對(duì)象的位置和方向。常用標(biāo)記方式包括ArUco 標(biāo)記，具有較強(qiáng)的魯棒性（指系統(tǒng)隨故障和干擾的能力）和實(shí)時(shí)性。

同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（Simultaneous Lo-calization and Mapping，SLAM）：SLAM 技術(shù)允許設(shè)備在未知環(huán)境中定位自身并創(chuàng)建地圖，有助于實(shí)時(shí)追蹤虛擬對(duì)象在真實(shí)世界中的位置。常用算法有ORB-SLAM、PTAM等。

慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit,IMU）：加速度計(jì)和陀螺儀用于測(cè)量設(shè)備的加速度和角速度，實(shí)時(shí)感知設(shè)備運(yùn)動(dòng)，提高追蹤的準(zhǔn)確性。

深度傳感器：使用時(shí)間飛行（ToF）、LiDAR等深度傳感器獲取場(chǎng)景中物體到相機(jī)的距離信息，提供準(zhǔn)確的虛擬對(duì)象與真實(shí)世界的相對(duì)位置。

視覺慣性融合：將視覺信息與IMU的數(shù)據(jù)融合，克服視覺跟蹤的漂移問題，提高位置和方向的準(zhǔn)確性。

濾波算法：使用濾波算法（如卡爾曼濾波器）對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，平滑追蹤結(jié)果，提高魯棒性。

深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)：使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像識(shí)別和語義分割，通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型以適應(yīng)不同場(chǎng)景和環(huán)境，提高跟蹤的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性：可擴(kuò)展性能使系統(tǒng)適應(yīng)不同尺度和復(fù)雜度的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種應(yīng)用的支持；高實(shí)時(shí)性可確保虛擬對(duì)象能夠及時(shí)準(zhǔn)確地與真實(shí)世界同步。

這些技術(shù)要點(diǎn)共同構(gòu)成了AR跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵方面，為虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境的交互提供了流暢的用戶體驗(yàn)。

如何在亞運(yùn)游泳比賽中運(yùn)用AR

杭州亞運(yùn)會(huì)的游泳比賽電視轉(zhuǎn)播中，AR 被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員姓名國(guó)家等信息、成績(jī)排名、紀(jì)錄線的展示等環(huán)節(jié)，尤其是泳道上的運(yùn)動(dòng)員信息、賽時(shí)成績(jī)與世界紀(jì)錄線的動(dòng)態(tài)顯示，使比賽更為激烈，大幅提升了游泳比賽電視轉(zhuǎn)播的可看性。那游泳比賽轉(zhuǎn)播中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這主要由攝像機(jī)、虛擬渲染引擎、相機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)捕捉傳感器及AR媒體服務(wù)器組成。

首先，在泳池到達(dá)側(cè)設(shè)置固定機(jī)位攝像機(jī)，通過該攝像機(jī)讀取泳池實(shí)景環(huán)境信息，明確參照定位。由于游泳池是一個(gè)25 米寬50 米長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)矩形，有明確的邊界，同時(shí)游泳池泳道線色彩鮮艷且醒目，泳池在參照定位的選取上可以選擇泳池四角以及各泳道的道邊頂點(diǎn)。

其次，虛擬引擎根據(jù)泳池定位點(diǎn)在三維空間中的位置和姿勢(shì)信息以及鏡頭焦距、光圈等參數(shù)信息，使虛擬攝影機(jī)與真實(shí)攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡保持同步。

然后，讀取由賽會(huì)計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)提供的比賽成績(jī)信息，配合攝像機(jī)跟蹤泳池內(nèi)關(guān)鍵信息，通過渲染服務(wù)器渲染并生成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)畫面，疊加輸出實(shí)景后輸出到電視畫面，虛擬場(chǎng)景內(nèi)容隨著攝像機(jī)移動(dòng)而實(shí)時(shí)變化，世界紀(jì)錄線就跟進(jìn)該項(xiàng)目比賽的實(shí)時(shí)世界紀(jì)錄成績(jī)推進(jìn)，這樣畫面顯示的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)畫面更加真實(shí)緊湊，并且可以起到烘托氣氛的效果。

值得一提的是，由于參照點(diǎn)信息需要通過定位攝像機(jī)讀取，該機(jī)位的基準(zhǔn)坐標(biāo)就非常重要，不能隨意移動(dòng)改變，否則需要重新調(diào)?；鶞?zhǔn)。這對(duì)該機(jī)位的架設(shè)環(huán)境提出了較高的要求。此次亞運(yùn)會(huì)，該機(jī)位架設(shè)在觀眾看南側(cè)臺(tái)頂部22至26排位置，通過前期測(cè)試賽發(fā)現(xiàn)：附近看臺(tái)上觀眾滿席時(shí)，比賽中出入看臺(tái)，以及賽事精彩激烈時(shí)觀眾起立歡呼都會(huì)對(duì)該機(jī)位產(chǎn)生一定程度的影響，所以在亞運(yùn)正賽該機(jī)位架設(shè)時(shí)，為了避免干擾，我們“犧牲”了附近多個(gè)觀眾席位，在獨(dú)立架設(shè)機(jī)位臺(tái)的同時(shí)，保障周圍3 個(gè)座位空置，最大程度減少了該機(jī)位由于共振對(duì)畫面準(zhǔn)確性產(chǎn)生的干擾。

AR在亞運(yùn)比賽轉(zhuǎn)播中的應(yīng)用場(chǎng)景

在游泳比賽的轉(zhuǎn)播中，AR 通過各種方式增強(qiáng)觀眾的觀賞體驗(yàn)，以下是一些應(yīng)用場(chǎng)景：

虛擬賽道信息：使用AR技術(shù)，可以在游泳池上方疊加虛擬的賽道信息，顯示每名選手的位置、速度和當(dāng)前排名，有助于觀眾更好地理解比賽進(jìn)展。

生物力學(xué)分析：AR可以用于實(shí)時(shí)生物力學(xué)分析，顯示選手的姿勢(shì)、動(dòng)作和技術(shù)細(xì)節(jié)。這有助于專業(yè)觀眾和教練更深入地了解游泳運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)。

實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：在比賽期間顯示選手的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如速度、游泳姿勢(shì)、翻身次數(shù)等。這樣的信息可以為觀眾提供更深層次的了解，同時(shí)也增添了一些競(jìng)技性。

虛擬水下攝影：利用AR技術(shù)，可以模擬水下攝影效果，使觀眾能夠看到選手在水下的動(dòng)作和技巧。這樣的視角有利于分析和欣賞游泳運(yùn)動(dòng)員的技藝。

實(shí)時(shí)評(píng)論和互動(dòng)：AR 可以用于在屏幕上顯示實(shí)時(shí)評(píng)論、社交媒體互動(dòng)和觀眾投票。這樣的互動(dòng)性可以增加比賽的參與感和趣味性。

賽前分析和回放：利用AR技術(shù)，可以在比賽開始前提供選手介紹、技術(shù)分析和預(yù)測(cè)。同時(shí)，在比賽暫停或結(jié)束時(shí)，可以通過AR 回放功能展示關(guān)鍵時(shí)刻和精彩瞬間。

實(shí)時(shí)環(huán)境狀況展示：AR可以顯示實(shí)時(shí)天氣狀況，包括風(fēng)速、溫度和濕度等，這對(duì)于理解游泳條件的變化對(duì)比賽的影響很有幫助。

這些應(yīng)用使得觀眾可以更全面、深入地了解欣賞比賽，大大增加了觀賽的趣味性與競(jìng)技感。

另外，值得一提的是，在本次亞運(yùn)會(huì)、亞殘運(yùn)會(huì)開閉幕式的電視轉(zhuǎn)播中，也同樣運(yùn)用了大量的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。開幕式電視轉(zhuǎn)播中，錢江世紀(jì)城上空的亞運(yùn)數(shù)字花園，點(diǎn)火儀式中在錢塘江上形成的一個(gè)金色超大的、邁著大步跑入大蓮花上空與汪順共同點(diǎn)燃主火炬的“弄潮兒”等，這些都是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)畫面。這些技術(shù)的運(yùn)用，不僅為亞運(yùn)會(huì)增添了無限的激情和動(dòng)力，還彰顯了亞運(yùn)會(huì)的現(xiàn)代化和科技感，也向世界展示了中國(guó)的創(chuàng)新實(shí)力和文化魅力。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為大型賽事電視轉(zhuǎn)播創(chuàng)作帶來了全新的制作模式，大幅提升了節(jié)目視覺效果和互動(dòng)效果，這也必將推動(dòng)新一輪電視轉(zhuǎn)播創(chuàng)作“內(nèi)容+科技”的變革，為廣播電視融合制播帶來更多可能性和新的發(fā)展空間。