王守寬

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在電視節(jié)目生產(chǎn)的演播室中廣泛應(yīng)用，它有別于傳統(tǒng)虛擬演播室，把真實(shí)與虛擬信息完美結(jié)合，增加了與虛擬信息的互動(dòng)。本文解析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在演播室中的應(yīng)用原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；演播室；人機(jī)交互；虛擬演播室

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電視節(jié)目中的應(yīng)用已經(jīng)有很多的例子，演播室是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵地方，也是亮點(diǎn)最多的地方。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓可以讓演播室有更強(qiáng)的時(shí)尚感和科技感，還能展現(xiàn)更多的信息內(nèi)容，使觀眾能更輕松更愉快的看懂電視節(jié)目。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電視節(jié)目演播室中的應(yīng)用將會(huì)是未來(lái)演播室的主流技術(shù)。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理解析

在說(shuō)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）前先說(shuō)說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），虛擬現(xiàn)實(shí)Virtual Reality，簡(jiǎn)稱“VR”，VR技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)為核心的技術(shù)，生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱“AR”），也被稱之為“混合現(xiàn)實(shí)”，它是把虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)景象疊加起來(lái)，所以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新技術(shù)，是一門綜合了圖像識(shí)別、運(yùn)動(dòng)捕捉、虛擬現(xiàn)實(shí)等學(xué)科的技術(shù)（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(shí)場(chǎng)景完美結(jié)合起來(lái)，并且能夠與這些虛擬信息進(jìn)行交互。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件的飛速提高，各行各業(yè)開(kāi)始應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在軍事、醫(yī)療、電視、古跡復(fù)原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)、科教、出版、旅游、展覽、娛樂(lè)、游戲、市政規(guī)劃等領(lǐng)域發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用到了3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：3D顯示技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。

1.1 3D顯示技術(shù)

3D顯示技術(shù)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中是最出效果的部分，真實(shí)環(huán)境和虛擬信息的疊加最后在3D顯示這塊來(lái)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(dǎo)致兩眼分別看到的畫(huà)面有偏差，最后讓有視差的兩個(gè)畫(huà)面分別進(jìn)入人的左、右眼睛，在大腦里反映出3D立體效果。此類設(shè)備有很多，適合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法主要是戴3D眼鏡。

1.2 跟蹤和三維定位技術(shù)

跟蹤和三維定位技術(shù)要完成對(duì)位置與方位的檢測(cè)，就要用攝像頭或傳感設(shè)備，收集圖像或傳感數(shù)據(jù)傳輸給AR程序，AR程序進(jìn)行大量計(jì)算，包括攝像機(jī)參數(shù)、視域范圍、傳感器的偏移、對(duì)象定位以及變形等，計(jì)算出真實(shí)的三維坐標(biāo)參數(shù)，達(dá)到拍攝對(duì)象的真實(shí)坐標(biāo)與計(jì)算出的虛擬環(huán)境中的坐標(biāo)一致。這種三維定位技術(shù)目前常用的有兩種：計(jì)算機(jī)圖形圖像識(shí)別技術(shù)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(guò)紅外跟蹤器、機(jī)械傳感器、超聲波等設(shè)備，獲取攝像機(jī)準(zhǔn)確的位置和攝像機(jī)在拍攝時(shí)左右上下運(yùn)動(dòng)和角度的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的攝像機(jī)坐標(biāo)位置、角度和虛擬信息中的攝像機(jī)保持一致，從而達(dá)到準(zhǔn)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(jì)算機(jī)圖形圖像識(shí)別技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形圖像識(shí)別追蹤技術(shù)，由計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別處理算法實(shí)現(xiàn)，首先用攝像機(jī)拍攝現(xiàn)實(shí)環(huán)境影像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件跟蹤解算數(shù)據(jù)，來(lái)提取并識(shí)別圖像中的運(yùn)動(dòng)信息或場(chǎng)景環(huán)境三維坐標(biāo)信息，獲取攝像機(jī)與場(chǎng)景、目標(biāo)物體之間的位置和方向。一般用此方法需要在場(chǎng)景中做些方便計(jì)算機(jī)識(shí)別的十字點(diǎn)或網(wǎng)格線標(biāo)記，以提高準(zhǔn)確性。

（3）計(jì)算機(jī)圖形圖像識(shí)別與傳感器硬件追蹤的結(jié)合定位方式。在硬件條件允許的情況下，結(jié)合圖像識(shí)別與傳感器運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的混合三維空間定位算法，可以更大程度發(fā)揮兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，從而提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定行，同時(shí)也能提高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

1.3 人機(jī)交互技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中在給用戶帶來(lái)最終體驗(yàn)的時(shí)候，除了真實(shí)和虛擬結(jié)合外，還有個(gè)更重要的功能是真實(shí)環(huán)境中的人物可以與虛擬信息對(duì)象進(jìn)行交互，擴(kuò)展人們對(duì)真實(shí)世界的感知。

人機(jī)交互技術(shù)不再局限于傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)的交互方式，Leap Motion體感控制器和微軟公司Kinect體感動(dòng)作識(shí)別能實(shí)現(xiàn)更加智能、更加直觀自然的人機(jī)交互方式。Kinect體感能更好地實(shí)現(xiàn)三維空間中的人機(jī)交互，其廣泛地?cái)U(kuò)展了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互方式，極大地提高了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用范圍。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在演播室中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)很早就已經(jīng)被用于一些現(xiàn)場(chǎng)體育賽事的轉(zhuǎn)播特技上，如足球比賽現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)播中虛擬越位線在場(chǎng)地上的實(shí)時(shí)展示。如今，各類型節(jié)目都在嘗試增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不管哪種類型節(jié)目，只要用到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首先會(huì)考慮在演播室中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)虛擬演播室節(jié)目大家應(yīng)該了解，與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)節(jié)目區(qū)別在于，傳統(tǒng)虛擬演播室是在藍(lán)箱里拍攝，拍攝完成后將主持人后面的藍(lán)色背景扣掉，再將無(wú)背景的主持人放在制作好的虛擬場(chǎng)景中。這樣會(huì)出現(xiàn)最終大面積的虛擬場(chǎng)景看起來(lái)不真實(shí)，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(wèn)題。[1]

從實(shí)現(xiàn)原理上來(lái)看，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)演播室和傳統(tǒng)虛擬演播室技術(shù)是相同的，都用到攝像機(jī)跟蹤技術(shù)和圖像實(shí)時(shí)渲染技術(shù)。不同的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)演播室是在真實(shí)場(chǎng)景中融入虛擬信息，虛擬信息出現(xiàn)在真實(shí)場(chǎng)景和主持人的前面，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，不需要藍(lán)箱及摳像處理（如圖2）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)演播室有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一個(gè)是定位，這也是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的跟蹤和三維定位技術(shù)研究的內(nèi)容，通過(guò)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)攝像機(jī)和虛擬攝像機(jī)之間的三維空間坐標(biāo)定位，定位點(diǎn)準(zhǔn)了就不會(huì)有破綻；另一個(gè)是高性能計(jì)算設(shè)備，圖像跟蹤大量數(shù)據(jù)的計(jì)算，真實(shí)場(chǎng)景和三維虛擬物體完美合成并且實(shí)時(shí)輸出，需要強(qiáng)大的虛擬引擎和渲染合成模塊，可以實(shí)時(shí)地將虛擬物體天衣無(wú)縫的疊加在相應(yīng)的位置，使觀眾產(chǎn)生這個(gè)虛擬圖形是實(shí)際存在現(xiàn)場(chǎng)之中的幻覺(jué)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的演播室優(yōu)點(diǎn)，是將各種虛擬信息實(shí)時(shí)與實(shí)拍畫(huà)面融合展現(xiàn)在電視畫(huà)面中，還能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬信息與主持人之間的互動(dòng)，虛擬信息則包含豐富的內(nèi)容，如三維模型和動(dòng)畫(huà)、多媒體、圖片、視頻、音頻等，提高節(jié)目的信息量。通過(guò)人機(jī)交互程序可以做到讓三維模型旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)，甚至變換顏色，多媒體可以通過(guò)揮手翻頁(yè)點(diǎn)擊等效果（如圖3），這將極大的提高節(jié)目真實(shí)度，在攝像機(jī)推、拉、搖、移的同時(shí)能夠保持實(shí)景與虛景的同步變化，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)完美的融合。

貴州衛(wèi)視的《新聞延長(zhǎng)線》節(jié)目中，就用到了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段增強(qiáng)新聞報(bào)道的說(shuō)服力和感染力，讓新聞節(jié)目更加貼近觀眾（如圖4）。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)演播室也有不足的地方：第一，對(duì)硬件要求非常高，主要體現(xiàn)在大量數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)時(shí)渲染方面，這就要求cpu和顯卡必須是高配置。第二，對(duì)節(jié)目前期制作增加繁重的任務(wù)，節(jié)目中用到的虛擬信息必須在前期做完，并且多數(shù)內(nèi)容為三維模型和三維動(dòng)畫(huà)、多媒體等，三維制作是一個(gè)完全從無(wú)到有的過(guò)程，必須用軟件模擬出來(lái)。第三，在直播節(jié)目中的穩(wěn)定性不好，根據(jù)當(dāng)前跟蹤器和軟件識(shí)別能力決定。第四，虛擬制作的內(nèi)容在有效果質(zhì)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(shí)候手不能很精確地對(duì)準(zhǔn)虛擬物體的位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然科技在飛速發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在不斷發(fā)展，虛實(shí)結(jié)合手法也在電視中廣泛應(yīng)用，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在演播室中的應(yīng)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(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)有更大的變化，演播室功能將會(huì)更加完善和強(qiáng)大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖欣葉.虛擬演播室系統(tǒng)的虛實(shí)結(jié)合技術(shù)分析應(yīng)用[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2011（03）.