增强现实技术在演播室中的应用

王守宽

摘 要：增强现实技术已在电视节目生产的演播室中广泛应用，它有别于传统虚拟演播室，把真实与虚拟信息完美结合，增加了与虚拟信息的互动。本文解析了增强现实技术的实现原理，分析了增强现实技术在演播室中的应用原理和优缺点。

关键词：增强现实；演播室；人机交互；虚拟演播室

增强现实技术在电视节目中的应用已经有很多的例子，演播室是增强现实技术应用的关键地方，也是亮点最多的地方。利用增强现实技术让可以让演播室有更强的时尚感和科技感，还能展现更多的信息内容，使观众能更轻松更愉快的看懂电视节目。增强现实技术在电视节目演播室中的应用将会是未来演播室的主流技术。

1 增强现实技术原理解析

在说增强现实（AR）前先说说虚拟现实（VR），虚拟现实Virtual Reality，简称“VR”，VR技术是采用以计算机为核心的技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉、力觉、运动等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，从而产生身临其境的感受和体验。

增强现实（Augmented Reality，简称“AR”），也被称之为“混合现实”，它是把虚拟现实和现实景象叠加起来，所以增强现实是随着虚拟现实技术发展而产生的新技术，是一门综合了图像识别、运动捕捉、虚拟现实等学科的技术（如图1）。能够把图片、多媒体、视频、三维模型等虚拟信息和摄像头拍摄的现实场景完美结合起来，并且能够与这些虚拟信息进行交互。随着科技的发展，计算机硬件的飞速提高，各行各业开始应用了增强现实技术，在军事、医疗、电视、古迹复原和数字化文化遗产保护、科教、出版、旅游、展览、娱乐、游戏、市政规划等领域发挥出越来越重要的作用。

增强现实系统中用到了3个关键技术：3D显示技术、跟踪和定位技术、人机交互技术。

1.1 3D显示技术

3D显示技术在增强现实系统中是最出效果的部分，真实环境和虚拟信息的叠加最后在3D显示这块来展现给用户，3D立体显示原理主要是因人的两只眼睛之间的视差导致两眼分别看到的画面有偏差，最后让有视差的两个画面分别进入人的左、右眼睛，在大脑里反映出3D立体效果。此类设备有很多，适合增强现实的方法主要是戴3D眼镜。

1.2 跟踪和三维定位技术

跟踪和三维定位技术要完成对位置与方位的检测，就要用摄像头或传感设备，收集图像或传感数据传输给AR程序，AR程序进行大量计算，包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等，计算出真实的三维坐标参数，达到拍摄对象的真实坐标与计算出的虚拟环境中的坐标一致。这种三维定位技术目前常用的有两种：计算机图形图像识别技术和传感器硬件追踪方式。

（1）传感器硬件追踪方式。主要是通过红外跟踪器、机械传感器、超声波等设备，获取摄像机准确的位置和摄像机在拍摄时左右上下运动和角度的数据，实现现实中的摄像机坐标位置、角度和虚拟信息中的摄像机保持一致，从而达到准确三维定位。GPS、位移传感器、加速度传感器、角度传感器是最基本的传感器。

（2）计算机图形图像识别技术。计算机图形图像识别追踪技术，由计算机图像识别处理算法实现，首先用摄像机拍摄现实环境影像，再通过计算机软件跟踪解算数据，来提取并识别图像中的运动信息或场景环境三维坐标信息，获取摄像机与场景、目标物体之间的位置和方向。一般用此方法需要在场景中做些方便计算机识别的十字点或网格线标记，以提高准确性。

（3）计算机图形图像识别与传感器硬件追踪的结合定位方式。在硬件条件允许的情况下，结合图像识别与传感器运动捕捉技术的混合三维空间定位算法，可以更大程度发挥两种技术各自的优势，从而提高增强现实系统应用的准确性和稳定行，同时也能提高对环境的适应性。

1.3 人机交互技术

增强现实系统中在给用户带来最终体验的时候，除了真实和虚拟结合外，还有个更重要的功能是真实环境中的人物可以与虚拟信息对象进行交互，扩展人们对真实世界的感知。

人机交互技术不再局限于传统的键盘、鼠标的交互方式，Leap Motion体感控制器和微软公司Kinect体感动作识别能实现更加智能、更加直观自然的人机交互方式。Kinect体感能更好地实现三维空间中的人机交互，其广泛地扩展了增强现实系统的交互方式，极大地提高了增强现实的应用范围。

2 增强现实技术在演播室中的应用

增强现实技术很早就已经被用于一些现场体育赛事的转播特技上，如足球比赛现场转播中虚拟越位线在场地上的实时展示。如今，各类型节目都在尝试增强现实技术，不管哪种类型节目，只要用到增强现实技术，首先会考虑在演播室中的应用。

传统虚拟演播室节目大家应该了解，与增强现实技术节目区别在于，传统虚拟演播室是在蓝箱里拍摄，拍摄完成后将主持人后面的蓝色背景扣掉，再将无背景的主持人放在制作好的虚拟场景中。这样会出现最终大面积的虚拟场景看起来不真实，主持人抠像边缘不干净，主持人服装、装饰不能和背景色相近等问题。[1]

从实现原理上来看，增强现实技术演播室和传统虚拟演播室技术是相同的，都用到摄像机跟踪技术和图像实时渲染技术。不同的是增强现实演播室是在真实场景中融入虚拟信息，虚拟信息出现在真实场景和主持人的前面，来实现虚拟和现实的结合，不需要蓝箱及抠像处理（如图2）。增强现实技术演播室有两个关键点：一个是定位，这也是增强现实中的跟踪和三维定位技术研究的内容，通过定位来实现真实摄像机和虚拟摄像机之间的三维空间坐标定位，定位点准了就不会有破绽；另一个是高性能计算设备，图像跟踪大量数据的计算，真实场景和三维虚拟物体完美合成并且实时输出，需要强大的虚拟引擎和渲染合成模块，可以实时地将虚拟物体天衣无缝的叠加在相应的位置，使观众产生这个虚拟图形是实际存在现场之中的幻觉。

增强现实技术下的演播室优点，是将各种虚拟信息实时与实拍画面融合展现在电视画面中，还能够实现虚拟信息与主持人之间的互动，虚拟信息则包含丰富的内容，如三维模型和动画、多媒体、图片、视频、音频等，提高节目的信息量。通过人机交互程序可以做到让三维模型旋转、缩放、移动，甚至变换颜色，多媒体可以通过挥手翻页点击等效果（如图3），这将极大的提高节目真实度，在摄像机推、拉、摇、移的同时能够保持实景与虚景的同步变化，从而实现虚实完美的融合。

贵州卫视的《新闻延长线》节目中，就用到了增强现实技术手段增强新闻报道的说服力和感染力，让新闻节目更加贴近观众（如图4）。

增强现实技术演播室也有不足的地方：第一，对硬件要求非常高，主要体现在大量数据计算和实时渲染方面，这就要求cpu和显卡必须是高配置。第二，对节目前期制作增加繁重的任务，节目中用到的虚拟信息必须在前期做完，并且多数内容为三维模型和三维动画、多媒体等，三维制作是一个完全从无到有的过程，必须用软件模拟出来。第三，在直播節目中的稳定性不好，根据当前跟踪器和软件识别能力决定。第四，虚拟制作的内容在有效果质感上面的欠缺，并且主持人始终只能在虚拟信息的后面。第五，主持人与虚拟信息交互的时候手不能很精确地对准虚拟物体的位置。

3 结束语

虽然科技在飞速发展，增强现实技术也在不断发展，虚实结合手法也在电视中广泛应用，但增强现实技术在演播室中的应用还需要不断完善。在以后真正的全息成像出现并普及时，增强现实技术将会有更大的变化，演播室功能将会更加完善和强大。

参考文献：

[1] 廖欣叶.虚拟演播室系统的虚实结合技术分析应用[J].现代电视技术，2011（03）.