增强现实技术在电视节目中的应用分析

李 莹

（山东广播电视台，山东 济南 250000）

0 引 言

增强现实技术作为现阶段新兴技术，拥有人机接口、现实空间的仿真模拟工具，发挥出较强的技术作用，展现出超强的技术潜力。增强现实技术成功整合了人工智能、CAD制图、空间仿真以及数据训练等多种技术，以城市镜头为代表性应用，此应用程序集合了购物推荐、景点导航、商户介绍等多个平台。将AR技术融合于电视节目中，可以增强画面质量，加强多个平台资料展示的同步性，具有重要研究价值。

1 增强现实技术

1.1 技术功能

增强现实技术利用摄像功能，借助摄像头的自由度，动态获取摄影资料，在虚拟空间中收集资料，形成虚拟与现实数据信息的交互。增强现实技术具有连接虚拟空间与真实事物的技术优势，对视觉、音频、味觉等信息，借助智能科技进行仿真叠加，在真实环境中融合虚拟资料，形成较强的感官体验。增强现实技术整合了多媒体、立体模型、监控科技、传感器、动态跟踪、场景叠加等技术，能够为人们创设全新的感知环境。

1.2 技术优势

增强现实技术表现出三个技术优势：真实环境与虚拟空间的数据连接，虚拟与现实两个环境数据的动态交互，在立体空间中，给出了虚拟物质的真实定位信息，因此在军事、医疗、影视等多个领域获得了广泛使用。在电视节目中使用增强现实技术，能够提升体育赛事视频的画面叠加效果，便于观众实时观看比赛，及时接收各类辅助资料，提升赛事观看的体验感，增加赛事资料接收的全面性。因此，以电视节目为视角研究增强现实技术的使用方法，具有较高的研究价值。

1.3 跟踪技术应用

1.3.1 普通显示中的跟踪技术

增强现实技术有多种数据交互形式。AR系统的显示可划分为普通显示和头盔显示[1]。普通显示方案在技术运作时依赖于真实环境中添加的摄影设备，由传感器反馈数据资料，进行数据动态跟踪，是现阶段电视节目的常用方案。

1.3.2 摄影平台组成

传感器负责采集影像资料，获取动态数据时依赖于摄影平台。摄影平台的物理组成包括：脚架，用于摄影设备支撑；摇臂，用于调整摄影角度与方位；轨道，从水平方向移动摄影设备位置；牵引，从竖直方向调整摄影设备位置。平台各结构的运行以机械齿轮、液压系统为力量驱动，确保摄影运行的平稳性。

1.4 SLAM算法

1.4.1 算法简介

光学跟踪技术以SLAM算法为技术中心，能够对数据位置、真实物理地图进行资料同步。比如家用智能清扫设备是SLAM算法的代表应用。此种同步技术对真实环境进行多次观测，捕获环境特征，锁定自身位置，调整自身姿态。与此同时，依据自身所在方位，补充周边环境虚拟信息，形成增量式地图，达成相同时间内位置锁定、地图信息采集的目标。

1.4.2 算法类型

SLAM技术包含传感器和视觉两种类型。传感器类型主要使用激光雷达，技术较为成熟。视觉类型的算法有多种计算方案，如单目、双目等。单目视觉计算方案使用一组摄影头进行目标物的信息采集，在信息采集时会降低图像立体信息的真实性。因此，单目相机需要持续拍摄，确保各时段采集图像信息的动态性，以获取各时段的影像方位。双目视觉计算方案使用两组摄影头，与3D特殊眼镜相似，采取两组摄像头的成图对比方式获取摄影头的相对位置。视觉方案在实际使用时，均需建立在充足数学特征的基础上。数学特征以相邻图像属性为基础，一般包括角点、边缘点、暗区亮点、亮区暗点等。相比图像识别技术，深度图像摄像头在红外线帮助下能够有效接收返回的红外线，获得发出与返回两个红外线的相位差，间接判断物体深度。在获取深度信息后，准确推算相机的运动长度。

结合SLAM的技术优势，光学跟踪系统整合了多种ALAM技术，确保摄影结果的精准性。

1.5 数据校准

1.5.1 校准方法

为保证立体虚拟结构与真实环境的契合效果，需进行真实与虚拟两个坐标的比对。此时，进行数据校准较为关键。跟踪设备启动时，以FreeD协议为基础，传送摄像机方位、镜头两组参数，确保渲染端接收数据。在数据校验前期，明确跟踪设备的初始位置与坐标点位，结合立体场景的坐标参数，测量出跟踪设备与虚拟场景之间的参数偏差。计算位置偏差量时，以立体场景的各项坐标参数为基础资料，此时跟踪设备的坐标零点参数对应于场景坐标参数。

1.5.2 校准实例

假设虚拟空间中零点位置处于舞台前方中心点位，摄像机与中心点位存在多种参数的位置偏差，包括水平、竖向深度、高度等，对于位置偏移量进行准确测量。在数据校准与调试时，坐标3个方向的参数值较为关键，可以确保虚拟与现实两组坐标校准效果，确保AR物体与周边环境有效贴合。较为关键的是，各类设备与软件在真实坐标系中的界定具有差异性。如部分摇臂高度设定为Z轴，在虚拟空间中高度参数对应的是Y轴。两个轴参数在转化时，需使用FreeD协议，确保参数转化效果，减少参数偏差问题。数据校准时需要明确真实物体与虚拟空间坐标轴的设定差异，确保数据校准质量[2]。

2 SLAM技术融合电视节目的应用

2.1 春晚节目

2019年春晚节目中，节目制作组在斯坦尼康、摇臂处使用AR镜头，借助虚拟镜头的自由性，成功捕获室外空间影像信息。在增强现实技术融合中，摄像设备云端添加两组镜头，对目标场景进行全方位扫描，提取区域中的场景特征属性，构建成环境点云模型。在摄像机移动位置时，两组镜头同步调整位置，获取相邻时刻中点云的位置差异，校准相机所在方位。

2.2 文物展示节目

在文物展示节目中，可以使用SLAM模块，借助增强现实技术，进行兵马俑等文物的虚拟展示。首先，对真实兵马俑立体参数搭建成的模型进行压缩处理，数据包被压缩成10 MB左右大小。其次，提取数据包纹理特征。最后将其用于虚拟文物展示。借助纹理特征的虚拟描述，以SLAM算法获取文物方位，确保模型绘制的全面性，增强文物展示的真实感。

3 数据校准融合电视节目的应用

在电视节目有序发展中，虚拟角色的制作科技、制作流程处于逐步完善的状态，相应增加了数据校准技术的使用需求。以某卡通电视节目为例，卡通栏目以少儿为主要目标收视群体，此群体对虚拟动画具有较高的追求心理，由此提升了卡通角色的设计任务量[3]。卡通形象麦咭是某卡通电视的代言角色，在多个频道、栏目宣传视频中，进行虚拟人物的融合制作。以《飞行游乐园》为活动主题，对卡通角色麦咭进行处理，确保节目展示的增强现实效果[4]。

3.1 技术使用需求

在麦咭虚拟形象正常使用的基础上，制作一部麦咭虚拟人物与主持人真人互动的MV作品。

3.2 方案设计

麦咭的动作角度与位置可结合真人运动进行模拟。因此，前期需要进行环境资料的测试，对麦咭行动、扮演者行为的位置参数进行匹配[5]。

在测试中，进行演员与麦咭的骨骼坐标匹配，采取多次扫描、数据校准方式，确保轴向一致。由于演员与麦咭具有身材比例、骨骼结构的差异性，为加强影视效果，调整了扮演者的运动体式，比如手与身体保持一定距离，减少自然下垂动作[6]。

3.3 数据校准的具体应用

渲染技术能够保证刚体模型的自由性，但无法确保麦咭卡通柔性模型的运行效果。对此问题，使用三维动画模型软件进行驱动渲染处理，将软件生成的动态画面用作视频信号，反馈给渲染引擎[7]。此时，程序输出的视频信号无法同步给出“键信号”，在虚拟引擎显示麦咭虚拟形象存在困难[8]。为此，将画面背景颜色调整成全蓝色，以“蓝色背景+视频信号”的形式进行渲染引擎，操作程序“色键”抠出麦咭形象，解决了渲染问题。

使用数据校准虚拟技术，让虚拟人物模仿真人动作，可以形成虚拟人物动画制作效果。此技术与真人处于相同空间，真人拍摄时，会出现在画面中，需要对示范动作的真人进行遮挡处理。对此，可以使用引擎遮罩功能，对真人动作进行屏蔽处理[9]。在真人录制期间，进行虚拟场景的设计与调整，结合主持人的具体方位，调整麦咭虚拟人偶的具体方位，将真人表演者位置进行遮挡处理，防止真人出现在电视画面中，解决了穿帮问题[10]。

3.4 技术使用效果

麦咭节目录制过程总共用时4 h，拍成2个MV产品，有效控制了后期节目制作所需的成本，获得了优异的播放效果[11]。麦咭MV产品的录制与技术应用，形成了增强现实技术的应用案例，为后续相关节目生产提供了参考。

4 渲染与交互在电视节目中的应用

4.1 渲染引擎

在电视节目播放时，AR场景以手动触发操作为主，回避了串联滚动播放的局限性问题。在实际触发时，使用鼠标、快捷键进行触发设计，确保虚拟场景的控制质量[12]。在使用快捷键进行控制时，应在场景程序中，添加逻辑脚本，使用渲染引擎给予解析，解析后执行控制指令。在各领域虚拟展示中，AR图像质量较为关键。渲染引擎是决定画面显示质量的主要技术。渲染引擎能够有效转化立体模型，以平面图像进行展示，结合前期设定完成材质、纹理等各项资料，准确获取虚拟物体表层的细节特征[13]。以物理空间为视角创建的渲染技术，使用了诸多真实环境的模拟技术，借助数学理论，以物理视角增强视觉效果。应用的模拟技术包括凸凹表面测算、物体碰撞试验等。

PBR渲染整合了能量守恒、光线反射等物理思想，借助物理模型进行真实物体相对位置的视觉呈现。各类物理模型均融合了多个函数，准确模拟真实现象。在PBR材质整编时，从多个视角，使用各组参数进行物理描述。将各类参数组合，反映出材质的物理属性差异性。例如，香蕉、木材这两种不同材质的黄色反射表现有差异，在设计PBR材质时，可进行Metallic参数优化，准确获取各类物体表层的材质特征[14]。比如将木材属性参数设计为1，香蕉属性参数设为0。在实际物体环境中，各类材质均有多种细节，光源个数、光照强度表现出多样性。因此，为保证渲染效果，应配合贴图、灯光加以使用。

4.2 渲染技术使用

2019年中央电视台春节联欢晚会，每个会场均融合了新型物理渲染技术，增强了春晚整体的视觉效果。

此次渲染技术的使用增加了创意设计环节，采取分镜创作方式，在前期进行分镜图设计。分镜图设计完成后，设计团队与导播小队、摄像工作组建立沟通机制，形成互相碰撞的设计效果，共同形成镜头景区，展现最佳的视觉效果[15]。例如，在《敦煌飞天》节目中，AR虚拟技术营造“天宫仙界”时，采取开放式三角形结构，提取敦煌壁画的主要颜色，进行结构色彩填充。同时，结合飞天服饰、绸缎等要素，进行大屏动画设计，加强场景的延续性，使用云雾、粒子等虚拟要素覆盖观众席，形成整体的敦煌虚拟场景，增加场景的渲染效果，营造出仙气环绕的敦煌氛围。

5 增强现实技术的未来发展构想

增强现实技术有效连接了现实与虚拟两个环境，借助互动机制增强虚拟空间的展示结果。未来，教育、医疗、文化等领域均可有效融合增强现实技术，带给人们优质的视觉感受。具体有如下应用：

（1）结合不同的需求，人们可自由使用多种增强现实工具，进行虚拟空间的交互讲解，增强教学展示效果。

（2）借助增强现实技术研发的程序，人们可以进行室内空间的优化调整，比如家具摆放、装饰品设计等，提升室内设计的智能性[16]。

（3）进行古文物电视宣传时，可以借助增强现实技术，加强真实文物的展示，带给人们全新的古文物学习体验。

（4）在智能手机中嵌入增强现实技术，以更为准确的数据处理效果、更优质的画面渲染能力，为人们提供智能科技的便利条件，提升增强现实技术的应用范围。

6 结 语

增强现实技术不断发展，结合SLAM算法、数据校准、渲染等多个技术的优势，可以提升电视节目的制作质量，满足人们观看电视的视觉需求；加强算法使用的智能性，可以提升数据校准的自然性，发挥渲染技术的色彩效果，以更为真实的视野，增强虚拟空间的展示效果。综合使用多种增强现实技术，可以最大化发挥增强现实技术的应用价值，助力电视节目发展。