AR技术在演播厅中的应用

【摘要】随着数字化转型的加速与媒体行业对沉浸式体验的追求，增强现实（Augmented Reality，AR）技术在演播厅中的应用正逐渐成为行业创新的焦点。本文研究了AR技术在演播厅中的应用，首先介绍了AR技术概述与工作原理，然后阐述了其在演播厅应用的关键技术，包括图像识别与跟踪、实时渲染等，最后从场景设计构建、视觉效果提升及观众互动体验三方面探讨了其具体应用，旨在提升演播厅的制作水平和观众体验，进而推动AR技术在演播领域的广泛应用。

【关键词】AR技术；演播厅；应用研究

中图分类号：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.007

在当今数字化飞速发展的时代，作为文化传播与信息交汇的核心舞台，演播室正面临着历史性的转型。借助AR技术，将虚拟元素无缝嵌入真实环境，传统演播室的创意边界被重新定义，节目创作迎来了前所未有的创新空间。AR技术拓展了演播室的视觉设计维度，实现了小空间大场景的震撼效果，更是在视觉呈现上融入了丰富特效与虚拟物件，显著提升了节目的观赏性和吸引力。因此，本文对AR技术在演播厅中的应用展开了深入研究，以推动演播厅的现代化发展、满足观众日益增长的观赏需求。

1. AR技术概述与工作原理

1.1 AR技术概述

增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是将数字信息与用户所处的物理环境实时融合的技术，通过在现实世界的视图上叠加虚拟信息为用户提供全新的、增强的感知体验。AR技术包括视觉信息的增强，其通过声音、触觉等多种感官通道提供信息，使用户能够在现实环境中与虚拟对象进行互动。AR技术的核心在于实现虚拟与现实的无缝融合，为用户提供沉浸式、交互式的体验，广泛应用于教育、娱乐、医疗、工业设计等多个领域[1]。

1.2 AR技术的工作原理

AR技术的工作原理主要涉及三个关键步骤：感知、融合与交互。

感知是指感知现实环境，AR系统首先需要感知用户所处的现实环境，这通常通过摄像头、传感器等设备完成，系统捕捉到用户周围的环境信息，如图像、声音、位置等，其中视觉感知是最为常见的形式，系统通过摄像头捕捉到的图像识别和理解环境中的物体、场景[2]。

融合是指叠加虚拟信息，在感知到现实环境的基础上AR系统将虚拟信息实时叠加到用户视野中，这一步骤涉及到复杂的空间定位与跟踪技术，确保虚拟信息能够准确地与现实环境中的物体对齐，营造出虚拟信息本身就是现实世界一部分的错觉。且AR系统需实时调整虚拟信息的位置、大小、方向等参数以适应用户视角的变化，保持虚拟信息与现实环境的协调。

交互指的是用户与虚拟信息的互动。AR技术的最终目的是实现用户与虚拟信息的自然互动，用户可通过手势、声音、眼球运动等方式与虚拟对象进行交互，而系统则根据用户的输入实时调整虚拟信息，实现动态响应，以丰富用户体验，使用户能够更加直观、自然地与虚拟信息进行互动，增强体验的沉浸感和参与感。

2. AR技术在演播厅中应用的关键技术

2.1 图像识别与跟踪技术

在演播厅环境中，图像识别与跟踪技术需要精确识别演播厅中的特定物体、标志物或者演员的动作，并进行实时跟踪，如通过对舞台上特定图案标记的识别，准确地定位虚拟元素应该出现的位置。对于演员的跟踪，基于计算机视觉的人体姿态估计技术能够实时捕捉演员的动作，使得虚拟特效能够紧密跟随演员的表演，实现人与虚拟元素的完美互动。在复杂的灯光和背景环境下，高性能的图像识别算法需要能够排除干扰因素，保证跟踪的准确性和稳定性。

2.2 实时渲染技术

由于演播厅节目通常是现场直播或者实时录制，这就要求AR技术能够实现虚拟内容的实时渲染。实时渲染技术需要快速处理大量的图形数据，将复杂的3D虚拟模型、特效等转化为能够在屏幕上流畅显示的图像，这依赖于强大的图形处理单元（Graphic Processing Unit，GPU）和高效的渲染算法[3]。对于虚拟场景的构建，渲染引擎需要根据不同的视角和光照条件，实时计算出每个像素的颜色和亮度以呈现出逼真的视觉效果。

2.3 空间定位技术

空间定位的准确性是AR技术在演播厅中应用的基础，它需要确定演播厅的物理空间范围以及各个元素在空间中的位置关系。利用诸如激光雷达等设备可实现对演播厅的整体空间的全面扫描，构建出精细的三维模型；多个摄像头的协同工作则能精确定位物体在空间中的坐标。尤其在大型的演播厅表演中，空间定位技术可以确保虚拟元素如建筑、景观在预设位置精准显示，即便在演员和观众移动时，仍能维持虚拟元素相对位置的恒定，构造沉浸式的视觉体验。

2.4 交互技术

演播厅中的AR应用需要良好的交互技术来增强观众和演员与虚拟元素的互动。如基于手势识别的交互方式，通过摄像头捕捉观众或演员的手势动作将其转化为对虚拟元素的操作指令，如放大、缩小、旋转虚拟物体等；或根据观众或演员的语音指令来控制虚拟元素的行为。而基于触感反馈的交互技术是指当演员或观众与虚拟元素进行接触时，通过特殊的设备提供触感反馈增加互动的真实感。

3. AR 技术在演播厅中的具体应用

3.1 场景设计与构建

3.1.1 虚拟场景扩展

在演播厅室的创新呈现中，AR技术实现虚拟场景扩展主要基于其先进的图像识别与空间映射技术，显著拓宽了虚拟场景的边界。高清摄像头设备对演播厅的物理空间进行全方位的图像采集，这些图像包含了舞台的布局、灯光布置、现有道具等详细信息，然后利用复杂的算法对这些图像数据进行分析处理，识别出空间中的关键特征点，构建出精确的三维空间坐标系。当需要将舞台转变为浩瀚的宇宙空间时，AR系统会根据这个坐标系，在对应的位置上叠加与宇宙相关的三维虚拟模型，这些模型经过高精度的建模如星球纹理、星云形状等，高度还原真实宇宙的特征[4]。同时为使虚拟场景与现实环境高度融合，系统会实时调整虚拟场景的光照、色彩等参数，使其与演播厅内的灯光环境相匹配。当舞台灯光调暗时，虚拟宇宙中的星光会相应地变得更加明亮，营造出逼真的视觉效果。例如，2022年央视春晚的某歌舞节目原本的舞台空间是有限的，但通过AR技术的虚拟场景扩展可以让观众看到置身于宇宙深处的宏大场景，舞台上的演员们仿佛在星际间穿梭，周围是绚丽多彩的星云和闪耀着光芒的星球。这种视觉体验的达成就是利用了上述的图像采集、算法处理、模型叠加、参数调整等系列技术环节，打破了舞台空间的限制，为观众带来美轮美奂的视觉体验。

3.1.2 场景元素替换

AR技术依靠精确的物体识别和跟踪算法进行场景元素替换。摄像头对演播厅中的实物场景元素如道具沙发等进行图像采集，然后通过算法识别出沙发的形状、颜色、纹理等特征信息。接着在虚拟素材库中选择具有特殊设计风格的虚拟沙发模型，这个模型可能是基于复杂的三维建模软件制作的，具有丰富的细节和独特的设计风格。在替换过程中，AR系统会根据沙发在现实空间中的位置、姿态等信息将虚拟沙发准确地叠加到实物沙发的位置上。为保证替换效果的真实性，系统会对虚拟沙发的光照反射、阴影等视觉效果进行模拟，使其与周围的现实环境完美融合。例如，在一档室内设计展示节目中演播厅最初摆放的是一个普通的现代简约风格的沙发，当节目需要展示不同风格的室内设计效果时则可以通过AR技术将这个普通沙发替换成了具有欧式古典风格的虚拟沙发，沙发可以有精美的雕花、华丽的面料以及复古的色彩，且随着演播厅灯光的变化，虚拟沙发上的光影效果和阴影也会相应地发生改变，就好像真的有一个欧式古典沙发摆放在那里一样，让观众能够直观地感受到不同设计风格带来的视觉冲击。

3.2 视觉效果提升

3.2.1 特效添加

在演播厅中利用AR技术进行特效添加，其背后需要通过高灵敏度的传感器（如摄像头、动作捕捉设备等）实时采集演员的动作以及场景的图像信息，而计算机图形处理系统则基于这些数据根据预设的算法对图像进行分析处理[5]。当要添加光影效果时，系统会根据场景的光照模型和物体的材质属性，计算出光线的反射、折射、散射等物理现象，从而生成逼真的光影特效。如在一场舞台剧中，当演员站在虚拟的森林场景中时，阳光透过树叶间隙洒下的斑驳光影，就是通过精确计算光线与树叶、演员身体的交互而实现的。而粒子效果的添加则依赖于粒子系统的设计，系统会生成大量微小的粒子（如雪花、火花等）并根据物理规则（如重力、风力等）对这些粒子的运动轨迹进行模拟。如在某舞蹈节目中通过AR技术添加的粒子效果，让舞者仿佛置身于星光粒子雨中，这些粒子会随着舞者的动作飘动、旋转，极具视觉冲击力。这一切特效的呈现都需要强大的GPU来进行实时渲染，确保特效能够与演员的表演以及场景同步，以高帧率流畅地展示在观众眼前。

3.2.2 虚拟角色融入

虚拟角色融入演播厅表演中主要依靠高精度的动作捕捉技术和实时渲染技术。动作捕捉设备（如光学捕捉系统、惯性捕捉系统等）会捕捉演员的动作数据，光学捕捉系统通过在特定空间中布置多个高速摄像机，从不同角度对演员身上佩戴的标记点进行拍摄，这些标记点反射的光线被摄像机接收后，通过复杂的三角测量算法精确计算出标记点在三维空间中的位置变化，获取演员的动作信息；惯性捕捉系统则是利用安装在演员身体关键部位的惯性传感器测量加速度、角速度等数据，通过积分运算来推算出肢体的运动状态。这些动作数据会被传输到计算机系统中，作为虚拟角色动作的驱动源。同时虚拟角色的建模是通过复杂的三维建模软件完成的，从角色的外观设计到骨骼动画的构建都需要专业的设计师和动画师精心打造。在外观设计上要对角色的纹理、色彩等细节进行精细绘制，使其具有逼真的视觉效果。在渲染方面，实时渲染引擎会根据场景的光照、虚拟角色的材质等因素对虚拟角色进行实时渲染。渲染引擎会基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）技术，考虑光线在虚拟角色表面的反射、折射、吸收等物理过程，计算出角色表面每一个像素的颜色和亮度。对于虚拟角色的材质（如皮肤、金属、布料等），会根据其各自的光学特性和物理属性进行不同的渲染处理，如皮肤材质需要模拟次表面散射效果让光线能够穿透皮肤在内部散射，使角色看起来更加真实自然。

3.3 观众互动体验

3.3.1 互动界面展示

在实现AR技术为观众呈现互动界面的过程中，需要依靠高精度的图像识别与跟踪技术，通过在演播厅内布置多个摄像头实时捕捉观众所处的位置以及他们的动作姿态，然后利用先进的计算机视觉算法基于这些图像信息进行分析处理，识别出观众的手部动作等交互行为。如在某些大型的选秀节目中，现场观众可以通过简单的手势动作与舞台上的互动界面进行交互。当观众做出特定的手势，如向上滑动、点击等动作时，这些动作会被摄像头捕捉，然后经过算法处理转化为相应的指令。其通过对图像中手的轮廓、手指的弯曲程度以及手的运动轨迹进行分析，系统可以判断观众是在进行选择操作还是切换界面操作，算法会不断地进行优化并考虑不同观众的手势习惯、手部大小、动作速度等因素。在互动界面的构建方面，基于增强现实的软件开发工具包（Software Development Kit，SDK），开发人员可以设计出色彩鲜艳、易于操作的互动界面元素，如投票按钮、抽奖转盘等，观众通过手势与这些界面元素进行交互，完成投票、抽奖等操作。例如，在观众进行投票操作时，投票信息会在毫秒级的时间内传输到后台服务器，服务器根据投票数据进行统计和分析并及时将结果反馈给观众。反馈的方式可以是在互动界面上显示投票进度、中奖信息等，也可以通过声音、灯光等其他多媒体方式进行提示。

3.3.2 沉浸式体验打造

打造沉浸式的观众体验主要依赖于空间定位技术和逼真的虚拟环境构建技术。空间定位技术通过多种设备协同工作，如利用红外传感器、超声波传感器等对观众在演播厅内的位置进行精确地定位，或利用惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）感知观众头部和身体的移动方向、角度等信息，而AR系统基于这些位置信息为观众构建出个性化的虚拟环境。例如，2022年除夕央视春晚上的舞蹈诗剧节目《只此青绿》，在演播厅中观众进入特定区域后，然后通过空间定位系统根据观众的位置和视角信息为其构建出与节目《只此青绿》的舞台场景完美融合的虚拟环境。在这个虚拟环境的构建过程中，利用高精度的3D建模技术对舞台上的山水、人物服饰、舞蹈动作等进行细致的数字化建模，使每一处纹理、褶皱都清晰可见。而渲染技术采用全局光照算法和复杂的材质渲染技术使虚拟环境中的光影效果、物体材质的质感都极度逼真，再配合高保真的声音系统播放与舞蹈节奏相匹配的古典音乐和环境音效，从视觉、听觉等多个感官维度增强观众的沉浸感，让观众全身心地融入节目场景之中。

4. 结束语

AR技术在演播厅中的应用无疑开启了节目制作的新纪元，它从场景设计、视觉效果提升到观众互动体验等多个方面进行了变革。尽管目前还面临着如技术精度需要提高、内容创作难度大等挑战，但随着技术的持续进步，这些问题正逐步被攻克。5G时代的到来为AR技术的发展提供了更强大的助力，让其在演播厅的应用更加流畅、高效。可以预见，未来AR技术将进一步与其他先进技术融合，创造出更具沉浸感和创新性的演播厅节目，满足观众日益增长的视听需求，推动演播厅行业迈向更高的发展阶段。

参考文献：

[1]张强.虚拟演播室技术在电视节目制作中的应用[J].电视技术，2024，48（06）：180-182，186.

[2]韩志明.基于云平台技术互动节目系统的设计与应用[J].影视制作，2022，28（04）：56-60.

[3]陶丽娜.AR虚拟技术在演播室中的应用[J].电视技术，2024，48（03）：81-83，96.

[4]刘美.虚拟引擎制作在传统演播室的研究和实践[J].电视技术，2022，46（05）：99-101，112.

[5]施州.AR技术对传播四大功能的增强作用研究[J].新媒体研究，2024，10（01）：16-18，27.