虛擬仿真技術(shù)在廣播編導(dǎo)中的應(yīng)用

張 輝

（南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044）

0 引言

近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域越來(lái)越重要。虛擬仿真技術(shù)能夠模擬真實(shí)的環(huán)境、場(chǎng)景和角色，為編導(dǎo)人員提供更加直觀和可視化的創(chuàng)作工具。編導(dǎo)人員利用虛擬仿真技術(shù)，能夠預(yù)先演練和排練節(jié)目，調(diào)整鏡頭、光線和舞臺(tái)效果等，以達(dá)到最佳效果。虛擬仿真技術(shù)還能制作虛擬現(xiàn)實(shí)直播、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特效等，為觀眾帶來(lái)全新的觀影體驗(yàn)。在數(shù)字化時(shí)代，虛擬仿真技術(shù)為廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域注入了新的活力，推動(dòng)節(jié)目創(chuàng)作和呈現(xiàn)的水平不斷提升。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)又被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即計(jì)算機(jī)模擬生成一個(gè)三維的虛擬環(huán)境，用戶可使用各種設(shè)備（如頭戴式顯示器、數(shù)據(jù)手套等）與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺。此技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)和傳感技術(shù)等多種技術(shù)，旨在為用戶提供一種全新的、沉浸式的體驗(yàn)方式[1]。

虛擬仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括3個(gè)環(huán)節(jié)：建模、渲染和交互。首先，需要對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物體進(jìn)行建模，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；其次，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法對(duì)模型進(jìn)行渲染，生成逼真的圖像；最后，使用輸入設(shè)備捕捉用戶動(dòng)作，實(shí)時(shí)更新虛擬環(huán)境，使用戶能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。3個(gè)環(huán)節(jié)相互配合，形成了一個(gè)完整的虛擬仿真系統(tǒng)[2]。

2 虛擬仿真技術(shù)在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)

2.1 三維建模技術(shù)的應(yīng)用

三維建模是利用三維制作軟件在虛擬空間中構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型的過(guò)程。三維建模技術(shù)主要包括非均勻有理樣條（Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS）建模、多邊形網(wǎng)格建模、實(shí)體建模和圖像建模等內(nèi)容。

2.1.1 幾何建模

幾何建模是虛擬仿真過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，基于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，將真實(shí)世界的物體形態(tài)、結(jié)構(gòu)等信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的模型。在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域，利用幾何建模技術(shù)對(duì)電視節(jié)目中的場(chǎng)景、道具、角色等進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字化再現(xiàn)。例如，在制作動(dòng)畫節(jié)目時(shí)，采用幾何建模技術(shù)創(chuàng)建各種角色的三維模型，包括頭部、身體與四肢等部位的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。在實(shí)際操作中，綜合應(yīng)用多邊形建模、曲面建模、體素建模等技術(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)原理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的精細(xì)化建模，為后續(xù)動(dòng)畫、特效的制作奠定基礎(chǔ)[3]。

2.1.2 紋理映射

紋理映射是指在三維模型上貼上二維圖像，使其呈現(xiàn)出真實(shí)的外觀和觸感。在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域，紋理映射技術(shù)使虛擬場(chǎng)景更加逼真，更符合編導(dǎo)創(chuàng)作的需求。例如，在電視劇、廣告等節(jié)目的制作過(guò)程中，紋理映射技術(shù)將真實(shí)世界中的紋理、顏色和圖案等信息映射到虛擬模型表面，使道具和場(chǎng)景等看起來(lái)更加真實(shí)。在具體操作中，可以采用UV映射、投影紋理等技術(shù)，將二維圖像準(zhǔn)確映射到三維模型表面，并進(jìn)行紋理細(xì)節(jié)調(diào)整和合理性優(yōu)化，從而達(dá)到更加逼真的效果。

2.2 實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)時(shí)渲染技術(shù)主要涉及三維模型的即時(shí)計(jì)算和顯示，目的是實(shí)現(xiàn)用戶與場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，其核心在于能夠邊計(jì)算畫面邊輸出顯示，允許用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)操控并得到迅速反饋。此技術(shù)特別重視交互性和實(shí)時(shí)性，通常需要優(yōu)化創(chuàng)建的場(chǎng)景，以提高圖像處理速度并減少延時(shí)。為獲得無(wú)感知的實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)，延時(shí)需控制在100 ms以內(nèi)。

2.2.1 光照與陰影

在虛擬場(chǎng)景中，光照與陰影是增加真實(shí)感和視覺品質(zhì)的關(guān)鍵因素。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)基于光照模型和陰影算法，使虛擬場(chǎng)景中的光照具有逼真的視覺效果。其中，光照模型采用基于物理的渲染（Physically Based Rendering，PBR）模型，以模擬真實(shí)世界中光線的傳播和反射，考慮材質(zhì)的表面反射率、粗糙度等，并采用基于物理的光照計(jì)算公式，如雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF），以實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界般的光照效果。陰影算法也在虛擬場(chǎng)景扮演著至關(guān)重要的角色，采用Shadow Mapping、Ray Tracing等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逼真的陰影效果，使虛擬場(chǎng)景中的物體在光照下產(chǎn)生合理的陰影，增加場(chǎng)景的真實(shí)感與立體感。

2.2.2 特效渲染

特效渲染是指在虛擬場(chǎng)景中實(shí)時(shí)生成各種視覺特效，如煙霧、火焰、水面反射等，以增加節(jié)目的藝術(shù)表現(xiàn)力。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)采用粒子系統(tǒng)、體積渲染等方法，制作出具有真實(shí)感的特效。例如，基于流體動(dòng)力學(xué)模擬煙霧的行為，并結(jié)合光照模型進(jìn)行渲染，以呈現(xiàn)真實(shí)的煙霧效果。此外，采用體積光照、全局光照等高級(jí)渲染技術(shù)，能夠獲得更加逼真的特效表現(xiàn)，為廣播電視節(jié)目增添視覺沖擊力，提升節(jié)目的觀賞性和藝術(shù)表現(xiàn)力[4]。在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)渲染技術(shù)在光照、陰影和特效渲染方面的應(yīng)用，為節(jié)目帶來(lái)了更加豐富、真實(shí)的視覺效果，幫助編導(dǎo)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的節(jié)目制作。

2.3 交互式設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

交互式設(shè)計(jì)技術(shù)是指在產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)中注重用戶體驗(yàn)和用戶界面的設(shè)計(jì)技術(shù)，包括用戶界面設(shè)計(jì)、信息架構(gòu)設(shè)計(jì)、交互流程設(shè)計(jì)等。在充分了解用戶需求和行為的基礎(chǔ)上，應(yīng)用交互式設(shè)計(jì)技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出易于使用、直觀且高效的產(chǎn)品和系統(tǒng)。此技術(shù)注重用戶與系統(tǒng)的互動(dòng)，考慮用戶感知、情感和行為，旨在提供良好的用戶體驗(yàn)。

2.3.1 觸覺反饋

在虛擬仿真場(chǎng)景中，觸覺反饋以技術(shù)手段模擬真實(shí)世界中的觸覺感受，為用戶提供更加身臨其境的體驗(yàn)。在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域，觸覺反饋技術(shù)被應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)節(jié)目的交互體驗(yàn)中。例如，觀眾佩戴頭盔顯示器和手柄設(shè)備，與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，觸摸虛擬物體，感受虛擬環(huán)境中的力反饋或表面紋理，從而提升沉浸感和參與度。觸覺反饋技術(shù)常常基于力反饋設(shè)備（如力反饋手柄、振動(dòng)反饋設(shè)備等）以及觸覺傳感器，實(shí)時(shí)識(shí)別用戶動(dòng)作和交互，并產(chǎn)生相應(yīng)的觸覺反饋，增強(qiáng)用戶對(duì)虛擬環(huán)境的感知和互動(dòng)體驗(yàn)。

2.3.2 語(yǔ)音交互

語(yǔ)音交互技術(shù)使節(jié)目與觀眾之間更加自然、便捷的交流互動(dòng)成為可能。在語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和自然語(yǔ)言處理技術(shù)的支持下，觀眾可以直接通過(guò)語(yǔ)音輸入與虛擬主持人和虛擬角色進(jìn)行互動(dòng)。這樣的互動(dòng)方式為編導(dǎo)提供了創(chuàng)作與互動(dòng)的新思路，可以設(shè)計(jì)更加有趣、豐富的節(jié)目形式。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，語(yǔ)音交互技術(shù)涉及語(yǔ)音信號(hào)采集、語(yǔ)音識(shí)別與理解以及自然語(yǔ)言生成等環(huán)節(jié)。程序能識(shí)別用戶語(yǔ)音指令，理解用戶需求并做出相應(yīng)反饋，進(jìn)一步增強(qiáng)了觀眾的參與感和個(gè)性化體驗(yàn)。

3 虛擬仿真技術(shù)在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬出全方位、多維度的虛擬環(huán)境，使用戶能夠沉浸其中并與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)頭戴式顯示器和手柄等設(shè)備，能夠?yàn)橛脩魩?lái)身臨其境的感覺，使他們?cè)谔摂M環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)、學(xué)習(xí)與溝通。

3.1.1 沉浸式體驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于虛擬環(huán)境，使觀眾能夠身臨其境地感受節(jié)目?jī)?nèi)容，進(jìn)而提升節(jié)目的表現(xiàn)力和觀賞體驗(yàn)。在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，讓觀眾全身心地沉浸于虛擬環(huán)境。例如，觀眾可以通過(guò)佩戴頭盔顯示器，體驗(yàn)全方位的環(huán)境，觀察虛擬場(chǎng)景中的物體和人物，并與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，以便更好地理解節(jié)目?jī)?nèi)容，深入了解背景故事，產(chǎn)生情感共鳴。

實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)的技術(shù)手段包括立體視覺顯示技術(shù)、頭部追蹤技術(shù)、空間聲音技術(shù)等。其中，立體視覺顯示技術(shù)利用雙眼顯示不同的圖像，來(lái)模擬人眼對(duì)物體的遠(yuǎn)近感，增強(qiáng)觀眾的空間感知；頭部追蹤技術(shù)能感應(yīng)頭部的姿態(tài)和位置變化，使得虛擬環(huán)境能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)用戶視角進(jìn)行調(diào)整，從而使觀眾在虛擬環(huán)境中自由觀察周圍的景象[5]；空間聲音技術(shù)基于多個(gè)揚(yáng)聲器和聲音處理算法，模擬聲音在真實(shí)環(huán)境中的傳播路徑和效果，給觀眾帶來(lái)更加逼真的聲音效果。

3.1.2 追蹤與定位

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，追蹤觀眾的位置與姿態(tài)非常重要，能夠確保虛擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境相匹配，從而實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的觀看體驗(yàn)。追蹤與定位技術(shù)實(shí)時(shí)記錄和跟蹤觀眾的位置、方向和動(dòng)作，使虛擬環(huán)境能夠根據(jù)觀眾的移動(dòng)和操作作出適應(yīng)性調(diào)整。例如，利用手柄設(shè)備進(jìn)行手部追蹤和互動(dòng)，利用基于攝像頭的追蹤技術(shù)進(jìn)行全身追蹤，使觀眾能夠在虛擬環(huán)境中自由移動(dòng)和操作。

實(shí)現(xiàn)追蹤與定位的技術(shù)手段有很多種，包括慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、光學(xué)追蹤系統(tǒng)以及攝像頭識(shí)別等。其中，IMU利用加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器，實(shí)時(shí)獲取觀眾的姿態(tài)和加速度信息；光學(xué)追蹤系統(tǒng)利用攝像頭和被追蹤物體之間的紅外光信號(hào)進(jìn)行追蹤，以獲取觀眾的位置和姿態(tài)信息[6]；攝像頭識(shí)別技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺算法分析觀眾在攝像頭視野范圍內(nèi)的圖像，推測(cè)出觀眾的位置和動(dòng)作。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬的數(shù)字信息融合到真實(shí)世界中，使用戶能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬內(nèi)容進(jìn)行交互。該技術(shù)基于攝像頭、傳感器和顯示設(shè)備等，實(shí)時(shí)感知和識(shí)別現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并將相關(guān)虛擬信息疊加在用戶視覺中，使用戶獲得更加豐富的信息和交互體驗(yàn)，無(wú)須完全脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

3.2.1 現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在真實(shí)環(huán)境中疊加虛擬信息，使用戶能夠看到增強(qiáng)、虛擬的現(xiàn)實(shí)世界，從而創(chuàng)造更加豐富、生動(dòng)的節(jié)目體驗(yàn)。在廣播電視節(jié)目中，現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)用于創(chuàng)造交互式環(huán)境。例如，在真實(shí)環(huán)境中疊加虛擬的物體、人物或動(dòng)畫角色，使觀眾通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備觀看到與真實(shí)環(huán)境融合的虛擬內(nèi)容，增加他們的參與感和互動(dòng)性。

具體的技術(shù)手段包括即時(shí)定位和地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization And Mapping，SLAM）技術(shù)和虛擬物體識(shí)別與跟蹤技術(shù)。其中，SLAM技術(shù)能夠識(shí)別和跟蹤攝像頭感知到的環(huán)境，實(shí)時(shí)構(gòu)建虛擬模型，并精準(zhǔn)定位用戶位置，從而使虛擬內(nèi)容準(zhǔn)確疊加在真實(shí)環(huán)境中；虛擬物體識(shí)別與跟蹤技術(shù)則利用計(jì)算機(jī)視覺算法和圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別與跟蹤真實(shí)環(huán)境中的物體及場(chǎng)景，使虛擬內(nèi)容能夠與真實(shí)環(huán)境中的特定物體進(jìn)行互動(dòng)和疊加顯示。

3.2.2 信息疊加

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬信息疊加在真實(shí)世界中，使得觀眾在觀看廣播電視節(jié)目時(shí)獲得額外的信息和互動(dòng)體驗(yàn)。在編導(dǎo)領(lǐng)域，信息疊加技術(shù)用于向觀眾提供更加直觀、便捷的信息呈現(xiàn)方式。例如，在新聞報(bào)道中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將立體的地圖、數(shù)據(jù)和圖表等信息疊加在真實(shí)場(chǎng)景中，使觀眾更清楚地理解新聞事件的背景和數(shù)據(jù)，提升信息的展示效果，增加他們的理解和記憶深度。

信息疊加的實(shí)現(xiàn)涉及虛擬信息的定位、疊加和顯示。基于空間定位技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備能夠準(zhǔn)確感知用戶的位置和姿態(tài)，從而將虛擬信息準(zhǔn)確疊加在用戶觀察的真實(shí)環(huán)境中。此外，虛擬信息的疊加還涉及圖像疊加技術(shù)和透視變換技術(shù)，目的是確保虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景的無(wú)縫融合以及顯示效果的逼真性。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)在廣播電視編導(dǎo)領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，通過(guò)三維建模、實(shí)時(shí)渲染、交互式設(shè)計(jì)等技術(shù)，使得廣播電視節(jié)目的制作、導(dǎo)演和播出方式得到革命性改變。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了用戶體驗(yàn)，為觀眾帶來(lái)沉浸式觀影體驗(yàn)。未來(lái)，隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，廣播電視領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更多可能性，為觀眾帶來(lái)全新的視聽感受。