AR技術(shù)在演播廳中的應(yīng)用

【摘要】隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速與媒體行業(yè)對沉浸式體驗(yàn)的追求，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)在演播廳中的應(yīng)用正逐漸成為行業(yè)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。本文研究了AR技術(shù)在演播廳中的應(yīng)用，首先介紹了AR技術(shù)概述與工作原理，然后闡述了其在演播廳應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括圖像識別與跟蹤、實(shí)時(shí)渲染等，最后從場景設(shè)計(jì)構(gòu)建、視覺效果提升及觀眾互動體驗(yàn)三方面探討了其具體應(yīng)用，旨在提升演播廳的制作水平和觀眾體驗(yàn)，進(jìn)而推動AR技術(shù)在演播領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】AR技術(shù)；演播廳；應(yīng)用研究

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.007

在當(dāng)今數(shù)字化飛速發(fā)展的時(shí)代，作為文化傳播與信息交匯的核心舞臺，演播室正面臨著歷史性的轉(zhuǎn)型。借助AR技術(shù)，將虛擬元素?zé)o縫嵌入真實(shí)環(huán)境，傳統(tǒng)演播室的創(chuàng)意邊界被重新定義，節(jié)目創(chuàng)作迎來了前所未有的創(chuàng)新空間。AR技術(shù)拓展了演播室的視覺設(shè)計(jì)維度，實(shí)現(xiàn)了小空間大場景的震撼效果，更是在視覺呈現(xiàn)上融入了豐富特效與虛擬物件，顯著提升了節(jié)目的觀賞性和吸引力。因此，本文對AR技術(shù)在演播廳中的應(yīng)用展開了深入研究，以推動演播廳的現(xiàn)代化發(fā)展、滿足觀眾日益增長的觀賞需求。

1. AR技術(shù)概述與工作原理

1.1 AR技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）技術(shù)是將數(shù)字信息與用戶所處的物理環(huán)境實(shí)時(shí)融合的技術(shù)，通過在現(xiàn)實(shí)世界的視圖上疊加虛擬信息為用戶提供全新的、增強(qiáng)的感知體驗(yàn)。AR技術(shù)包括視覺信息的增強(qiáng)，其通過聲音、觸覺等多種感官通道提供信息，使用戶能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬對象進(jìn)行互動。AR技術(shù)的核心在于實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的無縫融合，為用戶提供沉浸式、交互式的體驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于教育、娛樂、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

1.2 AR技術(shù)的工作原理

AR技術(shù)的工作原理主要涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟：感知、融合與交互。

感知是指感知現(xiàn)實(shí)環(huán)境，AR系統(tǒng)首先需要感知用戶所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，這通常通過攝像頭、傳感器等設(shè)備完成，系統(tǒng)捕捉到用戶周圍的環(huán)境信息，如圖像、聲音、位置等，其中視覺感知是最為常見的形式，系統(tǒng)通過攝像頭捕捉到的圖像識別和理解環(huán)境中的物體、場景[2]。

融合是指疊加虛擬信息，在感知到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)上AR系統(tǒng)將虛擬信息實(shí)時(shí)疊加到用戶視野中，這一步驟涉及到復(fù)雜的空間定位與跟蹤技術(shù)，確保虛擬信息能夠準(zhǔn)確地與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物體對齊，營造出虛擬信息本身就是現(xiàn)實(shí)世界一部分的錯(cuò)覺。且AR系統(tǒng)需實(shí)時(shí)調(diào)整虛擬信息的位置、大小、方向等參數(shù)以適應(yīng)用戶視角的變化，保持虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的協(xié)調(diào)。

交互指的是用戶與虛擬信息的互動。AR技術(shù)的最終目的是實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬信息的自然互動，用戶可通過手勢、聲音、眼球運(yùn)動等方式與虛擬對象進(jìn)行交互，而系統(tǒng)則根據(jù)用戶的輸入實(shí)時(shí)調(diào)整虛擬信息，實(shí)現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)，以豐富用戶體驗(yàn)，使用戶能夠更加直觀、自然地與虛擬信息進(jìn)行互動，增強(qiáng)體驗(yàn)的沉浸感和參與感。

2. AR技術(shù)在演播廳中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像識別與跟蹤技術(shù)

在演播廳環(huán)境中，圖像識別與跟蹤技術(shù)需要精確識別演播廳中的特定物體、標(biāo)志物或者演員的動作，并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，如通過對舞臺上特定圖案標(biāo)記的識別，準(zhǔn)確地定位虛擬元素應(yīng)該出現(xiàn)的位置。對于演員的跟蹤，基于計(jì)算機(jī)視覺的人體姿態(tài)估計(jì)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)捕捉演員的動作，使得虛擬特效能夠緊密跟隨演員的表演，實(shí)現(xiàn)人與虛擬元素的完美互動。在復(fù)雜的燈光和背景環(huán)境下，高性能的圖像識別算法需要能夠排除干擾因素，保證跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.2 實(shí)時(shí)渲染技術(shù)

由于演播廳節(jié)目通常是現(xiàn)場直播或者實(shí)時(shí)錄制，這就要求AR技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬內(nèi)容的實(shí)時(shí)渲染。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)需要快速處理大量的圖形數(shù)據(jù)，將復(fù)雜的3D虛擬模型、特效等轉(zhuǎn)化為能夠在屏幕上流暢顯示的圖像，這依賴于強(qiáng)大的圖形處理單元（Graphic Processing Unit，GPU）和高效的渲染算法[3]。對于虛擬場景的構(gòu)建，渲染引擎需要根據(jù)不同的視角和光照條件，實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)像素的顏色和亮度以呈現(xiàn)出逼真的視覺效果。

2.3 空間定位技術(shù)

空間定位的準(zhǔn)確性是AR技術(shù)在演播廳中應(yīng)用的基礎(chǔ)，它需要確定演播廳的物理空間范圍以及各個(gè)元素在空間中的位置關(guān)系。利用諸如激光雷達(dá)等設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對演播廳的整體空間的全面掃描，構(gòu)建出精細(xì)的三維模型；多個(gè)攝像頭的協(xié)同工作則能精確定位物體在空間中的坐標(biāo)。尤其在大型的演播廳表演中，空間定位技術(shù)可以確保虛擬元素如建筑、景觀在預(yù)設(shè)位置精準(zhǔn)顯示，即便在演員和觀眾移動時(shí)，仍能維持虛擬元素相對位置的恒定，構(gòu)造沉浸式的視覺體驗(yàn)。

2.4 交互技術(shù)

演播廳中的AR應(yīng)用需要良好的交互技術(shù)來增強(qiáng)觀眾和演員與虛擬元素的互動。如基于手勢識別的交互方式，通過攝像頭捕捉觀眾或演員的手勢動作將其轉(zhuǎn)化為對虛擬元素的操作指令，如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)虛擬物體等；或根據(jù)觀眾或演員的語音指令來控制虛擬元素的行為。而基于觸感反饋的交互技術(shù)是指當(dāng)演員或觀眾與虛擬元素進(jìn)行接觸時(shí)，通過特殊的設(shè)備提供觸感反饋增加互動的真實(shí)感。

3. AR 技術(shù)在演播廳中的具體應(yīng)用

3.1 場景設(shè)計(jì)與構(gòu)建

3.1.1 虛擬場景擴(kuò)展

在演播廳室的創(chuàng)新呈現(xiàn)中，AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場景擴(kuò)展主要基于其先進(jìn)的圖像識別與空間映射技術(shù)，顯著拓寬了虛擬場景的邊界。高清攝像頭設(shè)備對演播廳的物理空間進(jìn)行全方位的圖像采集，這些圖像包含了舞臺的布局、燈光布置、現(xiàn)有道具等詳細(xì)信息，然后利用復(fù)雜的算法對這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，識別出空間中的關(guān)鍵特征點(diǎn)，構(gòu)建出精確的三維空間坐標(biāo)系。當(dāng)需要將舞臺轉(zhuǎn)變?yōu)楹棋挠钪婵臻g時(shí)，AR系統(tǒng)會根據(jù)這個(gè)坐標(biāo)系，在對應(yīng)的位置上疊加與宇宙相關(guān)的三維虛擬模型，這些模型經(jīng)過高精度的建模如星球紋理、星云形狀等，高度還原真實(shí)宇宙的特征[4]。同時(shí)為使虛擬場景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境高度融合，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)調(diào)整虛擬場景的光照、色彩等參數(shù)，使其與演播廳內(nèi)的燈光環(huán)境相匹配。當(dāng)舞臺燈光調(diào)暗時(shí)，虛擬宇宙中的星光會相應(yīng)地變得更加明亮，營造出逼真的視覺效果。例如，2022年央視春晚的某歌舞節(jié)目原本的舞臺空間是有限的，但通過AR技術(shù)的虛擬場景擴(kuò)展可以讓觀眾看到置身于宇宙深處的宏大場景，舞臺上的演員們仿佛在星際間穿梭，周圍是絢麗多彩的星云和閃耀著光芒的星球。這種視覺體驗(yàn)的達(dá)成就是利用了上述的圖像采集、算法處理、模型疊加、參數(shù)調(diào)整等系列技術(shù)環(huán)節(jié)，打破了舞臺空間的限制，為觀眾帶來美輪美奐的視覺體驗(yàn)。

3.1.2 場景元素替換

AR技術(shù)依靠精確的物體識別和跟蹤算法進(jìn)行場景元素替換。攝像頭對演播廳中的實(shí)物場景元素如道具沙發(fā)等進(jìn)行圖像采集，然后通過算法識別出沙發(fā)的形狀、顏色、紋理等特征信息。接著在虛擬素材庫中選擇具有特殊設(shè)計(jì)風(fēng)格的虛擬沙發(fā)模型，這個(gè)模型可能是基于復(fù)雜的三維建模軟件制作的，具有豐富的細(xì)節(jié)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格。在替換過程中，AR系統(tǒng)會根據(jù)沙發(fā)在現(xiàn)實(shí)空間中的位置、姿態(tài)等信息將虛擬沙發(fā)準(zhǔn)確地疊加到實(shí)物沙發(fā)的位置上。為保證替換效果的真實(shí)性，系統(tǒng)會對虛擬沙發(fā)的光照反射、陰影等視覺效果進(jìn)行模擬，使其與周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境完美融合。例如，在一檔室內(nèi)設(shè)計(jì)展示節(jié)目中演播廳最初擺放的是一個(gè)普通的現(xiàn)代簡約風(fēng)格的沙發(fā)，當(dāng)節(jié)目需要展示不同風(fēng)格的室內(nèi)設(shè)計(jì)效果時(shí)則可以通過AR技術(shù)將這個(gè)普通沙發(fā)替換成了具有歐式古典風(fēng)格的虛擬沙發(fā)，沙發(fā)可以有精美的雕花、華麗的面料以及復(fù)古的色彩，且隨著演播廳燈光的變化，虛擬沙發(fā)上的光影效果和陰影也會相應(yīng)地發(fā)生改變，就好像真的有一個(gè)歐式古典沙發(fā)擺放在那里一樣，讓觀眾能夠直觀地感受到不同設(shè)計(jì)風(fēng)格帶來的視覺沖擊。

3.2 視覺效果提升

3.2.1 特效添加

在演播廳中利用AR技術(shù)進(jìn)行特效添加，其背后需要通過高靈敏度的傳感器（如攝像頭、動作捕捉設(shè)備等）實(shí)時(shí)采集演員的動作以及場景的圖像信息，而計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)則基于這些數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)設(shè)的算法對圖像進(jìn)行分析處理[5]。當(dāng)要添加光影效果時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)場景的光照模型和物體的材質(zhì)屬性，計(jì)算出光線的反射、折射、散射等物理現(xiàn)象，從而生成逼真的光影特效。如在一場舞臺劇中，當(dāng)演員站在虛擬的森林場景中時(shí)，陽光透過樹葉間隙灑下的斑駁光影，就是通過精確計(jì)算光線與樹葉、演員身體的交互而實(shí)現(xiàn)的。而粒子效果的添加則依賴于粒子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)會生成大量微小的粒子（如雪花、火花等）并根據(jù)物理規(guī)則（如重力、風(fēng)力等）對這些粒子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬。如在某舞蹈節(jié)目中通過AR技術(shù)添加的粒子效果，讓舞者仿佛置身于星光粒子雨中，這些粒子會隨著舞者的動作飄動、旋轉(zhuǎn)，極具視覺沖擊力。這一切特效的呈現(xiàn)都需要強(qiáng)大的GPU來進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，確保特效能夠與演員的表演以及場景同步，以高幀率流暢地展示在觀眾眼前。

3.2.2 虛擬角色融入

虛擬角色融入演播廳表演中主要依靠高精度的動作捕捉技術(shù)和實(shí)時(shí)渲染技術(shù)。動作捕捉設(shè)備（如光學(xué)捕捉系統(tǒng)、慣性捕捉系統(tǒng)等）會捕捉演員的動作數(shù)據(jù)，光學(xué)捕捉系統(tǒng)通過在特定空間中布置多個(gè)高速攝像機(jī)，從不同角度對演員身上佩戴的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行拍攝，這些標(biāo)記點(diǎn)反射的光線被攝像機(jī)接收后，通過復(fù)雜的三角測量算法精確計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)在三維空間中的位置變化，獲取演員的動作信息；慣性捕捉系統(tǒng)則是利用安裝在演員身體關(guān)鍵部位的慣性傳感器測量加速度、角速度等數(shù)據(jù)，通過積分運(yùn)算來推算出肢體的運(yùn)動狀態(tài)。這些動作數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，作為虛擬角色動作的驅(qū)動源。同時(shí)虛擬角色的建模是通過復(fù)雜的三維建模軟件完成的，從角色的外觀設(shè)計(jì)到骨骼動畫的構(gòu)建都需要專業(yè)的設(shè)計(jì)師和動畫師精心打造。在外觀設(shè)計(jì)上要對角色的紋理、色彩等細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)繪制，使其具有逼真的視覺效果。在渲染方面，實(shí)時(shí)渲染引擎會根據(jù)場景的光照、虛擬角色的材質(zhì)等因素對虛擬角色進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。渲染引擎會基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）技術(shù)，考慮光線在虛擬角色表面的反射、折射、吸收等物理過程，計(jì)算出角色表面每一個(gè)像素的顏色和亮度。對于虛擬角色的材質(zhì)（如皮膚、金屬、布料等），會根據(jù)其各自的光學(xué)特性和物理屬性進(jìn)行不同的渲染處理，如皮膚材質(zhì)需要模擬次表面散射效果讓光線能夠穿透皮膚在內(nèi)部散射，使角色看起來更加真實(shí)自然。

3.3 觀眾互動體驗(yàn)

3.3.1 互動界面展示

在實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)為觀眾呈現(xiàn)互動界面的過程中，需要依靠高精度的圖像識別與跟蹤技術(shù)，通過在演播廳內(nèi)布置多個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)捕捉觀眾所處的位置以及他們的動作姿態(tài)，然后利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺算法基于這些圖像信息進(jìn)行分析處理，識別出觀眾的手部動作等交互行為。如在某些大型的選秀節(jié)目中，現(xiàn)場觀眾可以通過簡單的手勢動作與舞臺上的互動界面進(jìn)行交互。當(dāng)觀眾做出特定的手勢，如向上滑動、點(diǎn)擊等動作時(shí)，這些動作會被攝像頭捕捉，然后經(jīng)過算法處理轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的指令。其通過對圖像中手的輪廓、手指的彎曲程度以及手的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，系統(tǒng)可以判斷觀眾是在進(jìn)行選擇操作還是切換界面操作，算法會不斷地進(jìn)行優(yōu)化并考慮不同觀眾的手勢習(xí)慣、手部大小、動作速度等因素。在互動界面的構(gòu)建方面，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)出色彩鮮艷、易于操作的互動界面元素，如投票按鈕、抽獎(jiǎng)轉(zhuǎn)盤等，觀眾通過手勢與這些界面元素進(jìn)行交互，完成投票、抽獎(jiǎng)等操作。例如，在觀眾進(jìn)行投票操作時(shí)，投票信息會在毫秒級的時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)投票數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析并及時(shí)將結(jié)果反饋給觀眾。反饋的方式可以是在互動界面上顯示投票進(jìn)度、中獎(jiǎng)信息等，也可以通過聲音、燈光等其他多媒體方式進(jìn)行提示。

3.3.2 沉浸式體驗(yàn)打造

打造沉浸式的觀眾體驗(yàn)主要依賴于空間定位技術(shù)和逼真的虛擬環(huán)境構(gòu)建技術(shù)。空間定位技術(shù)通過多種設(shè)備協(xié)同工作，如利用紅外傳感器、超聲波傳感器等對觀眾在演播廳內(nèi)的位置進(jìn)行精確地定位，或利用慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）感知觀眾頭部和身體的移動方向、角度等信息，而AR系統(tǒng)基于這些位置信息為觀眾構(gòu)建出個(gè)性化的虛擬環(huán)境。例如，2022年除夕央視春晚上的舞蹈詩劇節(jié)目《只此青綠》，在演播廳中觀眾進(jìn)入特定區(qū)域后，然后通過空間定位系統(tǒng)根據(jù)觀眾的位置和視角信息為其構(gòu)建出與節(jié)目《只此青綠》的舞臺場景完美融合的虛擬環(huán)境。在這個(gè)虛擬環(huán)境的構(gòu)建過程中，利用高精度的3D建模技術(shù)對舞臺上的山水、人物服飾、舞蹈動作等進(jìn)行細(xì)致的數(shù)字化建模，使每一處紋理、褶皺都清晰可見。而渲染技術(shù)采用全局光照算法和復(fù)雜的材質(zhì)渲染技術(shù)使虛擬環(huán)境中的光影效果、物體材質(zhì)的質(zhì)感都極度逼真，再配合高保真的聲音系統(tǒng)播放與舞蹈節(jié)奏相匹配的古典音樂和環(huán)境音效，從視覺、聽覺等多個(gè)感官維度增強(qiáng)觀眾的沉浸感，讓觀眾全身心地融入節(jié)目場景之中。

4. 結(jié)束語

AR技術(shù)在演播廳中的應(yīng)用無疑開啟了節(jié)目制作的新紀(jì)元，它從場景設(shè)計(jì)、視覺效果提升到觀眾互動體驗(yàn)等多個(gè)方面進(jìn)行了變革。盡管目前還面臨著如技術(shù)精度需要提高、內(nèi)容創(chuàng)作難度大等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，這些問題正逐步被攻克。5G時(shí)代的到來為AR技術(shù)的發(fā)展提供了更強(qiáng)大的助力，讓其在演播廳的應(yīng)用更加流暢、高效?？梢灶A(yù)見，未來AR技術(shù)將進(jìn)一步與其他先進(jìn)技術(shù)融合，創(chuàng)造出更具沉浸感和創(chuàng)新性的演播廳節(jié)目，滿足觀眾日益增長的視聽需求，推動演播廳行業(yè)邁向更高的發(fā)展階段。

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