增強現實技術在電視節目中的應用分析

李 瑩

（山東廣播電視臺，山東 濟南 250000）

0 引 言

增強現實技術作為現階段新興技術，擁有人機接口、現實空間的仿真模擬工具，發揮出較強的技術作用，展現出超強的技術潛力。增強現實技術成功整合了人工智能、CAD制圖、空間仿真以及數據訓練等多種技術，以城市鏡頭為代表性應用，此應用程序集合了購物推薦、景點導航、商戶介紹等多個平臺。將AR技術融合于電視節目中，可以增強畫面質量，加強多個平臺資料展示的同步性，具有重要研究價值。

1 增強現實技術

1.1 技術功能

增強現實技術利用攝像功能，借助攝像頭的自由度，動態獲取攝影資料，在虛擬空間中收集資料，形成虛擬與現實數據信息的交互。增強現實技術具有連接虛擬空間與真實事物的技術優勢，對視覺、音頻、味覺等信息，借助智能科技進行仿真疊加，在真實環境中融合虛擬資料，形成較強的感官體驗。增強現實技術整合了多媒體、立體模型、監控科技、傳感器、動態跟蹤、場景疊加等技術，能夠為人們創設全新的感知環境。

1.2 技術優勢

增強現實技術表現出三個技術優勢：真實環境與虛擬空間的數據連接，虛擬與現實兩個環境數據的動態交互，在立體空間中，給出了虛擬物質的真實定位信息，因此在軍事、醫療、影視等多個領域獲得了廣泛使用。在電視節目中使用增強現實技術，能夠提升體育賽事視頻的畫面疊加效果，便于觀眾實時觀看比賽，及時接收各類輔助資料，提升賽事觀看的體驗感，增加賽事資料接收的全面性。因此，以電視節目為視角研究增強現實技術的使用方法，具有較高的研究價值。

1.3 跟蹤技術應用

1.3.1 普通顯示中的跟蹤技術

增強現實技術有多種數據交互形式。AR系統的顯示可劃分為普通顯示和頭盔顯示[1]。普通顯示方案在技術運作時依賴于真實環境中添加的攝影設備，由傳感器反饋數據資料，進行數據動態跟蹤，是現階段電視節目的常用方案。

1.3.2 攝影平臺組成

傳感器負責采集影像資料，獲取動態數據時依賴于攝影平臺。攝影平臺的物理組成包括：腳架，用于攝影設備支撐；搖臂，用于調整攝影角度與方位；軌道，從水平方向移動攝影設備位置；牽引，從豎直方向調整攝影設備位置。平臺各結構的運行以機械齒輪、液壓系統為力量驅動，確保攝影運行的平穩性。

1.4 SLAM算法

1.4.1 算法簡介

光學跟蹤技術以SLAM算法為技術中心，能夠對數據位置、真實物理地圖進行資料同步。比如家用智能清掃設備是SLAM算法的代表應用。此種同步技術對真實環境進行多次觀測，捕獲環境特征，鎖定自身位置，調整自身姿態。與此同時，依據自身所在方位，補充周邊環境虛擬信息，形成增量式地圖，達成相同時間內位置鎖定、地圖信息采集的目標。

1.4.2 算法類型

SLAM技術包含傳感器和視覺兩種類型。傳感器類型主要使用激光雷達，技術較為成熟。視覺類型的算法有多種計算方案，如單目、雙目等。單目視覺計算方案使用一組攝影頭進行目標物的信息采集，在信息采集時會降低圖像立體信息的真實性。因此，單目相機需要持續拍攝，確保各時段采集圖像信息的動態性，以獲取各時段的影像方位。雙目視覺計算方案使用兩組攝影頭，與3D特殊眼鏡相似，采取兩組攝像頭的成圖對比方式獲取攝影頭的相對位置。視覺方案在實際使用時，均需建立在充足數學特征的基礎上。數學特征以相鄰圖像屬性為基礎，一般包括角點、邊緣點、暗區亮點、亮區暗點等。相比圖像識別技術，深度圖像攝像頭在紅外線幫助下能夠有效接收返回的紅外線，獲得發出與返回兩個紅外線的相位差，間接判斷物體深度。在獲取深度信息后，準確推算相機的運動長度。

結合SLAM的技術優勢，光學跟蹤系統整合了多種ALAM技術，確保攝影結果的精準性。

1.5 數據校準

1.5.1 校準方法

為保證立體虛擬結構與真實環境的契合效果，需進行真實與虛擬兩個坐標的比對。此時，進行數據校準較為關鍵。跟蹤設備啟動時，以FreeD協議為基礎，傳送攝像機方位、鏡頭兩組參數，確保渲染端接收數據。在數據校驗前期，明確跟蹤設備的初始位置與坐標點位，結合立體場景的坐標參數，測量出跟蹤設備與虛擬場景之間的參數偏差。計算位置偏差量時，以立體場景的各項坐標參數為基礎資料，此時跟蹤設備的坐標零點參數對應于場景坐標參數。

1.5.2 校準實例

假設虛擬空間中零點位置處于舞臺前方中心點位，攝像機與中心點位存在多種參數的位置偏差，包括水平、豎向深度、高度等，對于位置偏移量進行準確測量。在數據校準與調試時，坐標3個方向的參數值較為關鍵，可以確保虛擬與現實兩組坐標校準效果，確保AR物體與周邊環境有效貼合。較為關鍵的是，各類設備與軟件在真實坐標系中的界定具有差異性。如部分搖臂高度設定為Z軸，在虛擬空間中高度參數對應的是Y軸。兩個軸參數在轉化時，需使用FreeD協議，確保參數轉化效果，減少參數偏差問題。數據校準時需要明確真實物體與虛擬空間坐標軸的設定差異，確保數據校準質量[2]。

2 SLAM技術融合電視節目的應用

2.1 春晚節目

2019年春晚節目中，節目制作組在斯坦尼康、搖臂處使用AR鏡頭，借助虛擬鏡頭的自由性，成功捕獲室外空間影像信息。在增強現實技術融合中，攝像設備云端添加兩組鏡頭，對目標場景進行全方位掃描，提取區域中的場景特征屬性，構建成環境點云模型。在攝像機移動位置時，兩組鏡頭同步調整位置，獲取相鄰時刻中點云的位置差異，校準相機所在方位。

2.2 文物展示節目

在文物展示節目中，可以使用SLAM模塊，借助增強現實技術，進行兵馬俑等文物的虛擬展示。首先，對真實兵馬俑立體參數搭建成的模型進行壓縮處理，數據包被壓縮成10 MB左右大小。其次，提取數據包紋理特征。最后將其用于虛擬文物展示。借助紋理特征的虛擬描述，以SLAM算法獲取文物方位，確保模型繪制的全面性，增強文物展示的真實感。

3 數據校準融合電視節目的應用

在電視節目有序發展中，虛擬角色的制作科技、制作流程處于逐步完善的狀態，相應增加了數據校準技術的使用需求。以某卡通電視節目為例，卡通欄目以少兒為主要目標收視群體，此群體對虛擬動畫具有較高的追求心理，由此提升了卡通角色的設計任務量[3]。卡通形象麥咭是某卡通電視的代言角色，在多個頻道、欄目宣傳視頻中，進行虛擬人物的融合制作。以《飛行游樂園》為活動主題，對卡通角色麥咭進行處理，確保節目展示的增強現實效果[4]。

3.1 技術使用需求

在麥咭虛擬形象正常使用的基礎上，制作一部麥咭虛擬人物與主持人真人互動的MV作品。

3.2 方案設計

麥咭的動作角度與位置可結合真人運動進行模擬。因此，前期需要進行環境資料的測試，對麥咭行動、扮演者行為的位置參數進行匹配[5]。

在測試中，進行演員與麥咭的骨骼坐標匹配，采取多次掃描、數據校準方式，確保軸向一致。由于演員與麥咭具有身材比例、骨骼結構的差異性，為加強影視效果，調整了扮演者的運動體式，比如手與身體保持一定距離，減少自然下垂動作[6]。

3.3 數據校準的具體應用

渲染技術能夠保證剛體模型的自由性，但無法確保麥咭卡通柔性模型的運行效果。對此問題，使用三維動畫模型軟件進行驅動渲染處理，將軟件生成的動態畫面用作視頻信號，反饋給渲染引擎[7]。此時，程序輸出的視頻信號無法同步給出“鍵信號”，在虛擬引擎顯示麥咭虛擬形象存在困難[8]。為此，將畫面背景顏色調整成全藍色，以“藍色背景+視頻信號”的形式進行渲染引擎，操作程序“色鍵”摳出麥咭形象，解決了渲染問題。

使用數據校準虛擬技術，讓虛擬人物模仿真人動作，可以形成虛擬人物動畫制作效果。此技術與真人處于相同空間，真人拍攝時，會出現在畫面中，需要對示范動作的真人進行遮擋處理。對此，可以使用引擎遮罩功能，對真人動作進行屏蔽處理[9]。在真人錄制期間，進行虛擬場景的設計與調整，結合主持人的具體方位，調整麥咭虛擬人偶的具體方位，將真人表演者位置進行遮擋處理，防止真人出現在電視畫面中，解決了穿幫問題[10]。

3.4 技術使用效果

麥咭節目錄制過程總共用時4 h，拍成2個MV產品，有效控制了后期節目制作所需的成本，獲得了優異的播放效果[11]。麥咭MV產品的錄制與技術應用，形成了增強現實技術的應用案例，為后續相關節目生產提供了參考。

4 渲染與交互在電視節目中的應用

4.1 渲染引擎

在電視節目播放時，AR場景以手動觸發操作為主，回避了串聯滾動播放的局限性問題。在實際觸發時，使用鼠標、快捷鍵進行觸發設計，確保虛擬場景的控制質量[12]。在使用快捷鍵進行控制時，應在場景程序中，添加邏輯腳本，使用渲染引擎給予解析，解析后執行控制指令。在各領域虛擬展示中，AR圖像質量較為關鍵。渲染引擎是決定畫面顯示質量的主要技術。渲染引擎能夠有效轉化立體模型，以平面圖像進行展示，結合前期設定完成材質、紋理等各項資料，準確獲取虛擬物體表層的細節特征[13]。以物理空間為視角創建的渲染技術，使用了諸多真實環境的模擬技術，借助數學理論，以物理視角增強視覺效果。應用的模擬技術包括凸凹表面測算、物體碰撞試驗等。

PBR渲染整合了能量守恒、光線反射等物理思想，借助物理模型進行真實物體相對位置的視覺呈現。各類物理模型均融合了多個函數，準確模擬真實現象。在PBR材質整編時，從多個視角，使用各組參數進行物理描述。將各類參數組合，反映出材質的物理屬性差異性。例如，香蕉、木材這兩種不同材質的黃色反射表現有差異，在設計PBR材質時，可進行Metallic參數優化，準確獲取各類物體表層的材質特征[14]。比如將木材屬性參數設計為1，香蕉屬性參數設為0。在實際物體環境中，各類材質均有多種細節，光源個數、光照強度表現出多樣性。因此，為保證渲染效果，應配合貼圖、燈光加以使用。

4.2 渲染技術使用

2019年中央電視臺春節聯歡晚會，每個會場均融合了新型物理渲染技術，增強了春晚整體的視覺效果。

此次渲染技術的使用增加了創意設計環節，采取分鏡創作方式，在前期進行分鏡圖設計。分鏡圖設計完成后，設計團隊與導播小隊、攝像工作組建立溝通機制，形成互相碰撞的設計效果，共同形成鏡頭景區，展現最佳的視覺效果[15]。例如，在《敦煌飛天》節目中，AR虛擬技術營造“天宮仙界”時，采取開放式三角形結構，提取敦煌壁畫的主要顏色，進行結構色彩填充。同時，結合飛天服飾、綢緞等要素，進行大屏動畫設計，加強場景的延續性，使用云霧、粒子等虛擬要素覆蓋觀眾席，形成整體的敦煌虛擬場景，增加場景的渲染效果，營造出仙氣環繞的敦煌氛圍。

5 增強現實技術的未來發展構想

增強現實技術有效連接了現實與虛擬兩個環境，借助互動機制增強虛擬空間的展示結果。未來，教育、醫療、文化等領域均可有效融合增強現實技術，帶給人們優質的視覺感受。具體有如下應用：

（1）結合不同的需求，人們可自由使用多種增強現實工具，進行虛擬空間的交互講解，增強教學展示效果。

（2）借助增強現實技術研發的程序，人們可以進行室內空間的優化調整，比如家具擺放、裝飾品設計等，提升室內設計的智能性[16]。

（3）進行古文物電視宣傳時，可以借助增強現實技術，加強真實文物的展示，帶給人們全新的古文物學習體驗。

（4）在智能手機中嵌入增強現實技術，以更為準確的數據處理效果、更優質的畫面渲染能力，為人們提供智能科技的便利條件，提升增強現實技術的應用范圍。

6 結 語

增強現實技術不斷發展，結合SLAM算法、數據校準、渲染等多個技術的優勢，可以提升電視節目的制作質量，滿足人們觀看電視的視覺需求；加強算法使用的智能性，可以提升數據校準的自然性，發揮渲染技術的色彩效果，以更為真實的視野，增強虛擬空間的展示效果。綜合使用多種增強現實技術，可以最大化發揮增強現實技術的應用價值，助力電視節目發展。