【摘要】隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速與媒體行業(yè)對沉浸式體驗的追求，增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術在演播廳中的應用正逐漸成為行業(yè)創(chuàng)新的焦點。本文研究了AR技術在演播廳中的應用，首先介紹了AR技術概述與工作原理，然后闡述了其在演播廳應用的關鍵技術，包括圖像識別與跟蹤、實時渲染等，最后從場景設計構建、視覺效果提升及觀眾互動體驗三方面探討了其具體應用，旨在提升演播廳的制作水平和觀眾體驗，進而推動AR技術在演播領域的廣泛應用。

【關鍵詞】AR技術；演播廳；應用研究

中圖分類號：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.23.007

在當今數(shù)字化飛速發(fā)展的時代，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，將虛擬元素無縫嵌入真實環(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技術拓展了演播室的視覺設計維度，實現(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技術在演播廳中的應用展開了深入研究，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技術概述與工作原理

1.1 AR技術概述

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）技術是將數(shù)字信息與用戶所處的物理環(huán)境實時融合的技術，通過在現(xiàn)實世界的視圖上疊加虛擬信息為用戶提供全新的、增強的感知體驗。AR技術包括視覺信息的增強，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)實環(huán)境中與虛擬對象進行互動。AR技術的核心在于實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的無縫融合，為用戶提供沉浸式、交互式的體驗，廣泛應用于教育、娛樂、醫(yī)療、工業(yè)設計等多個領域[1]。

1.2 AR技術的工作原理

AR技術的工作原理主要涉及三個關鍵步驟：感知、融合與交互。

感知是指感知現(xiàn)實環(huán)境，AR系統(tǒng)首先需要感知用戶所處的現(xiàn)實環(huán)境，這通常通過攝像頭、傳感器等設備完成，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)實環(huán)境的基礎上AR系統(tǒng)將虛擬信息實時疊加到用戶視野中，這一步驟涉及到復雜的空間定位與跟蹤技術，確保虛擬信息能夠準確地與現(xiàn)實環(huán)境中的物體對齊，營造出虛擬信息本身就是現(xiàn)實世界一部分的錯覺。且AR系統(tǒng)需實時調(diào)整虛擬信息的位置、大小、方向等參數(shù)以適應用戶視角的變化，保持虛擬信息與現(xiàn)實環(huán)境的協(xié)調(diào)。

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

2. AR技術在演播廳中應用的關鍵技術

2.1 圖像識別與跟蹤技術

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

2.2 實時渲染技術

由于演播廳節(jié)目通常是現(xiàn)場直播或者實時錄制，這就要求AR技術能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬內(nèi)容的實時渲染。實時渲染技術需要快速處理大量的圖形數(shù)據(jù)，將復雜的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]。對于虛擬場景的構建，渲染引擎需要根據(jù)不同的視角和光照條件，實時計算出每個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

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

2.4 交互技術

演播廳中的AR應用需要良好的交互技術來增強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是指當演員或觀眾與虛擬元素進行接觸時，通過特殊的設備提供觸感反饋增加互動的真實感。

3. AR 技術在演播廳中的具體應用

3.1 場景設計與構建

3.1.1 虛擬場景擴展

在演播廳室的創(chuàng)新呈現(xiàn)中，AR技術實現(xiàn)虛擬場景擴展主要基于其先進的圖像識別與空間映射技術，顯著拓寬了虛擬場景的邊界。高清攝像頭設備對演播廳的物理空間進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)有道具等詳細信息，然后利用復雜的算法對這些圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，識別出空間中的關鍵特征點，構建出精確的三維空間坐標系。當需要將舞臺轉(zhuǎn)變?yōu)楹棋挠钪婵臻g時，AR系統(tǒng)會根據(jù)這個坐標系，在對應的位置上疊加與宇宙相關的三維虛擬模型，這些模型經(jīng)過高精度的建模如星球紋理、星云形狀等，高度還原真實宇宙的特征[4]。同時為使虛擬場景與現(xiàn)實環(huán)境高度融合，系統(tǒng)會實時調(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。當舞臺燈光調(diào)暗時，虛擬宇宙中的星光會相應地變得更加明亮，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技術的虛擬場景擴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。這種視覺體驗的達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。

3.1.2 場景元素替換

AR技術依靠精確的物體識別和跟蹤算法進行場景元素替換。攝像頭對演播廳中的實物場景元素如道具沙發(fā)等進行圖像采集，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計風格的虛擬沙發(fā)模型，這個模型可能是基于復雜的三維建模軟件制作的，具有豐富的細節(jié)和獨特的設計風格。在替換過程中，AR系統(tǒng)會根據(jù)沙發(fā)在現(xiàn)實空間中的位置、姿態(tài)等信息將虛擬沙發(fā)準確地疊加到實物沙發(fā)的位置上。為保證替換效果的真實性，系統(tǒng)會對虛擬沙發(fā)的光照反射、陰影等視覺效果進行模擬，使其與周圍的現(xiàn)實環(huán)境完美融合。例如，在一檔室內(nèi)設計展示節(jié)目中演播廳最初擺放的是一個普通的現(xiàn)代簡約風格的沙發(fā)，當節(jié)目需要展示不同風格的室內(nèi)設計效果時則可以通過AR技術將這個普通沙發(fā)替換成了具有歐式古典風格的虛擬沙發(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地發(fā)生改變，就好像真的有一個歐式古典沙發(fā)擺放在那里一樣，讓觀眾能夠直觀地感受到不同設計風格帶來的視覺沖擊。

3.2 視覺效果提升

3.2.1 特效添加

在演播廳中利用AR技術進行特效添加，其背后需要通過高靈敏度的傳感器（如攝像頭、動作捕捉設備等）實時采集演員的動作以及場景的圖像信息，而計算機圖形處理系統(tǒng)則基于這些數(shù)據(jù)根據(jù)預設的算法對圖像進行分析處理[5]。當要添加光影效果時，系統(tǒng)會根據(jù)場景的光照模型和物體的材質(zhì)屬性，計算出光線的反射、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，當演員站在虛擬的森林場景中時，陽光透過樹葉間隙灑下的斑駁光影，就是通過精確計算光線與樹葉、演員身體的交互而實現(xiàn)的。而粒子效果的添加則依賴于粒子系統(tǒng)的設計，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、風力等）對這些粒子的運動軌跡進行模擬。如在某舞蹈節(jié)目中通過AR技術添加的粒子效果，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)都需要強大的GPU來進行實時渲染，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和實時渲染技術。動作捕捉設備（如光學捕捉系統(tǒng)、慣性捕捉系統(tǒng)等）會捕捉演員的動作數(shù)據(jù)，光學捕捉系統(tǒng)通過在特定空間中布置多個高速攝像機，從不同角度對演員身上佩戴的標記點進行拍攝，這些標記點反射的光線被攝像機接收后，通過復雜的三角測量算法精確計算出標記點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)，通過積分運算來推算出肢體的運動狀態(tài)。這些動作數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)中，作為虛擬角色動作的驅(qū)動源。同時虛擬角色的建模是通過復雜的三維建模軟件完成的，從角色的外觀設計到骨骼動畫的構建都需要專業(yè)的設計師和動畫師精心打造。在外觀設計上要對角色的紋理、色彩等細節(jié)進行精細繪制，使其具有逼真的視覺效果。在渲染方面，實時渲染引擎會根據(jù)場景的光照、虛擬角色的材質(zhì)等因素對虛擬角色進行實時渲染。渲染引擎會基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）技術，考慮光線在虛擬角色表面的反射、折射、吸收等物理過程，計算出角色表面每一個像素的顏色和亮度。對于虛擬角色的材質(zhì)（如皮膚、金屬、布料等），會根據(jù)其各自的光學特性和物理屬性進行不同的渲染處理，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自然。

3.3 觀眾互動體驗

3.3.1 互動界面展示

在實現(xiàn)AR技術為觀眾呈現(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，通過在演播廳內(nèi)布置多個攝像頭實時捕捉觀眾所處的位置以及他們的動作姿態(tài)，然后利用先進的計算機視覺算法基于這些圖像信息進行分析處理，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行交互。當觀眾做出特定的手勢，如向上滑動、點擊等動作時，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動軌跡進行分析，系統(tǒng)可以判斷觀眾是在進行選擇操作還是切換界面操作，算法會不斷地進行優(yōu)化并考慮不同觀眾的手勢習慣、手部大小、動作速度等因素。在互動界面的構建方面，基于增強現(xiàn)實的軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），開發(fā)人員可以設計出色彩鮮艷、易于操作的互動界面元素，如投票按鈕、抽獎轉(zhuǎn)盤等，觀眾通過手勢與這些界面元素進行交互，完成投票、抽獎等操作。例如，在觀眾進行投票操作時，投票信息會在毫秒級的時間內(nèi)傳輸?shù)胶笈_服務器，服務器根據(jù)投票數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析并及時將結果反饋給觀眾。反饋的方式可以是在互動界面上顯示投票進度、中獎信息等，也可以通過聲音、燈光等其他多媒體方式進行提示。

3.3.2 沉浸式體驗打造

打造沉浸式的觀眾體驗主要依賴于空間定位技術和逼真的虛擬環(huán)境構建技術。空間定位技術通過多種設備協(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建出個性化的虛擬環(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。在這個虛擬環(huán)境的構建過程中，利用高精度的3D建模技術對舞臺上的山水、人物服飾、舞蹈動作等進行細致的數(shù)字化建模，使每一處紋理、褶皺都清晰可見。而渲染技術采用全局光照算法和復雜的材質(zhì)渲染技術使虛擬環(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、聽覺等多個感官維度增強觀眾的沉浸感，讓觀眾全身心地融入節(jié)目場景之中。

4. 結束語

AR技術在演播廳中的應用無疑開啟了節(jié)目制作的新紀元，它從場景設計、視覺效果提升到觀眾互動體驗等多個方面進行了變革。盡管目前還面臨著如技術精度需要提高、內(nèi)容創(chuàng)作難度大等挑戰(zhàn)，但隨著技術的持續(xù)進步，這些問題正逐步被攻克。5G時代的到來為AR技術的發(fā)展提供了更強大的助力，讓其在演播廳的應用更加流暢、高效?？梢灶A見，未來AR技術將進一步與其他先進技術融合，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。

參考文獻：

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