关于基于A.R.技术的体育电视节目设计与实现--球类竞技节目中的设计应用

摘 要：增强现实技术或称扩增实境 (Augmented Reality，简称AR)是虚拟现实领域最新创新技术[1]，从当前体育节目直播的现状和存在的问题出发，应用增强现实技术不仅可以弥补现有体育节目直播手段的缺憾，而且能很好地对体育节目中的技战术对观众进行一个很好的诠释。通过介绍增强现实技术概念，及其现代电视直播节目的特点，以及增强现实在数字化电视节目上的具体应用例证，证明了AR技术在电视节目应用上具有较强优势和较大的潜力。

关键词：增强现实;体育直播节目;行为控制

2010年下半年，高通公司在增强现实这一领域连续发动新攻势，不仅发布了基于视觉的AR平台与免费SDK，更举办全球AR应用的开发挑战赛，获胜奖金总额为20万元。AR技术凭借其广泛的应用空间，被业内称为未来最具活力和前途的技术之一。增强现实技术或称扩增实境(Augmented Reality，简称AR)技术是近年来的一个研究热点，有着广泛的应用背景。增强现实技术是一门综合技术，以计算机技术为主，综合利用计算机图形学，图像可视化，人机交互，人工智能，计算机网络，高性能计算等许多领域的技术。虚拟现实具有三大特点：沉浸感、交互性和构想性，增强现实技术是在虚拟现实技术基础上发展来的新技术，通过计算机系统生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而起到对现实环境的一个补充说明的作用。增强现实通常是以透过式头盔显示系统和注册(AR系统中用户的观察工具和虚拟影像的定位)系统相结合的形式来实现的。

一、国内外AR技术应用现状

近几年来增强现实技术在国内外有不少的应用案例，例如日本红十字会用增强现实技术以及可爱的动画角色初音未来号召大家献血;Google在三藩市举行的Google I/O 2009大会上，摆放了这个叫做Google Holodeck的Street View体验室。进去之后全景360度都布满了大屏幕，显示Street View各个方向的街景视图;伦敦博物馆的Streetmuseum(过去实景重现);斯坦福大学的研究人员发明了一种虚拟现实设备来帮助医生进行诊断等。

在国内，增强现实在旅游业、古物复原、展览展示以及电影业、餐饮业等研究较为显著，例如，国内某权威学术机构早在几年前就通过户外增强现实系统来进行圆明园数字重建，使游客能在园区内不同景区以多种形式感受数字圆明园的魅力;微软亚洲研究院院长洪小文近日也表示，其研究团队目前正与中国大陆、台湾的故宫博物院合作，将增强现实技术应用在清明上河图等知名展示古文物上，不久数字版的清明上河图将活灵活现的呈现在游客的眼前;2010年国际车展上，一款名为“增强现实”的互动游戏引爆展棚，观众争相体验高新技术带来的奇幻效果，这是增强现实技术在国内车展上的首次应用。最广为人知的案例就是2010年南非世界杯期间，央视《豪门盛宴》节目中对南非世界杯场馆的展示[2]。在CCTV5《豪门盛宴》这个节目中，那些3D虚拟球场、虚拟足球里放映出的幻灯影像、立体屏幕、球员跑位等各种神奇的画面，引发了许多3D影像爱好者的兴趣，时而是真球员，运动时又转换为3D模型人物让人感觉耳目一新。

据参加节目的观众介绍，在现场他们的确看不到球场的，这就难怪主持人张斌会不小心走到虚拟场景后面去了，由此可以看出CCTV5世界杯豪门3D盛宴虚拟球场技术使用的是增强现实技术.

二、现有体育电视节目的局限

在传统的演播室直播体育竞技节目时，解说人员一般在中场休息或暂停期间运用各种球类战术板，在战术板上用笔画或者标记号码的棋子来给观众讲解比赛中出现的团队配合和或比赛中教练传达的技战术演练，生动性和实时性有待提高，观众不能很好地理解解说员所表达的意思。

三、AR技术给体育节目带来的创新

体育赛事直播需求，1.体育赛事有大量的数据信息和实时信息要以图文的方式供给观众(比如精彩团队配合，教练意图等);2.不同的体育项目有不同的图文信息传达形式的要求。3.体育赛事的转播突发事件较多，事先没有完整的串联单，各种赛事的规则不同，需要包装的图文形式不同，为了能在直播中更为简单快捷地完成包装工作，不同的赛事需要有不同的图文包装形式。下面，就以笔者的一个实际项目来阐述下这个系统。

四、AR技术在球类直播节目中的应用设计

2.制定适合的交互规则。通过调研各种电视节目组成及性质，在已有的节目构成和时间安排下，选择篮球直播类节目战术讲解环节应用增强现实系统。传统的比赛直播中战术讲解环节内容互动性较差，观众不能身临其境地理解解说员所表达的意思，应用增强现实系统，能够很好地反应比赛中往往神来之笔的配合与战术表达，也方便了解说人员的操作。

3.设计制作场景模型。在模型设计方面：本文笔者采用3dDS MAX为建模工具，参照传统篮球场上人员的位置划分及身高体型特点(中锋、大前锋、小前锋、组织后卫、攻击后卫)，制作五种不同体型规格的角色模型，便根据实际篮球场的比例大小制作相应的场景模型。为了尽量达到系统资源占用的最小化，参考游戏建模的规范，以下准则：(1)模型面数的精简，每个角色模型控制在5000个三角面以内;(2)贴图的长宽必须是2的倍数的任意组合，例如，2，4，8，16，32，64…1024等，在贴图中画出基本的明暗和阴影，特别市细节部分的明暗阴影，最大限度的利用贴图的空间!(3)仔细检查最终模型上的多边形网格线和边界，保证它们都有正确的结构和走向。避免模型上的面片相互挤压在一起而影响模型的动画设置。

4.设计与制作动作库。根据赛场上不同位置，不同运动状态(如运球、投篮、盖帽、上篮、扣篮、掩护)，在3DS MAX中为每种模型绑定biped骨骼，创建不同动作的动画。每种骨骼动画因位置、身高、体型的不同做出相应的微调，保存为.bip文件，最终汇总成整个系统的动作库。

5.交互制作。该系统采用FLASH平台中的FLARToolKit，具有简单、快速、基于Web的技术特征，标记物的获取采用的是FLARToolKit中的MultiFLARExample，MultiFLAR- Example可捕捉摄像头拍到的影像中光源的变量在一定范围之内的图像，一般采取对比比较鲜明的图像作为标记物。

6.设计交互控制器。硬件部分：硬件部分采用的是美国微软公司于2010年11月4日推出的XBOX360游戏机体感的外设Kinect。它实际上是一种3D体感摄影机，利用即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能让玩家摆脱传统游戏手柄的束缚，通过自己的肢体控制游戏，并且实现与互联网玩家互动，分享图片、影音信息。

软件部分：控制部分采用OpenNI接口，OpenNI(Open Natural Interaction)是个多语言、跨平台的框架，定义了一组为开发使用Natural Interaction程序的API。OpenNI APIs有一组开发体感应用的接口。OpenNI的主要目的是建立一个双方通信的标准[3]：视觉和音频传感器(这些设备可以看到和听到轮廓及其周围环境);视觉和音频感知中间件(这些软件组件能够分析并且理解传感器记录的音频和视频数据)。

举例：应用程序想跟踪在三维场景中手势的动作轨迹。这要求一个生产节点生成肢体数据，也叫user generator用户生成器。这个用户生成器从depth generator深度生成器获得数据。深度生成器是由传感器实现的生产节点，它从深s670-'度器件获取原始数据(如每秒X帧的流)并且输出深度图。

通常的高层输出的例子在下图描述和展示：场景中体型的识别。输是时体型的关节的当前位置和方向(常常称为‘肢体数据’)

7.赛事信息设置。完成比赛信息的整理，将数据存放在数据库中，供演播室直接调用。

8.结合场景播出。根据设计的场景，系统定制的控制界面直接控制播出，通过网络连接HDVG，向HDVG发送控制命令，由HDVG完成图形渲染工作。最后输出SDI视频信号。

使用流程演示：以下是由原理示意图转化的使用示意。

首先摄影机对准战术板，生成立体球场，然后放入代表球员的标记物图片，生成三维球员形象，通过手势识别控制不同球员做出动作并演示战术。

五、小结与展望

本增强现实应用利用强大三维软件3DS MAX来建模并在FLASH平台中的FLARToolKit上映射图像，与C语言相比，FLARToolKit中的AcitionScript3.0语言速度较快，易于识别，并且应用FLARToolKit附带的MultiFLARExample来生成标记物，不仅可使用通常的二维码标记，而且可用照片或其他一些对比鲜明的图片，易用性增强[4]。目前，该系统在进一步开发中。该系统实时工作需要继续开发相当数量的动作库(并能反映不同球员体型和技术特点)。系统控制部分kinect捕捉人物动态骨骼方面还需继续加强，并与动作库的更好地结合。本增强现实应用有几个优点，在日新月异的技术发展过程中，它提供了一个易于观众理解的平台，并具有很好的实时性与操作性，借助高分辨力的摄像机、显示器和更快的处理器，该系统将满足现代演播室中大多数体育竞技球类节目的战术讲解要求，如速度，精确度，以及在任何环境中任何环境使用。