大型體育賽事中的AR秀
——淺析杭州亞運會游泳比賽電視轉播中增強現實的應用與探索

文_金 可

國際奧委會名譽主席薩馬蘭奇先生曾說過：“電視轉播讓大型體育賽會生存下來，并繁榮發展下去?！币粓龀晒Φ捏w育賽事，不僅僅需要賽場上體育健兒賽出水平、賽出風采，而且要讓體育精神透過鏡頭，去鼓舞全世界的人民，這便是競賽轉播的核心意義。

杭州第19 屆亞運會和第4 屆亞殘運會正是遵循這一理念，通過電視轉播使全亞洲人民能身臨其境感受亞運比賽的特點與魅力，展示中國文化，最大程度提升觀眾的觀賽體驗。筆者作為亞運游泳項目的轉播服務工作人員，親歷了亞（殘）運會奧體游泳館全部比賽項目轉播服務的管理規劃、技術實施、賽事轉播管理等工作。我們對標國際一流賽事的轉播制作標準，采用最新的廣電前沿技術，實現有史以來最高制作標準的一屆亞運會電視轉播，為亞運會電視轉播樹立新的標桿。我們不僅使用了常規的拍攝設備制作國際電視廣播信號（ITVRS），還充分利用高倍數長焦攝像機、水下攝像機、軌道攝像機、EVA 回放系統、增強現實系統等多種先進設備，呈現了比賽的多樣性和豐富性，為觀眾提供了全新的視聽體驗。本文將以杭州亞運會游泳比賽為例，探討增強現實技術在國際賽事轉播中的應用和實踐。

增強現實在賽事轉播中的原理

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術是一種將真實世界的圖像或視頻信息和計算機產生的虛擬信息“無縫”集成的技術，通過將虛擬物體實時、精準地疊加到真實視頻場景中去，實現對真實場景的增強和補充。[1]目前的體育視頻增強現實技術可分為兩類，第一類研究的重點是通過給定體育賽場的多重同步視頻生成虛擬場景，觀眾只能獲得單視點的視頻；第二類是采用攝像機校準算法，建立賽場圖像與虛擬場景之間的映射，識別鏡頭內場景畫面、運動員的姿勢與速度，通過計算機圖形學技術（如OpenGL），與真實場景疊加生成一個增強現實場景畫面。[2]

在電視轉播中，AR 的實現主要在于找到現實場景中的一個參照平面，然后將這個三維場景下的平面映射到我們的二維屏幕上，并在這個平面上繪制需要展示的畫面和圖形。[3]主要涉及以下關鍵技術：

視覺標記識別，實景標記追蹤：使用攝像機鏡頭捕捉場景中的特殊標記，通過圖像識別算法進行實時追蹤，確定虛擬對象的位置和方向。常用標記方式包括ArUco 標記，具有較強的魯棒性（指系統隨故障和干擾的能力）和實時性。

同時定位與地圖構建技術（Simultaneous Lo-calization and Mapping，SLAM）：SLAM 技術允許設備在未知環境中定位自身并創建地圖，有助于實時追蹤虛擬對象在真實世界中的位置。常用算法有ORB-SLAM、PTAM等。

慣性測量單元（Inertial Measurement Unit,IMU）：加速度計和陀螺儀用于測量設備的加速度和角速度，實時感知設備運動，提高追蹤的準確性。

深度傳感器：使用時間飛行（ToF）、LiDAR等深度傳感器獲取場景中物體到相機的距離信息，提供準確的虛擬對象與真實世界的相對位置。

視覺慣性融合：將視覺信息與IMU的數據融合，克服視覺跟蹤的漂移問題，提高位置和方向的準確性。

濾波算法：使用濾波算法（如卡爾曼濾波器）對傳感器數據進行融合，平滑追蹤結果，提高魯棒性。

深度學習和機器學習：使用深度學習進行圖像識別和語義分割，通過機器學習訓練模型以適應不同場景和環境，提高跟蹤的穩定性和準確性。

可擴展性和實時性：可擴展性能使系統適應不同尺度和復雜度的場景，實現對多種應用的支持；高實時性可確保虛擬對象能夠及時準確地與真實世界同步。

這些技術要點共同構成了AR跟蹤技術的關鍵方面，為虛擬對象與真實環境的交互提供了流暢的用戶體驗。

如何在亞運游泳比賽中運用AR

杭州亞運會的游泳比賽電視轉播中，AR 被應用于運動員姓名國家等信息、成績排名、紀錄線的展示等環節，尤其是泳道上的運動員信息、賽時成績與世界紀錄線的動態顯示，使比賽更為激烈，大幅提升了游泳比賽電視轉播的可看性。那游泳比賽轉播中的增強現實是如何實現的呢？這主要由攝像機、虛擬渲染引擎、相機動態跟蹤系統或動態捕捉傳感器及AR媒體服務器組成。

首先，在泳池到達側設置固定機位攝像機，通過該攝像機讀取泳池實景環境信息，明確參照定位。由于游泳池是一個25 米寬50 米長的標準矩形，有明確的邊界，同時游泳池泳道線色彩鮮艷且醒目，泳池在參照定位的選取上可以選擇泳池四角以及各泳道的道邊頂點。

其次，虛擬引擎根據泳池定位點在三維空間中的位置和姿勢信息以及鏡頭焦距、光圈等參數信息，使虛擬攝影機與真實攝影機的運動軌跡保持同步。

然后，讀取由賽會計時計分系統提供的比賽成績信息，配合攝像機跟蹤泳池內關鍵信息，通過渲染服務器渲染并生成增強現實畫面，疊加輸出實景后輸出到電視畫面，虛擬場景內容隨著攝像機移動而實時變化，世界紀錄線就跟進該項目比賽的實時世界紀錄成績推進，這樣畫面顯示的增強現實畫面更加真實緊湊，并且可以起到烘托氣氛的效果。

值得一提的是，由于參照點信息需要通過定位攝像機讀取，該機位的基準坐標就非常重要，不能隨意移動改變，否則需要重新調校基準。這對該機位的架設環境提出了較高的要求。此次亞運會，該機位架設在觀眾看南側臺頂部22至26排位置，通過前期測試賽發現：附近看臺上觀眾滿席時，比賽中出入看臺，以及賽事精彩激烈時觀眾起立歡呼都會對該機位產生一定程度的影響，所以在亞運正賽該機位架設時，為了避免干擾，我們“犧牲”了附近多個觀眾席位，在獨立架設機位臺的同時，保障周圍3 個座位空置，最大程度減少了該機位由于共振對畫面準確性產生的干擾。

AR在亞運比賽轉播中的應用場景

在游泳比賽的轉播中，AR 通過各種方式增強觀眾的觀賞體驗，以下是一些應用場景：

虛擬賽道信息：使用AR技術，可以在游泳池上方疊加虛擬的賽道信息，顯示每名選手的位置、速度和當前排名，有助于觀眾更好地理解比賽進展。

生物力學分析：AR可以用于實時生物力學分析，顯示選手的姿勢、動作和技術細節。這有助于專業觀眾和教練更深入地了解游泳運動員的表現。

實時統計數據：在比賽期間顯示選手的實時統計數據，如速度、游泳姿勢、翻身次數等。這樣的信息可以為觀眾提供更深層次的了解，同時也增添了一些競技性。

虛擬水下攝影：利用AR技術，可以模擬水下攝影效果，使觀眾能夠看到選手在水下的動作和技巧。這樣的視角有利于分析和欣賞游泳運動員的技藝。

實時評論和互動：AR 可以用于在屏幕上顯示實時評論、社交媒體互動和觀眾投票。這樣的互動性可以增加比賽的參與感和趣味性。

賽前分析和回放：利用AR技術，可以在比賽開始前提供選手介紹、技術分析和預測。同時，在比賽暫停或結束時，可以通過AR 回放功能展示關鍵時刻和精彩瞬間。

實時環境狀況展示：AR可以顯示實時天氣狀況，包括風速、溫度和濕度等，這對于理解游泳條件的變化對比賽的影響很有幫助。

這些應用使得觀眾可以更全面、深入地了解欣賞比賽，大大增加了觀賽的趣味性與競技感。

另外，值得一提的是，在本次亞運會、亞殘運會開閉幕式的電視轉播中，也同樣運用了大量的增強現實技術。開幕式電視轉播中，錢江世紀城上空的亞運數字花園，點火儀式中在錢塘江上形成的一個金色超大的、邁著大步跑入大蓮花上空與汪順共同點燃主火炬的“弄潮兒”等，這些都是增強現實畫面。這些技術的運用，不僅為亞運會增添了無限的激情和動力，還彰顯了亞運會的現代化和科技感，也向世界展示了中國的創新實力和文化魅力。

增強現實技術為大型賽事電視轉播創作帶來了全新的制作模式，大幅提升了節目視覺效果和互動效果，這也必將推動新一輪電視轉播創作“內容+科技”的變革，為廣播電視融合制播帶來更多可能性和新的發展空間。