虚拟现实技术在体育赛事转播中的应用研究

谷悦 吴祐昕

[摘 要] 在计算机技术飞速发展的当代，计算机性能不断提高，在软、硬件优化发展的支持下，虚拟现实技术开始在军事、经济、生活等领域走进人们的视野。对虚拟现实在体育赛事中的运用进行了理论的梳理，并提出设计构想，肯定了虚拟现实技术在传播中的应用价值，为以后的延伸设计铺垫了道路。

[关 键 词] 虚拟现实；体育赛事；设计构想

[中图分类号] TP391.9 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）19-0013-05

虚拟现实的实现为电视媒体带来了新的机遇，以体育赛事转播为例，为观众带来了全新的观赛模式和视角，为节目的制作节约了场地，也增加了其在同行业中的竞争力。以计算机为平台搭建的虚拟现实世界不再是单纯的传统意义上的人机交互，使用者可以通过各种可穿戴设备进入虚幻的模拟世界，是全方位360度的立体感知。与此同时，虚拟现实技术使应用界面的视觉效果更加逼真，信息内容的可承载量增大。节约了项目成本，提高了更新的速度。

一、研究背景及意义

随着当代科学技术的高速发展，不断更新的高科技产品改变和丰富了人们的日常生活，虚拟现实技术是在计算机技术上不断发展而实现的前沿科技，它是一项投资较大、难度较高的科技领域。我国虚拟现实技术的起步较晚，同一些发达国家相比，目前还存在着很大的差距。但随着计算机系统工程等技术的开发，虚拟现实引起了我国各界人士的关注和兴趣。虚拟现实在我国处于培育市场阶段，各方面已在逐步、稳定地提高，它已被公认为21世纪最具有潜力和影响力的领域，人们将它看做是仅次于互联网的改变世界未来的重要技术，认为它不但会改变人类从事科学研究、技术设计和生产实践的方式，而且为促进人的认识能力的全面发展提供了新的工具，是最有意义以及影响人们生活方式的重要技术之一。

二、虚拟现实技术的概念及特征分析

（一）虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术即VR（Virtual Reality），是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

虚拟现实在当代的运用十分广阔，已开始运用于军事、航天领域，之后将逐渐开始从经济、生活、娱乐等领域，改变着我们的生活。

（二）虚拟现实技术的基本特征

一个完整的虚拟现实系统是由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。虚拟现实技术的特征和属性（即沉浸性、交互性、构想性）满足了消费者在多重感官刺激上的需求，为使用者带去更多的想象空间和更完美的用户体验。

1.沉浸性

穿戴式VR设备是虚拟现实输出的主要方式，使用者在佩戴头盔或眼镜，通过视觉、听觉、触觉等多维感知可以沉浸于虚拟世界之中。

以virtuix公司生产的virtuix omini为例（如图1）。它结合了Oculus Rift眼镜和Omni，是一款新型的结合游戏与跑步机的新型设备。它不同于传统的跑步机只有距离和速度两个维度的数据显示，omini还拥有方位和环境两个维度，使用者佩戴Oculus Rifttou眼镜，即可进入逼真的游戏场景，穿上特制的鞋子在Omni的跑道上运动，可在虚幻的场景中自由地行走，与此同时omini可以提供精确的数据记录，帮助用户记录行走数据。

2.交互性

交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受的内容，它充分调动了使用者的主观能动性。以google ingress为例（如图2），google ingress是谷歌公司在2012年11月16日推出的手机AR游戏，Ingress 强调在对世界的真实体验的基础上用不同的视角观察，从而实现不同的“真实生活”。Ingress 手机客户端会结合 Google 地图和导航生成一副虚拟的游戏地图，但是地图上的街道、路线和地点都是真实的。项目负责人John Hanke曾开发 Google Earth 的前身， 他们曾推出应用 Field Trip，可以依据定位和地图，“主动的”带你游览城市。而当下的ingress延续这一构想，这款游戏像是现实版的魔兽世界竞技场，双方队伍利用手机查看地图（如图2），可以通过各种动作，选择不同能量，去到不同的场景抢占资源的游戏最终完成任务。

3.构想性

构想性，是虚拟现实技术的又一个显著特征。构想性是指虚拟的环境是人构想出来的，因此可以用来满足特定人群的某种用途，

例如Zugara的虚拟试衣间（如图3），采用的就是虚拟现实技术，使用者在看到自己喜欢的衣服时，可以使用Zugara虚拟试衣间，只需要一个电脑和摄像头，不受时间和地点的约束，进行虚拟试衣省去了试衣时间。Zugara的虚拟试衣间通过三维建模将衣服与使用者的参数进行设置，模拟出试衣后的真实场景。该项目的实现，大大节约了消费者的时间降，低了用地成本，不论是在大型商场内，还是用户个人家中都有很高的应用价值。

三、虚拟现实技术在大型体育赛事转播中的具体运用

现如今，随着虚拟现实技术的普及和发展，越来越多的领域用到虚拟现实来提升受众的体验效果。在用户体验方面，虚拟现实满足了大众多维度的感官需求。以体育赛事转播为例，体育赛事是众多电视节目中最具有激情和感染力的电视节目，普通的视频转播无法给观众带来直观、有冲击力的对抗氛围，而将虚拟现实技术运用到体育赛事转播中可以使单一的电视节目变得生动有趣。我国现阶段将虚拟现实运用到体育赛事的转播主要就是通过虚拟演播室技术和虚拟植入这两种方式。

（一）虚拟演播室技术

虚拟演播室技术是在虚拟现实技术支持下，电视演播中的核心部分，在体育赛事的转播中起着关键性的作用。

虚拟演播室技术是在国内现有的虚拟现实技术基础上，与人在三维空间上的思维创造相结合在电视演播当中的运用。之所以称之为虚拟演播室技术，是因为它把演播室中所拍摄的视频内容，与计算机所能绘制出的各种主题场景相结合。它摆脱了现实场景的控制，可根据所拍摄主题，运用三维建模软件创作出更具有感染力的场景空间。

虚拟演播室技术的一个关键技术是摄像机跟踪技术，它可以通过实际摄像机在演播室中的参数位置，判断摄像机、主持人等与虚拟场景的位置关系，核心在于所拍摄摄像机的位置和通过镜头的变化控制计算机中的“虚拟镜头”，使二者的变化同步，这样虚拟场景和实际摄像机所拍摄出的画面一致，再经过后期处理、计算机绘制后得到的画面才不会出现透视错误和矛盾空间，才能更加真实。

虚拟演播室中的场景和道具由计算机三维建模软件（3DMax、Maya、Softimage等）绘制产生，在常规演播室中受空间约束不可出现的大型场景都可通过虚拟演播室实现。

虚拟演播室的构成主要分为三个部分，分别是摄像机跟踪系统、虚拟背景生成系统和视频合成系统（如图4）。

摄像机跟踪系统是通过获取摄像机在直播中的实际位置参数，帮助系统完成真实摄像机和虚拟摄像机的锁定。虚拟背景实时生成系统，是由计算机的二维与三维建模软件创作出的可随时生成和替换的虚拟场景。视频合成系统是将拍摄视频与虚拟视频相混合的系统，计算机设计制作的虚拟场景只有与真实的前景图像正确混合之后，才能得到最终的节目效果。

虚拟演播室的建立是电视媒体的一次革新，计算机制作的虚拟演播室有更多的可变性和适应性，能为观众带来更优质的观看效果。

（二）虚拟植入技术

虚拟植入是虚拟现实在体育赛事转播中的另一个重要运用。不久前的南京青奥会的开幕，虚拟植入技术震撼了全场，它首次将虚拟现实技术运用到奥运会的开幕美术场景中（如图5）。转播中，星空和流星效果将舞台打造成一个封闭的宇宙空间，奥运五环与色彩斑斓的虚拟场景遥相呼应。通过电视，亿万电视观众都能欣赏到虚拟植入营造出的神奇空间。

虚拟植入系统主要由跟踪系统、图形工作站和图形创作系统三部分组成。

目前的跟踪系统主要有机械传感器、光电传感器、LED红外、XYNC红外、超声波等几种，要求跟踪精准度高，避免后期虚拟场景错位、偏移。图形工作站是根据跟踪系统获取的摄像机运动参数，图形工作站对预先制作好的虚拟三维场景信号进行处理并进行实时渲染，之后生成与摄像机拍摄的人物有正确透视关系的三维虚拟图像。图形创作系统和虚拟植入系统的场景通常为三维虚拟场景，这些场景可通过常用的3Dmax、Maya等三维创作软件来建模，最后由专用的图形处理软件编辑合成，同时也可将特定的口号、赞助商logo形成三维的立体效果融入场景的播出当中，起到宣传的作用。

虚拟植入技术在国外的电视节目中的应用十分广泛，特别是在选举和体育节目当中。在国内，虚拟植入在体育赛事的转播中也逐渐突出，国内电视台最早运用虚拟植入技术的便是中央电视台在2010年的世界杯体育节目《豪门盛宴》。由美工制作的三维虚拟赛场、参赛队伍阵容、足球等虚拟模型植入演播室实景中，与主持人进行实时互动，为观众带来直观的讲解和队伍阵容分析，虚实相结合的播出形式，也为观众带来一场视觉上的豪门盛宴。

四、虚拟现实技术对体育赛事转播的影响

虚拟现实技术对于体育赛事转播的播出效果有着突出的贡献，其主要体现在以下几个方面：

（一）虚拟演播室给予观看赛事的观众更大的想象空间

由于三维的后期制作是由专业的技术人员结合与之相一致的场景进行的模型设计创作，不同的人对场景的设置也有着不同的理解和灵感，所以在呈现上有着一定程度的虚幻。在体育赛事的转播中，主持人可以突破以往的传统演播室，坐在仿佛赛场一样的对战平台上为观众带来解说，这样全新的呈现方式势必会增加视频的点播率，同时，假象的主持空间也会为观众在观看的过程中带去更多的想象和憧憬。

（二）虚拟植入技术的运用为舞台增添了更多意想不到的播出效果

通过设计师的创作，虚拟植入的图形能够弥补现实场景的不足，对传统的灯光、道具、演播屏幕都可以进行补充甚至是替代。

（三）虚实结合的画面，给予观众更加强有力的视觉冲击

除了虚拟演播室之外，虚拟现实技术将节目的视觉效果制作得富有吸引力。在体育赛事中，虚实结合的转场方式能带给观众不一样的观看体验，从三维平台搭建的虚拟演播室进入到虚拟的场馆，随着摄像机的慢慢推入进入真实的赛场，这中间的虚实结合和动态特效一气呵成，使观众的观看更加通顺、流畅，用户体验更加完善。

（四）展现方式上更加新颖、多元，拍摄手法上更加灵活、多变

随着360度摄像机的普遍使用，越来越多的用户可以在各大应用软件上观看比赛录像。传统的视频播放在输出方式上较为单一，观众只能被动地从现场特定的角度观看比赛，而虚拟现实技术在通讯设备上的改善和现场视频的录制制作可以帮助观众全方位的观看赛事。用户在观看视频时可以通过倾斜或旋转手机来调整摄像机角度，观测到场地的不同方位和每一个比赛细节，这样，观赛者在家中就可以通过手机感受到与现场一致的观赛效果，在某些程度上弥补了现场观赛的盲区。

（五）节约生产成本，降低了资源消耗

虚拟现实的背后是计算机技术的支持，需要更多高技术人员，所生产制作的是三维的动态画面，不需要实际的用地和场外的资源消耗，传统的演播场馆搭建耗费大量的人力、物力和财力，但虚拟现实技术支持下的虚拟场馆和虚拟演播室的构建解决了这一难题，让赛事的播出质量更佳，而且做到了经济、节能。

由于虚拟现实在我国的起步较晚，设计制作上还有一定的局限性。目前，虚拟现实在体育直播中的开发和运用仅局限于赛场本身，是对观赛场景的直观渲染，但在现实的现场比赛当中，观众往往被感染的是现场的情绪氛围，而现如今的虚拟现实技术无法实现观众间的互动。换而言之，我们所享受的并不是单纯的视觉体验，而是集视觉、触觉、听觉等为一体的多重感官刺激，而目前应用虚拟现实技术的体育转播节目虽满足了观众在观看过程中的视觉享受，却缺少了重要的交流和互动。

五、虚拟现实技术在体育应用中的延展性设计

由于虚拟现实技术的发展在我国仍不完善，在设计和创新上还有很多机会可寻，虚拟现实在体育赛事方面的应用目前仅能还原赛场上的场景，无法带给观看者现场般的观众氛围，如何让使用者感受到观众席强烈的激动气氛，与同时观看的网友产生语言甚至肢体上的行为互动是一大难题。由此可见，增强交流性，是虚拟现实技术在体育转播中的一个重大的突破点。

VR游戏是目前游戏行业中最具前景性的游戏应用，它具有对抗性和交互性。而VR体育游戏必然是VR游戏最先研发和重视的重要部分，因为其不可避免的对抗性对于现代生活中人们生活压力的排解和释放有一定的作用、同时游戏爱好者多为男性，且对体育有着天生的热爱。基于以上两点原因的考虑，笔者认为，虚拟现实技术与体育类游戏应用的结合也是当前较为热门的设计类别，VR体育游戏的设计将会是一个长期的、热门的设计探索。

VR游戏设计有很强的带入感，它尊重虚拟现实固有的特点又具有游戏本身的娱乐功能。好的VR游戏必须将虚拟现实技术进行很好地运用，使玩家沉浸在游戏场景中，达到忘我的境界；其次，VR游戏场景的逼真性可以给玩家带来多重体验性，在游戏的过程中往往不能安稳地坐在座位上，玩家会不由自主地躲闪、跳跃；同时，VR游戏富有节奏感和一定的自由度，它不像传统的游戏，玩家往往不能有很好的参与体验，很多人会有无聊、操作繁琐的负面感觉，而VR游戏节奏感强，用户投入度高，尤其年轻人对有着很大的吸引力。

如上文所说，虚拟现实技术在体育赛事转播中存在着一定的局限。而VR游戏正是增加使用者交流和互动的渠道之一。虚拟更适应于游戏去表达，构建出一个使用户心驰神往的平台。

游戏赛事往往通过移动平台进行直播，使用者观看经过虚拟现实技术处理过的视频图像可以充分感受竞技者在赛场上的表现。比赛结束后，可进入VR游戏模拟赛场板块，在游戏过程中使用者需要佩戴VR眼镜，操作界面中可出现使用者观看过的比赛球队，因此可自行选择自己喜欢的球队和球星（如图6）的游戏框架图所示。在进入对战模式中通过VR眼镜将你带入沉浸式的游戏感受当中，不同于传统的体育对战游戏，只有系统设置的几个规定动作，只能通过遥控和键盘去控制身体的走向。VR体育游戏中，需要佩戴Rift头戴设备，它对游戏的体验有着至关重要的作用，具体体现为：（1）你只能看到游戏画面，外界环境对你的视觉没有任何影响；（2）左右眼的画面是有视差的，所以能形成强烈的3D效果；（3）你看到的画面呈曲面，就像环绕在你的周围，感觉与平面的显示器完全不同，这也是和3D头盔的区别；（4）头盔能感应你的头部动作，比如头往天上看的话，画面也会跟着向上移动，显示你头顶的天或者天花板；（5）配合高品质的虚拟环绕声耳机，VR头盔能产生更逼真的临场感。佩戴Rift头戴设备后，可以通过身体的摆动来控制任务的行走路径，你可以听到观众的呐喊，仿佛自己出现在了刚刚的赛场当中，迎面感受到了来自对手的冲击力，你可以随时弯腰、挥手、传球等，可以握手问好，也可以庆祝胜利而击掌。

在界面的设计上，使用三维建模软件和CG插画相结合。三维建模可以使场景更加逼真，CG插画可以增加界面的细节，好的游戏界面是完善用户体验的第一步。在场景的配色、道具的设置需根据真实的赛场进行模拟，让玩家可以切实体验到人在赛场上奔跑的感觉。

在音效上也是VR游戏需要重视的一个部分，好的虚拟现实环境下的用户体验需要多通道的感官刺激，音乐也是其中之一，可以让人迅速进入游戏状态。因此，在音效的选择上延续了赛场音乐和较为节奏欢快的歌曲，可以激发选手的战斗力。

五、结论与展望

随着现代科技的高速发展、计算机水平的进步和3D建模水平的提高，越来越多的人开始接受和使用高科技产品，它为我们的生活带来了便利和无限的乐趣。虚拟现实的逐渐普及，让设计师和使用者拥有以前从未有过的想象力、创造力和沉浸感，实现了人们在家中就可以游世界的梦想和多重感官的刺激。

虚拟现实技术不仅为我们在观看体育赛事时增添了无限的乐趣和想象，而且人们足不出户就可以感受到在现场中的观看视角，同时在此基础上的虚拟演播室的发展，将虚拟摄像机与真实摄像机所拍摄的画面相结合，不但节约了用地成本，一个演播室可提供多个电视节目的制作，同时观赛者也可以看到具有三维动效的节目效果。

虚拟现实技术还引领了新的体育运动潮流，社会发展的高速，生活节奏的加快，大大减少了人们外出运动、旅行的时间，但虚拟现实技术不可以帮助你完成你未完成的愿望。笔者认为在不久的将来，可以实现虚拟现实设备的普及化，我们可以忙里偷闲感受当下所不能感受到的场景体验，可以在家中打篮球、打羽毛球、登山，甚至可以出国旅游看到国外的风景。这对于生活压力的排解、工作效率的提高都有着一定程度的帮助。

虚拟现实技术在体育赛事中的运用有着巨大的潜力和价值，它提升了节目的竞争力，改变了人们对传统电视媒介的认知方式，促进了电子科技的进步。虚拟现实技术在应用中也存在着不同程度的限制，如工作人员的技术水平、设备的不完善等，与国外水平还相差甚远等。这需要各阶层的共同努力，鼓励创新，引进优秀人才，共同完善软硬件设备，使我国在虚拟现实技术上蓬勃发展。

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