混合现实捕捉：工作原理及其重要性

混合现实捕捉可让您实时将现实生活中的镜头与虚拟元素融合在一起。无论您是游戏玩家、内容创作者还是开发者，它都能增强您的视觉效果，使其更具吸引力和互动性。

什么是混合现实捕捉 (MRC)

混合现实捕捉 (MRC) 是指将现实世界和虚拟元素融合成单一、连贯的视觉体验的过程。它允许用户、观众或内容创作者看到数字对象并与之互动，就好像它们存在于现实环境中一样。MRC 通常用于游戏、训练模拟、虚拟制作和直播体验。

MRC 的关键方面：

• 融合物理世界和虚拟世界：MRC 将现实世界的镜头与虚拟内容相结合，使其看起来就像数字对象自然存在于物理空间中。
• 实时互动：用户可以实时与数字元素交互，通常借助运动跟踪、深度传感器和增强现实 (AR) 或虚拟现实 (VR) 耳机。
• 用于直播和内容创作：MRC 使创作者能够捕捉和广播沉浸式体验（例如 VR 游戏），让观众能够同时看到玩家和虚拟世界。
• 软硬件集成：MRC 通常涉及使用专门的摄像机、绿屏、深度传感器和软件工具来准确地融合现实世界和虚拟世界。

MRC 广泛应用于游戏（例如 VR 流媒体）、培训和模拟（例如医疗和军事应用）以及娱乐（例如电影和现场活动的虚拟制作）等行业。

混合现实捕捉（MRC）在各个领域的应用

混合现实捕捉 (MRC) 是一项功能强大的技术，可应用于多个行业，增强物理和数字元素之间的交互。以下是 MRC 正在产生影响的一些最重要的领域：

游戏和直播

MRC 广泛应用于游戏和内容创作，让玩家和主播能够融入虚拟环境。

• 虚拟现实 (VR) 流媒体：Twitch 和 YouTube 等平台支持基于 MRC 的直播，玩家可以出现在自己的游戏中，仿佛自己是虚拟世界的一部分。LIV 等工具可让主播动态地将自己叠加到 VR 游戏中。
• 电子竞技和互动体验：MRC 通过将选手置于完全数字化的环境中来增强电子竞技广播，使比赛更吸引观众。
• 混合游戏体验：一些游戏利用 MRC 来创造混合现实体验，让玩家可以与现实和虚拟对象进行交互。

电影电视中的虚拟制作

娱乐行业利用 MRC 来创造更具沉浸感且更具成本效益的作品。

• 虚拟场景和背景：MRC 允许演员在绿屏前表演，而实时合成将他们置于虚拟环境中。这减少了对物理场景构建的需求，并实现了更大的创作自由。
• CGI 角色的动作捕捉：通过捕捉演员的动作并将其与数字模型相结合，MRC 帮助为电影和电视节目创建逼真的 CGI 角色。
• 全息直播：一些作品使用 MRC 来投射现场全息表演，将真实表演者与数字元素实时融合。

建筑与设计

MRC 正在通过提供交互式和沉浸式的方式来展示项目，从而改变建筑可视化和产品设计。

• 实时 3D 模型集成：建筑师和设计师可以穿过虚拟建筑物，同时出现在其 3D 模型内，从而更好地理解空间。
• 客户演示和远程协作：使用 MRC，设计师可以在混合现实环境中向客户展示项目，从而改善沟通和决策。
• 产品原型设计和测试：MRC 允许设计师在制造之前在真实环境中对产品进行可视化，从而减少开发成本和时间。

训练与模拟

MRC 在专业培训中发挥着至关重要的作用，提供真实且互动的学习环境。

• 医疗和外科培训：医学生和专业人士使用基于 MRC 的模拟在无风险环境中练习手术和程序。
• 军事和执法模拟：士兵和警察在虚拟环境中进行训练，将现实世界的行动与数字威胁相结合，提高决策能力。
• 工业和技术培训：航空、工程和应急响应等领域的工作人员可以在模拟真实世界条件的虚拟环境中进行训练，而不会面临身体风险。

教育与研究

MRC 通过使复杂的主题变得更具互动性和吸引力来增强教育效果。

• 虚拟教室和讲座：教师可以使用 MRC 出现在虚拟教室内或将教育内容叠加到真实环境中。
• 科学可视化：研究人员可以通过沉浸在混合现实环境中来探索科学模型，例如分子结构或天文现象。
• 文化历史重建：博物馆和教育机构使用 MRC 让历史事件和文物栩栩如生，让游客可以与古代遗址或灭绝物种的数字重建进行互动。

零售和电子商务

MRC 正在彻底改变消费者购物和与产品互动的方式。

• 虚拟试穿体验：零售商使用 MRC 让顾客在购买之前虚拟试穿衣服、配饰和化妆品。
• 互动购物环境：一些品牌提供混合现实购物体验，用户可以在空间中看到自己的同时探索数字商店。
• 产品演示和定制：消费者可以在购买之前在自己的物理环境中直观地查看和定制产品（例如家具或汽车）。

社交与协作体验

MRC 为人们在个人和专业环境中建立联系和互动创造了新的方式。

• 虚拟活动和音乐会：MRC 支持现场表演，让艺术家与数字元素同时出现，创造出独特、身临其境的表演。
• 远程工作和虚拟会议：企业使用 MRC 进行远程协作，允许员工在保持实际在场的情况下在共享的虚拟工作空间中见面和互动。
• 增强现实社交平台：由 MRC 支持的社交应用程序允许用户在视频通话、社交媒体内容和交互式故事讲述中融合现实世界和数字世界。

MRC 中的软件和计算技术

软件和计算技术在混合现实捕捉 (MRC) 中发挥着至关重要的作用，因为它们能够实时处理、渲染和合成虚拟和现实世界元素。以下是 MRC 软件和计算技术所涉及的关键组件。

实时合成和渲染引擎

实时合成是将现实世界的素材与数字资产动态混合的过程，无需冗长的后期制作。渲染引擎是通过模拟光照、纹理和对象交互来生成 3D 图形的软件平台。

MRC 中的主要渲染引擎：

1. 虚幻引擎 5 (UE5)：用于高端制作的实时虚拟场景创建。
2. Unity HDRP：针对混合现实应用进行了优化，具有高质量的渲染功能。
3. 缺口：用于现场活动和交互式视觉效果的动态图形引擎。

实际应用：

• 现场虚拟制作：The Volume（卢卡斯影业）等工作室使用虚幻引擎 5 创建沉浸式数字场景，取代传统的绿屏。

人工智能背景消除和对象分割

人工智能背景消除是利用机器学习将主体与周围环境隔离开来的过程，无需绿屏。对象分割是指识别和区分视频帧内的不同对象，以便在混合现实中进行动态交互。

MRC 使用的关键 AI 技术：

• 基于深度学习的色度键控：AI 取代绿屏技术，实现实时主体隔离。示例：NVIDIA Maxine AI。
• 人物分割神经网络：无需额外的硬件即可将人物与背景分离。 

例子：

OBS 虚拟绿屏。

实际应用：

• Twitch 直播和虚拟活动：内容创作者使用 LIV 中基于 AI 的分割功能将自己插入 VR 环境，而无需物理绿屏。

空间映射与环境重建

空间映射是以 3D 形式对现实世界环境进行数字重建的过程，使虚拟对象能够与物理环境自然互动。环境重建涉及使用传感器和摄像头生成空间的动态实时表示。

空间地图绘制的关键技术：

• LiDAR 扫描：使用激光脉冲生成精确的 3D 地图。示例：iPhone 和 HoloLens 2 中的 Apple LiDAR。
• SLAM（同步定位与地图构建）：在映射环境时跟踪 AR/VR 设备的位置。 

例子： 

谷歌 ARCore、微软 HoloLens。

实际应用：

• AR 导航：Google Live View AR 等应用程序使用 SLAM 和 LiDAR 在现实世界的街道上叠加数字方向。

MRC 的云计算和 5G

MRC 中的云计算是指使用远程服务器进行实时渲染，从而减少对高端本地处理能力的需求。5G 网络提供高带宽、低延迟的连接，这对于实时混合现实应用至关重要。

基于云端的MRC的关键技术：

• NVIDIA CloudXR：将 AR/VR 内容从云 GPU 传输至轻量级耳机。
• Microsoft Azure 远程渲染：允许在移动 AR 设备上可视化大量 3D 资源。

实际应用：

• 工业培训：宝马使用 CloudXR 进行远程设计协作，使工程师无需高性能的本地工作站即可在 AR 中审查汽车模型。

混合现实捕捉 (MRC) 流程：分步分解

混合现实捕捉 (MRC) 过程涉及多个阶段，从捕捉现实世界元素到在数字环境中渲染它们。下面详细介绍了 MRC 的工作原理。

步骤 1：捕捉真实世界的元素

MRC 管道的第一阶段涉及从现实世界的物体、人或环境捕获视频和深度信息。

相机和传感器设置

• RGB 摄像机可捕捉人物和物体的标准视频片段。
• 深度相机（LiDAR、飞行时间）测量物体的距离以创建深度图。
• 360 度相机有时用于沉浸式全环境捕捉。

例子： 

Microsoft Azure Kinect 和 Intel RealSense 摄像头通常用于捕获深度数据以进行实时混合现实合成。

运动追踪和物体识别

为了将现实世界的元素无缝地集成到数字场景中，需要精确的跟踪。

• 光学动作捕捉 (MoCap)：使用红外摄像机和反射标记来跟踪运动。
• 惯性追踪：可穿戴 IMU（惯性测量单元）可检测加速度和方向。
• 由内而外的追踪：VR/AR 头戴式设备上的摄像头可跟踪用户相对于周围环境的位置。

例子：

• 在 VR 流媒体中
• LIV 软件可以追踪主播的身体并将其实时合成到虚拟世界中。

第 2 步：处理和空间映射

一旦捕获到现实世界的数据，就会对其进行处理和映射，以与数字环境保持一致。

深度映射和 3D 重建

• 点云生成：将原始深度数据转换为场景的 3D 表示。
• 同步定位与地图构建 (SLAM)：帮助系统了解用户在空间中的位置。
• 基于体素的重建：深度数据被转换成3D体素，以进行精确的几何建模。

例子： 

Microsoft HoloLens 2 使用 SLAM 和 LiDAR 来映射物理空间，实现逼真的 AR 对象放置。

基于人工智能的对象分割和背景去除

人工智能驱动的算法有助于将现实世界的元素与背景分离，而无需绿屏。

• 用于色度键控的神经网络：根据颜色和深度动态去除背景。
• 语义分割：AI识别并分离场景内的不同物体。

步骤 3：实时合成和渲染

数据一旦处理完毕，就会实时呈现在数字环境中。

融合现实与虚拟元素

• 实时渲染引擎（虚幻引擎、Unity）将现实世界的镜头与虚拟物体合成。
• 虚拟相机调整视角来匹配现实世界和数码相机的移动。
• 光照和阴影同步确保真实元素与虚拟光照条件相匹配。

基于云的可扩展处理

• 云渲染（Microsoft Azure 远程渲染、NVIDIA CloudXR）无需本地计算能力即可实现高质量的图形处理。
• 低延迟流媒体（5G、边缘计算）允许实时传输 MRC 数据以进行远程协作。

步骤4：显示混合现实场景

最后一步是将混合现实体验输出为各种显示格式。

输出方法

• VR/AR 耳机（Meta Quest、HoloLens、Magic Leap）提供身临其境的体验。
• 标准显示器和电视显示用于广播的混合现实视觉效果。
• 全息显示器将 MRC 渲染的 3D 内容投射到物理空间。

混合现实捕捉 (MRC) 的流行平台和工具

混合现实捕捉 (MRC) 依赖于一系列平台和工具，这些平台和工具可以将现实世界的元素无缝集成到数字环境中。这些技术适用于不同的目的，从体积捕捉工作室到实时渲染引擎、运动跟踪系统和基于云的解决方案。以下是对 MRC 中使用的最流行平台和工具的详细分析。

1.微软混合现实捕捉工作室

微软的 MRC Studios 是一款高端立体捕捉设备，旨在创建真实人物和物体的逼真 3D 全息图。它是捕捉真实世界表演并将其集成到 AR、VR 和混合现实应用中的最先进的解决方案之一。

主要特点：

• 使用 106 个摄像头的体积捕捉系统来记录超高分辨率 3D 模型。
• 提供实时深度重建，实现真实的灯光和阴影。
• 与AR/VR平台全面集成，使其与HoloLens、Unreal Engine和其他渲染系统兼容。

使用案例：

• 娱乐与体育：用于制作全息音乐会、互动博物馆展览和体育广播。
• 企业与培训：帮助创建逼真的虚拟训练环境，让用户能够与体积数字人进行互动。

2.MetaHuman Creator（由 Epic Games 开发）

MetaHuman Creator 是一款基于云的应用程序，可让用户设计和制作超逼真的数字人类。虽然它本身并不是 MRC 工具，但它在混合现实中发挥着至关重要的作用，因为它允许将实时面部跟踪和动作捕捉应用于高保真化身。

主要特点：

• 人工智能驱动的面部动作捕捉，可实现实时性能映射。
• 基于云的渲染确保即使是复杂的角色模型也不需要强大的硬件即可创建。
• 全身动画装配与虚幻引擎无缝集成以供实时使用。

使用案例：

• 虚拟制作与游戏：用于在混合现实环境中创建演员的数字替身。
• 直播和数字化身：在 VTubers 和 AI 驱动的虚拟形象应用程序中很受欢迎。

3.虚幻引擎（Epic Games 出品）

Unreal Engine 是 MRC 使用的最强大的实时 3D 渲染平台之一。它能够实时生成逼真的虚拟环境，因此被广泛应用于电影、游戏和现场活动。

主要特点：

• Composure 系统用于实时合成，使数字和现实世界的镜头无缝融合。
• 高级运动跟踪支持，包括用于面部和身体捕捉的 Live Link 集成。
• 摄像机内视觉特效，可实现与物理对象相匹配的逼真的灯光和反射。

使用案例：

• 虚拟电影制作：在《曼达洛人》中用于创建大型虚拟场景。
• 现场活动和体育广播：在现场表演中实现实时 CG 叠加。

4. 团结

Unity 是一款广泛使用的实时引擎，对混合现实和增强现实应用具有强大的支持。它尤其以移动友好功能和跨平台支持而闻名。

主要特点：

• MARS（混合和增强现实工作室）：为混合现实开发提供AI驱动的工具。
• ARKit 和 ARCore 支持，允许直接与移动 AR 平台集成。
• Cinemachine 和 Timeline 为混合现实应用提供动态摄像机跟踪。

使用案例：

• AR应用：用于互动博物馆装置和教育体验。
• 实时混合现实流媒体：在使用 VR 覆盖的流媒体中很受欢迎。

5.NVIDIA CloudXR

NVIDIA CloudXR 是一项基于云的渲染服务，可通过 5G 网络实现实时混合现实流式传输。它旨在处理高保真 VR、AR 和 MRC 应用，而无需本地 GPU 能力。

主要特点：

• 基于云的渲染，减少复杂混合现实应用程序的延迟。
• 通过 5G 实现低延迟流式传输，确保流畅的实时互动。
• 针对 XR 设备进行了优化，支持 HoloLens、Meta Quest 和 HTC Vive。

使用案例：

• 远程 MRC 生产：允许设计师和开发人员协作处理混合现实内容，而无需高端的本地设置。
• 企业与行业培训：用于大规模协作训练模拟。

6. Microsoft Azure 远程渲染

Azure 远程渲染是一项云服务，可将超高分辨率 3D 模型传输到 HoloLens 等混合现实耳机。

主要特点：

• 处理大型 3D 资产，实现复杂的可视化。
• 针对 AR 和 MR 应用进行了优化，可与 HoloLens 无缝集成。

使用案例：

• 医学和科学可视化：实现解剖结构的实时 3D 建模。
• 工程与建筑：允许建筑师在混合现实中探索全尺寸的建筑设计。

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结论

混合现实捕捉正在彻底改变我们体验数字内容的方式。通过将现实世界的镜头与虚拟环境融合，它为游戏、电影制作、培训甚至现场活动开辟了无限的可能性。

随着技术的进步，混合现实捕捉将变得更加容易实现，让创作者能够以前所未有的方式将他们的想法变为现实。无论您是刚刚起步还是想要改进您的设置，这项技术都能提供一些令人兴奋的东西。

常见问题解答