專利名稱：虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻圖像處理技術(shù)，尤其涉及一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
虛擬演播室是近年發(fā)展起來的一種獨特的電視節(jié)目制作技術(shù)。它的實質(zhì)是將計算機制作的虛擬三維場景與攝像機現(xiàn)場拍攝的人物活動圖像進行數(shù)字化的實時合成，并使人物與虛擬背景能夠同步變化，從而實現(xiàn)兩者天衣無縫的融合，以獲得完美的合成畫面。在虛擬演播室節(jié)目制作過程中，確定攝像機的位置和姿態(tài)信息非常關(guān)鍵。攝像機的位置和姿態(tài)的測定原理是將檢測到的攝像機的推、拉、搖、移、聚焦、變焦乃至升降等傳感部位的運動數(shù)據(jù)，通過一個“傳感器”裝置傳輸?shù)健案櫰鳌?，這樣，理想情況下，前景攝像機與虛擬演播室中“虛擬”的攝像機被相對地鎖定在一個位置上。當(dāng)現(xiàn)場演播室攝像機運動時，虛擬攝像機受跟蹤器的控制可以實時地與前景攝像機保持同步，而不至于在移動前景攝像機時，實際演員和虛擬景物在虛擬演播室中的位置關(guān)系發(fā)生變化，在視覺上會造成不真實的效果。目前，國內(nèi)外眾多廠商針對攝像機的位置和姿態(tài)的測定提出了多種解決方案，大致分為機械傳感式和光學(xué)識別式兩大類，但都或多或少存在一些缺陷，制約了虛擬演播室的實際應(yīng)用，現(xiàn)簡述如下
1.基于搖臂的機械式跟蹤系統(tǒng)。其基本原理為對攝像機的云臺、三角架及搖臂進行機械改造，加裝齒輪等機械傳感裝置，然后通過光柵旋轉(zhuǎn)編碼器等光電傳感器測量出攝像機的平移、旋轉(zhuǎn)等運動參數(shù)。其優(yōu)點為系統(tǒng)安全可靠，部分參數(shù)的測量精度高；缺點非常明顯 屬于接觸式跟蹤系統(tǒng)，需要針對不同的云臺、搖臂進行不同的改造，跟蹤精度和云臺、搖臂的臂長等特性有關(guān)，搖臂較長時易產(chǎn)生抖動，不能使用。2.導(dǎo)軌式跟蹤系統(tǒng)。其基本原理為在云臺三角架及導(dǎo)軌的輪軌上進行機械加工改造并加裝傳感器，通過傳感器與導(dǎo)軌的接觸測出攝像機的平移運動參數(shù)。這種方法在低端場合也能應(yīng)用。其缺點是屬于接觸式跟蹤系統(tǒng)，精度值受滑動摩擦影響，使用不方便，穩(wěn)定性低，且攝像機的高度變化無法測量，在搖臂上無法使用。3.網(wǎng)格識別跟蹤系統(tǒng)。其基本原理為在演播室的藍(lán)箱背景上貼上不同色飽和度的藍(lán)色網(wǎng)格，前景攝像機拍攝后通過色鍵技術(shù)識別網(wǎng)格圖像，并根據(jù)網(wǎng)格圖像的變化計算出攝像機的運動參數(shù)。其優(yōu)點是屬于無接觸式跟蹤系統(tǒng)，應(yīng)用方便.但缺點很多精度不高；當(dāng)前景物體多或攝像機局部特寫而使得網(wǎng)格被前景遮擋時無法應(yīng)用，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定； 為了能聚焦到網(wǎng)格上導(dǎo)致前景模糊不清或為了使前景清晰導(dǎo)致網(wǎng)格模糊，使得識別精度下降；為了識別不同色飽和度的藍(lán)色信號而使得系統(tǒng)的色鍵質(zhì)量下降；該方法一般不能獨立使用。4.紅外識別跟蹤系統(tǒng)。其基本原理為在前景攝像機的頂部加裝呈一定立體角度的五個紅外源球體，并在攝像機的上方空間加裝一定數(shù)量的紅外攝像機，系統(tǒng)通過紅外攝像機測定紅外源的位置變化而計算出前景攝像機的運動參數(shù)。其優(yōu)點是屬于無接觸式跟蹤， 使用方便；缺點是該紅外源體積較大，并且必須架設(shè)在攝像機機身上方，很難固定，導(dǎo)致攝像機的拆裝不方便，同時并不是所有的攝像機都可以使用該跟蹤系統(tǒng)，很多攝像機由于機身上方?jīng)]有把手而無法固定紅外源。5.輔助攝像機光圖形接力跟蹤系統(tǒng)。其基本原理為在前景攝像機下方的云臺上加裝一個輔助攝像機，并在前景攝像機的上方或四周空間加入不同色彩或亮度的光圖形， 通過輔助攝像機拍攝光圖形的特征點變化而計算出前景攝像機的運動參數(shù)。其優(yōu)點是屬于無接觸式跟蹤，使用方便；缺點是考慮到搖臂的無關(guān)性和遮擋的因素一般都是將云臺進行加工改造后將輔助攝像機加裝在云臺的旁邊而且方向垂直向上，將光圖形置于攝像機上方并且處于水平位置，由于輔助攝像機較重并要求輔助攝像機距離云臺較遠(yuǎn)(20cm以上)且較高(輔助攝像機鏡頭要高于前景攝像機機身，一般40cm以上)，因此在使用時輔助攝像機容易顫動，而這種輕微顫動都會導(dǎo)致輔助攝像機拍攝角度的變化，這種角度變化會隨著搖臂臂長的傳導(dǎo)而放大并引起最終計算的前景攝像機的位置的大幅抖動(當(dāng)然輔助攝像機的顫動也會引起攝像機位置的變化，但位置變化對前景攝像機的最終位置變化的影響可以忽略不計)，因此導(dǎo)致前景攝像機的位置測量精度的下降，因此這種方法在市場上鮮有應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，屬于無接觸式，可適用于任何演播室攝像機、便于固定及拆裝，且準(zhǔn)確及穩(wěn)定。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是構(gòu)造一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，包括待測定的前景攝像機及固定所述前景攝像機的支撐設(shè)備，所述測定系統(tǒng)還包括
安裝在所述支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置；
安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機，且所述至少一個檢測攝像機用于在所述前景攝像機活動范圍內(nèi)對所述光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；
服務(wù)器，用于根據(jù)所述至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算所述光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與所述前景攝像機的位置關(guān)系確定所述前景攝像機的位置和姿態(tài)。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)中，所述光發(fā)射裝置為紅外發(fā)射裝置，所述檢測攝像機為紅外攝像機。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)中，所述支撐設(shè)備為云臺、三腳架、搖臂、導(dǎo)軌。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)中，所述檢測攝像機采集所述光圖形的色彩、亮度像素信息。本發(fā)明還構(gòu)造一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法，包括 安裝在待測定的前景攝像機的支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置產(chǎn)生光圖形；
安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機在所述前景攝像機活動范圍內(nèi)對所述光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；
服務(wù)器根據(jù)所述至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算所述光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與所述前景攝像機的位置關(guān)系確定所述前景攝像機的位置和姿態(tài)。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法中，所述光發(fā)射裝置為紅外發(fā)射裝置，所述檢測攝像機為紅外攝像機。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法中，所述支撐設(shè)備為云臺、三腳架、搖臂、導(dǎo)軌。在本發(fā)明所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法中，所述檢測攝像機采集所述光圖形的色彩、亮度像素信息。實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果
首先，本方案屬于無接觸式，使用方便、精度高、抗干擾能力強、受環(huán)境(溫度、聲波等) 影響小、幾乎不需要改造支撐設(shè)備結(jié)構(gòu)、與前景對象、色鍵效果等無關(guān)系。其次，由于是將光發(fā)射裝置安裝在待測定的前景攝像機的支撐設(shè)備上，與前景攝像機無關(guān)，因此可適用于任何演播室攝像機，而且便于固定及拆裝。另外，檢測攝像機安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周，在采集圖像時不會存在顫動的問題，因此能精確穩(wěn)定地檢測到前景攝影機的位置和姿態(tài)。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖1是本發(fā)明虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)實施例一的示意圖； 圖2是本發(fā)明虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法實施例一的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)實施例一中， 該測定系統(tǒng)包括待測定的前景攝像機30、固定前景攝像機30的支撐設(shè)備，該支撐設(shè)備為云臺41和三腳架42，該測定系統(tǒng)還包括兩個光發(fā)射裝置10、兩個檢測攝像機20和服務(wù)器 60，且兩個檢測攝像機20通過視頻采集線50連接服務(wù)器60，前景攝像機30通過視頻輸出線90連接服務(wù)器60。應(yīng)當(dāng)說明的是，以上只是本發(fā)明的一個實施例，并不用于限定本發(fā)明的范圍，如，本發(fā)明的光發(fā)射裝置10、檢測攝像機20也可以是其它數(shù)量。在該實施例中，兩個光發(fā)射裝置10安裝在云臺41上，光發(fā)射裝置10可產(chǎn)生光圖形，所產(chǎn)生的光圖形可以是立體的，也可以是平面的，例如圓形、方形，本發(fā)明并不限定所產(chǎn)生圖形形狀和大小。兩個檢測攝像機20，其中一個安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂上，另一個安裝在虛擬演播室內(nèi)的四周墻壁上，且這兩個檢測攝像機20用于在前景攝像機30活動范圍內(nèi)對光發(fā)射裝置10產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集。服務(wù)器30用于根據(jù)檢測攝像機20實時采集的圖像提取特征點， 例如，根據(jù)采集圖像的色彩、亮度像素信息提取光圖形的特征點。在一個例子中，在光圖形為圓形、方形時，特征點可為其中心點，在光圖形為三角形時，特征點可為其中的一個角的頂點。然后根據(jù)所提取的特征點計算光發(fā)射裝置10的位置，例如，根據(jù)計算機圖形學(xué)理論來計算。最后根據(jù)光發(fā)射裝置10與前景攝像機30的位置關(guān)系確定前景攝像機30的位置和姿態(tài)，在此應(yīng)當(dāng)說明的是，由于光發(fā)射裝置10安裝的位置與前景攝像機30的位置相對固定，所以在得到光發(fā)射裝置10的位置后，通過坐標(biāo)變換即可得到前景攝像機30的位置及姿態(tài)。另外，前景攝像機30可在其活動范圍內(nèi)拍攝虛擬演播室內(nèi)的實景，如前景演員70，然后，服務(wù)器60將所確定的前景攝像機30的位置和姿態(tài)信息及前景攝像機30所拍攝的實景圖像通過傳輸線80發(fā)送給虛擬演播室內(nèi)的三維渲染引擎(未示出)，三維渲染引擎根據(jù)所確定的前景攝像機30的位置和姿態(tài)信息來校準(zhǔn)虛擬攝像機的位置和姿態(tài)，以使其與前景攝像機30相對地鎖定在一個位置上，這樣可保證前景攝像機30所拍攝的實景圖像與計算機制作的虛擬三維場景同步變化，以使兩者保持天衣無縫的融合，獲得完美的合成畫面。在一個優(yōu)選實施例中，光發(fā)射裝置10為紅外發(fā)射裝置，其對應(yīng)的檢測攝像機20為紅外攝像機，該紅外攝像機可為普通的黑白攝像機，也可為彩色攝像機。采用這種方案，紅外發(fā)射裝置所產(chǎn)生的光圖形的特征點相對穩(wěn)定，不隨環(huán)境光的變化而變化。當(dāng)然，這只是本發(fā)明的一個實施例，光發(fā)射裝置10也可為可見光發(fā)射裝置或紫外光發(fā)射裝置，此時，檢測攝像機20為所對應(yīng)光譜的攝像機。另外，應(yīng)當(dāng)說明的是，雖然在圖1所示的實施例一中，支撐設(shè)備僅示出了云臺41和三腳架42，但本發(fā)明并不限于此，在另一個實施例中，支撐設(shè)備還可包括搖臂、導(dǎo)軌或其它支撐物，即光發(fā)射裝置10可裝設(shè)在搖臂、導(dǎo)軌等支撐設(shè)備上。圖2是本發(fā)明虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法實施例一的流程圖， 該測定方法包括以下步驟
步驟S100.安裝在待測定的前景攝像機的支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置產(chǎn)生光圖形；
步驟S200.安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機在所述前景攝像機活動范圍內(nèi)對所述光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；
步驟S300.服務(wù)器根據(jù)所述至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算所述光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與所述前景攝像機的位置關(guān)系確定所述前景攝像機的位置和姿態(tài)。在一個優(yōu)選實施例中，光發(fā)射裝置10為紅外發(fā)射裝置，其對應(yīng)的檢測攝像機20為紅外攝像機，該紅外攝像機可為普通的黑白攝像機，也可為彩色攝像機。當(dāng)然，這只是本發(fā)明的一個實施例，光發(fā)射裝置10也可為可見光發(fā)射裝置或紫外光發(fā)射裝置，此時，檢測攝像機20為所對應(yīng)光譜的攝像機。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，包括待測定的前景攝像機及固定所述前景攝像機的支撐設(shè)備，其特征在于，所述測定系統(tǒng)還包括安裝在所述支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置；安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機，且所述至少一個檢測攝像機用于在所述前景攝像機活動范圍內(nèi)對所述光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；服務(wù)器，用于根據(jù)所述至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算所述光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與所述前景攝像機的位置關(guān)系確定所述前景攝像機的位置和姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述光發(fā)射裝置為紅外發(fā)射裝置，所述檢測攝像機為紅外攝像機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐設(shè)備為云臺、三腳架、搖臂、導(dǎo)軌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測攝像機采集所述光圖形的色彩、亮度像素信息。
5.一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法，其特征在于，包括安裝在待測定的前景攝像機的支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置產(chǎn)生光圖形；安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機在所述前景攝像機活動范圍內(nèi)對所述光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；服務(wù)器根據(jù)所述至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算所述光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與所述前景攝像機的位置關(guān)系確定所述前景攝像機的位置和姿態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法，其特征在于，所述光發(fā)射裝置為紅外發(fā)射裝置，所述檢測攝像機為紅外攝像機。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法，其特征在于，所述支撐設(shè)備為云臺、三腳架、搖臂、導(dǎo)軌。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定方法，其特征在于，所述檢測攝像機采集所述光圖形的色彩、亮度像素信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態(tài)的測定系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括待測定的前景攝像機及固定前景攝像機的支撐設(shè)備，測定系統(tǒng)還包括安裝在支撐設(shè)備上的至少一個光發(fā)射裝置；安裝在虛擬演播室內(nèi)的屋頂和/或四周墻壁上的至少一個檢測攝像機，且至少一個檢測攝像機用于在前景攝像機活動范圍內(nèi)對光發(fā)射裝置產(chǎn)生的光圖形進行實時圖像采集；服務(wù)器，用于根據(jù)至少一個檢測攝像機實時采集的圖像提取特征點，并根據(jù)所提取的特征點計算光發(fā)射裝置的位置，然后根據(jù)光發(fā)射裝置與前景攝像機的位置關(guān)系確定前景攝像機的位置和姿態(tài)。實施本發(fā)明的技術(shù)方案，可適用于任何演播室攝像機、便于固定及拆裝，且準(zhǔn)確及穩(wěn)定。
文檔編號G01B11/00GK102243064SQ20111010281
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者劉林運, 溫曉晴 申請人:深圳迪樂普數(shù)碼科技有限公司