[發明專利]虛擬演播室中攝像機的位置和姿態的測定系統及方法

無效

• 申請號: 201110102817.6
• 申請日: 2011-04-22
• 公開（公告）號: CN102243064A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 劉林運;溫曉晴
• 申請（專利權）人: 深圳迪樂普數碼科技有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 深圳市順天達專利商標代理有限公司 44217
• 代理人: 李琴;高瑞

技術領域

本發明涉及視頻圖像處理技術，尤其涉及一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態的測定系統及方法。

背景技術

虛擬演播室是近年發展起來的一種獨特的電視節目制作技術。它的實質是將計算機制作的虛擬三維場景與攝像機現場拍攝的人物活動圖像進行數字化的實時合成，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。

在虛擬演播室節目制作過程中，確定攝像機的位置和姿態信息非常關鍵。攝像機的位置和姿態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據，通過一個“傳感器”裝置傳輸到“跟蹤器”，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。當現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系發生變化，在視覺上會造成不真實的效果。

目前，國內外眾多廠商針對攝像機的位置和姿態的測定提出了多種解決方案，大致分為機械傳感式和光學識別式兩大類，但都或多或少存在一些缺陷，制約了虛擬演播室的實際應用，現簡述如下：?

1.基于搖臂的機械式跟蹤系統。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，然后通過光柵旋轉編碼器等光電傳感器測量出攝像機的平移、旋轉等運動參數。其優點為系統安全可靠，部分參數的測量精度高；缺點非常明顯：屬于接觸式跟蹤系統，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，搖臂較長時易產生抖動，不能使用。

2.導軌式跟蹤系統。其基本原理為在云臺三角架及導軌的輪軌上進行機械加工改造并加裝傳感器，通過傳感器與導軌的接觸測出攝像機的平移運動參數。這種方法在低端場合也能應用。其缺點是屬于接觸式跟蹤系統，精度值受滑動摩擦影響,使用不方便，穩定性低，且攝像機的高度變化無法測量，在搖臂上無法使用。

3.網格識別跟蹤系統。其基本原理為在演播室的藍箱背景上貼上不同色飽和度的藍色網格，前景攝像機拍攝后通過色鍵技術識別網格圖像，并根據網格圖像的變化計算出攝像機的運動參數。其優點是屬于無接觸式跟蹤系統，應用方便.但缺點很多：精度不高；當前景物體多或攝像機局部特寫而使得網格被前景遮擋時無法應用，造成系統不穩定；為了能聚焦到網格上導致前景模糊不清或為了使前景清晰導致網格模糊，使得識別精度下降；為了識別不同色飽和度的藍色信號而使得系統的色鍵質量下降；該方法一般不能獨立使用。

4.紅外識別跟蹤系統。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量的紅外攝像機，系統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。其優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，并且必須架設在攝像機機身上方，很難固定，導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，很多攝像機由于機身上方沒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。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。其優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（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用。?

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態的測定系統，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，且準確及穩定。

本發明解決其技術問題采取的技術方案是：構造一種虛擬演播室中攝像機的位置和姿態的測定系統，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備，所述測定系統還包括：