虚拟演播室系统中辅助摄像机光图形接力跟踪方法

摘要

本发明公开了一种虚拟演播室系统中辅助摄像机光图形接力跟踪方法，该方法主要包括：在前景摄像机的云台、三角架、摇臂或其附属物上加装辅助摄像机，在前景摄像机的上方或四周有选择的加入不同色彩或亮度的光图形，从而使得辅助摄像机拍摄到的图像中各像素点的色彩或亮度不完全一致，视频图像采集卡将集到的图像经过跟踪服务器计算后得到辅助摄像机的运动参数，跟踪服务器根据辅助摄像机的运动参数及辅助摄像机和前景摄像机的位置关系即可得出前景摄像机的运动参数。该方法将跟踪系统的精度、动态频响、最小分辨率、抗干扰能力和稳定性等各项指标提到了一定的高度，彻底解决了虚拟演播室系统中摄像机的跟踪技术。

说明书

技术领域

本发明涉及摄像机运动参数测定及跟踪方法，特别是涉及一种虚拟演播室系统中采用辅助摄像机对在有限空间内运动目标物体的空间位置及姿态的场频速度进行无接触式的光图形接力跟踪方法。

背景技术

虚拟演播室技术经过近十年的发展已经取得了巨大的进步，目前逐渐进入应用阶段。但是，作为虚拟演播室系统中的关键技术之一的摄像机运动参数测定及跟踪技术，尽管国内外众多厂商提出了多种解决方案，却或多或少都存在一些严重缺陷，制约了虚拟演播室系统的实际应用效果，现简述如下：

1、机械式跟踪：其基本原理为对摄像机的云台、三角架及摇臂进行机械改造，加装齿轮等机械传感装置，然后通过光栅旋转编码器等光电传感器测量出摄像机的平移、旋转等运动参数。其优点为系统安全可靠，部分参数的测量精度高；缺点非常明显：属于接触式跟踪系统，需要针对不同的云台、摇臂进行不同的改造，跟踪精度和云台、摇臂的臂长等特性有关，摇臂较长时易产生抖动，不能使用。

2、导轨式跟踪：其基本原理为在云台三角架的下方加装导轨，通过传感器与导轨的接触测出摄像机的平移运动参数。这种方法在低端场合也能应用。其缺点是属于接触式跟踪系统，精度值受滑动摩擦影响，使用不方便，稳定性低，且摄像机的高度变化无法测量，在摇臂上无法使用。

3、红外识别跟踪系统：其基本原理为在前景摄像机上加装一定角度的红外源，在摄像机的上方空间加装一定数量的红外摄像机，系统通过红外摄像机检测红外源的位置变化而计算出前景摄像机的运动参数。其优点是属于无接触式跟踪，使用方便；缺点是由于任何物体在任何温度下都能发射不同波段的红外线，而且随着温度不同红外线的当量和波段也不同。因此该系统受环境光及热光源的影响极大，系统不稳，精度也会受影响。

4、网格识别跟踪：其基本原理为在演播室的蓝箱背景上贴上不同色饱和度的蓝色网格，前景摄像机拍摄后通过色键技术识别网格图像，并根据网格图像的变化计算出摄像机的运动参数。其优点是属于无接触式跟踪系统，应用方便。但缺点很多：精度不高；当前景物体多或摄像机局部特写而使得网格被前景遮挡时无法应用，造成系统不稳定；为了能聚焦到网格上导致前景模糊不清或为了使前景清晰导致网格模糊，使得识别精度下降；为了识别不同色饱和度的蓝色信号而使得系统的色键质量下降；该方法一般不能独立使用。

由于目前各种跟踪方法均存在着巨大的缺陷，虚拟演播室系统在实际应用中受到严重的制约，影响了虚拟演播室系统功能的发挥及市场推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟演播室系统中采用辅助摄像机对在有限空间内运动目标物体的空间位置及姿态的场频速度进行无接触式的光图形接力跟踪方法。该方法不仅克服了现存各种跟踪方案的全部缺点，而且将跟踪系统的精度、动态频响、最小分辨率、抗干扰能力、稳定性等各项指标提到了前所未有的高度，彻底解决了虚拟演播室系统中的摄像机跟踪技术。

本发明的目的是这样实现的：该方法包括以下步骤：

-在前景摄像机1的云台2、三角架3、摇臂或其附属物上加装辅助摄像机4，在前景摄像机1的上方或四周有选择的加入不同色彩或亮度的光图形5，从而使得辅助摄像机4拍摄到的图像中各像素点的色彩或亮度不完全一致；

-跟踪服务器6中的视频图像采集卡7按场频采集辅助摄像机4拍摄的视频图像，并拷贝到跟踪服务器6内存中，采集到的图像经过跟踪服务器6计算后得到辅助摄像机4的运动参数；

-跟踪服务器6根据辅助摄像机4的运动参数及辅助摄像机4和前景摄像机1的位置关系即可计算出前景摄像机1的运动参数并发送至虚拟演播室的三维渲染引擎。

跟踪服务器6的计算方法是以图像的水平和垂直方向为横坐标和纵坐标，以像素点的色彩值或亮度值作为竖坐标所张成的三维曲面坐标中就会形成波峰、波谷、等高线、奇异点等一系列特征点集，而且这些特征点集相对于环境光的变化具有相对稳定性，根据特征点集本身的特点——例如等高线所围成的图形的大小、面积、形状等以及特征点集之间的相对关系——例如曲面中波峰、波谷、奇异点之间的相对高度、相对距离的变化和等高线围成的图形之间的相对位置等信息便可以非常精确的计算出辅助摄像机4的运动参数。

所加入的光图形5没有形状、大小、亮度或色彩的要求，但其和相邻物体的色彩对比度或亮度对比度越大效果越好。

所述辅助摄像机4为普通的彩色摄像机、黑白摄像机或红外摄像机。

所述视频图像采集卡7为普通的能够按帧速率采集的图像采集卡。

本发明的优点是：相对于其它的跟踪方法，本发明所能使用的有效信息极为丰富，因此跟踪精度、最小分辨率等技术指标相对于其它跟踪技术有了极大的提高。本发明属于无接触式跟踪，使用方便，跟踪具有高精度、高频响、稳定性强的特点，抗干扰能力强，受环境光影响小，不受温度、声波等影响；在云台、三角架或摇臂上安装辅助摄像机很方便，具有设备无关性，不需要改造摇臂，跟踪效果和摇臂长度、前景对象及色键效果等均无关系，可以测量摄像机的平移、高度等参数信息。

附图说明

图1是本发明所需设备的结构示意图。

具体实施方式

如附图1所示，在前景摄像机1的云台2、三角架3、摇臂或其附属物上方加装辅助摄像机4，以景物保持相对稳定性、不影响其它操作及有相对明显的色彩对比度或亮度对比度为原则，选择辅助摄像机4的角度，可以选为垂直或平行地面，以便于和前景摄像机1的运动转换。

如果辅助摄像机4拍摄的图像其色彩对比度或亮度对比度过于均匀，则需要在演播室有选择的加入不同色彩或亮度的光图形5，从而使得辅助摄像机4拍摄到的图像中各像素点的色彩或亮度不完全一致。所加入的光图形5没有形状、大小、亮度或色彩的要求，但其和相邻物体的色彩对比度或亮度对比度越大效果越好。

辅助摄像机4为普通的彩色摄像机或红外摄像机，若用亮度做像素也可采用黑白摄像机。

视频图像采集卡7为普通的图像采集卡，能够按帧速率采集即可。采集到的图像经过跟踪服务器6计算后即可得到辅助摄像机4的运动参数，由辅助摄像机4和前景摄像机1的位置关系即可计算出前景摄像机1的运动参数。

跟踪服务器6所要求的配置可选用标准的PC电脑，主频要求在2.4G以上，内存在256M以上。

软件工作流程：跟踪服务器6启动后，可自动启动跟踪进程或由虚拟演播室主控平台远程启动，然后视频图像采集卡7每帧都采集新的图像，采集图像及格式转换经跟踪服务器6计算后，即可得出辅助摄像机4的运动参数，跟踪服务器6根据辅助摄像机4的运动参数及辅助摄像机4和前景摄像机1的位置关系即可计算出前景摄像机1的运动参数并发送至虚拟演播室的三维渲染引擎。

跟踪服务器6的计算方法是以图像的水平和垂直方向为横坐标和纵坐标，以像素点的色彩值或亮度值作为竖坐标所张成的三维曲面坐标中就会形成波峰、波谷、等高线、奇异点等一系列特征点集，而且这些特征点集相对于环境光的变化具有相对稳定性，根据特征点集本身的特点——例如等高线所围成的图形的大小、面积、形状等以及特征点集之间的相对关系——例如曲面中波峰、波谷、奇异点之间的相对高度、相对距离的变化和等高线围成的图形之间的相对位置等信息便可以非常精确的计算出辅助摄像机4的运动参数。

综上所述，相对于其它的跟踪方法，本发明所能使用的有效信息极为丰富，因此跟踪精度、最小分辨率等技术指标相对于其它跟踪技术有了极大的提高。本发明本的优点如下：本发明属于无接触式跟踪，使用方便；跟踪高精度、高频响、稳定性强；抗干扰能力强，受环境光影响小，不受温度、声波等影响；在云台2、三角架3或摇臂上便于安装辅助摄像机4，具有设备无关性，不需要改造摇臂；跟踪效果和摇臂长度、前景对象、色键效果等均无关系；可以测量前景摄像机1的平移，高度等参数信息。

凡是在前景摄像机1的云台2、三角架3、摇臂及其附属物上使用辅助摄像机4进行拍摄，以拍摄图像色彩或亮度像素构成的特征点集(例如：波峰、波谷、奇异点、任意形状的光图形等)本身的特点(例如：光图形的形状特点、面积大小等)以及特征点集之间的特点(例如：波峰、波谷、奇异点、光图形之间的相对亮度关系，相对位置关系等)进行前景摄像机1的运动参数计算的，均属于该专利的保护范围。