[发明专利]虚拟演播室中摄像机的位置和姿态的测定系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及视频图像处理技术，尤其涉及一种虚拟演播室中摄像机的位置和姿态的测定系统及方法。

背景技术

虚拟演播室是近年发展起来的一种独特的电视节目制作技术。它的实质是将计算机制作的虚拟三维场景与摄像机现场拍摄的人物活动图像进行数字化的实时合成，并使人物与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者天衣无缝的融合，以获得完美的合成画面。

在虚拟演播室节目制作过程中，确定摄像机的位置和姿态信息非常关键。摄像机的位置和姿态的测定原理是将检测到的摄像机的推、拉、摇、移、聚焦、变焦乃至升降等传感部位的运动数据，通过一个“传感器”装置传输到“跟踪器”，这样，理想情况下，前景摄像机与虚拟演播室中“虚拟”的摄像机被相对地锁定在一个位置上。当现场演播室摄像机运动时，虚拟摄像机受跟踪器的控制可以实时地与前景摄像机保持同步，而不至于在移动前景摄像机时，实际演员和虚拟景物在虚拟演播室中的位置关系发生变化，在视觉上会造成不真实的效果。

目前，国内外众多厂商针对摄像机的位置和姿态的测定提出了多种解决方案，大致分为机械传感式和光学识别式两大类，但都或多或少存在一些缺陷，制约了虚拟演播室的实际应用，现简述如下： 

1.基于摇臂的机械式跟踪系统。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.导轨式跟踪系统。其基本原理为在云台三角架及导轨的轮轨上进行机械加工改造并加装传感器，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.网格识别跟踪系统。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。

4.红外识别跟踪系统。其基本原理为在前景摄像机的顶部加装呈一定立体角度的五个红外源球体，并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测定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；缺点是该红外源体积较大，并且必须架设在摄像机机身上方，很难固定，导致摄像机的拆装不方便，同时并不是所有的摄像机都可以使用该跟踪系统，很多摄像机由于机身上方没有把手而无法固定红外源。

5.辅助摄像机光图形接力跟踪系统。其基本原理为在前景摄像机下方的云台上加装一个辅助摄像机，并在前景摄像机的上方或四周空间加入不同色彩或亮度的光图形，通过辅助摄像机拍摄光图形的特征点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；缺点是考虑到摇臂的无关性和遮挡的因素一般都是将云台进行加工改造后将辅助摄像机加装在云台的旁边而且方向垂直向上，将光图形置于摄像机上方并且处于水平位置，由于辅助摄像机较重并要求辅助摄像机距离云台较远（20cm以上）且较高（辅助摄像机镜头要高于前景摄像机机身，一般40cm以上），因此在使用时辅助摄像机容易颤动，而这种轻微颤动都会导致辅助摄像机拍摄角度的变化，这种角度变化会随着摇臂臂长的传导而放大并引起最终计算的前景摄像机的位置的大幅抖动（当然辅助摄像机的颤动也会引起摄像机位置的变化，但位置变化对前景摄像机的最终位置变化的影响可以忽略不计），因此导致前景摄像机的位置测量精度的下降，因此这种方法在市场上鲜有应用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种虚拟演播室中摄像机的位置和姿态的测定系统，属于无接触式，可适用于任何演播室摄像机、便于固定及拆装，且准确及稳定。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：构造一种虚拟演播室中摄像机的位置和姿态的测定系统，包括待测定的前景摄像机及固定所述前景摄像机的支撑设备，所述测定系统还包括：