CN102111565B - 虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法，在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框，所述的方法包括：摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵。本发明可以以简单易行的方式，使拍摄过程中的摄像机初始定位更为方便、快捷。

Description

虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法及装置

技术领域

本发明涉及电视节目制作的技术领域，特别是涉及一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法及一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置。

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模型与摄像机现场拍摄的物体活动图像进行数字化的实时合成，使物体图像与虚拟背景能够同步变化，从而实现两者的融合，以获得完美的合成画面。虚拟演播室技术是在传统色键抠像技术的基础上，充分利用了计算机三维图形技术和视频合成技术，根据摄像机的位置与参数，使三维虚拟场景的透视关系与前景保持一致，经过色键合成后，使得前景中的图像看起来完全处于计算机所产生的三维虚拟场景中，而且能在其中运动，从而创造出逼真的、立体感很强的电视演播室效果。

虚拟演播室技术其中的一个关键技术就是摄像机跟踪技术，跟踪技术包括：机械传感跟踪，图像跟踪，以及红外跟踪等等，目前国内采用的比较多的就是机械传感跟踪方式，机械传感跟踪技术的关键技术包括：摄像机初始定位技术和摄像机跟踪技术。摄像机初始定位技术用于确定摄像机的初始位置，经过初始定位，三维场景与当前摄像机的位置关系匹配完毕，摄像机姿态发生变换时，根据传感器传回的数据信息实时修改虚拟摄像机的位置参数，使得三维场景随之发生相应的改变。初始定位是否准确对整个摄像机跟踪技术意义重大，初始位置如果定位失败，整个跟踪将没有基准，三维场景也无法正确跟随摄像机运动发生相应的改变，会产生错位，穿帮的感觉，虚拟演播室技术也就失去了虚拟的意义。

目前利用标志点定位的方法，一般采用将标志板置于蓝箱里面，或者贴在蓝箱的侧面，用户需要测量标志点相对于蓝箱原点的相对位置关系。拍摄过程中需要定位的话，需要把标志点重新拿回蓝箱里面，这给拍摄过程带来很多麻烦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法，以简单易行的方式，使拍摄过程中的摄像机初始定位更为方便、快捷。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法，在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框，所述的方法包括：

摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵。

优选的，所述矩形框的浅蓝色为对前景图像进行色键抠像时能被抠除的特定RGB颜色，所述矩形框的大小为0.5m*0.5m。

优选的，所述角点坐标为矩形框的四个顶点坐标，所述提取角点坐标的步骤包括：

采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

依据所述外框提取四个顶点的坐标。

优选的，所述摄像机的初始姿态矩阵包括摄像机的旋转矩阵和平移矩阵。

优选的，所述矩形框的浅蓝色浅于蓝箱的颜色。

本发明实施例还公开了一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置，包括：

矩形框制作单元，用于在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框；

前景图像获取单元，用于用摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

角点坐标提取单元，用于在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

初始姿态计算单元，用于依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵。

优选的，所述矩形框的浅蓝色为对前景图像进行色键抠像时能被抠除的特定RGB颜色，所述矩形框的大小为0.5m*0.5m。

优选的，所述角点坐标为矩形框的四个顶点坐标，所述角点坐标提取单元包括：

二值化处理子单元，用于采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

外框定位子单元，用于根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

顶点坐标提取子单元，用于依据所述外框提取四个顶点的坐标。

优选的，所述摄像机的初始姿态矩阵包括摄像机的旋转矩阵和平移矩阵。

优选的，所述矩形框的浅蓝色浅于蓝箱的颜色。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用的初始定位的方法通过在蓝箱的墙上涂覆一层特定大小的浅蓝色矩形框，其浅蓝色比蓝箱的蓝稍浅，为特定RGB值的浅蓝。这个浅蓝色的矩形框一般位于摄像机的正前方的位置，并且这个浅蓝色的矩形框可以被色键器抠掉。然后采用图像分析的方法提取这个矩形框的角点坐标，根据角点坐标计算当前摄像机的姿态矩阵。由于这种浅蓝色可以被色键扣掉，不像现有技术中的标志点，在拍摄过程中需要撤走，所以可以使得拍摄过程中的摄像机初始定位更为方便、快捷，并且简单易行。

附图说明

图1是本发明的一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法实施例的步骤流程图；

图2是本发明的一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虚拟演播室系统是近年来随着计算机技术飞速发展和色键技术不断改进而出现的一种新的电视节目制作系统。在虚拟演播室系统中，摄像机的工作状态信息传送给图形工作站，计算机依此得到前景物体与摄像机之间的距离和相对位置，从而计算出虚拟场景最适宜的大小、位置，并按要求计算生成虚拟场景的三维模型。现场视频采用色键原理，将主持人或演员置身于蓝色背景幕布前表演，然后利用色键器的抠像功能将主持人从蓝色背景中分离出来，实时地与计算机产生的三维模型完美无缺地集成在一起，构成一个现实中不存在的，但是在电视画面上却又起到演播室作用的那种假想的新的环境和气氛，最终得到把将实拍的人物与虚拟景物无缝地融合起来的画面。

虚拟演播室的优势是显而易见的，从画面可以明显看出，电脑生成的背景与演员之间的融合简直是天衣无缝。虚拟演播室系统用软件来生成背景和道具，它可制作出实际不存在的或难以制作的场景，并可以在瞬间改变场景，可以制作出真实演播室无法实现的效果，其空间不受物理空间限制，摄像机可以以360°旋转；还可以引人大量虚拟特殊环境与道具，因此可创作出更丰富、更吸引人的节目，使导演在很大程度上摆脱了时间、空间和道具制作方面的限制，获得了更大的创作的想象空间，能够以低廉的成本产生新奇的视觉效果。另外，由于场景的制作、修改、保存等都在计算机上进行，制作和更换电子布景快捷简便，节省了大量的人力、物力、财力，而且缩短了节目制作周期，提高演播室的利用率等等。

应用这项技术，背景成像依据的是真实的摄像机拍摄所得到的镜头参数，因而和物体的三维透视关系完全一致，避免了真实、不自然的感觉。由于背景大多是由计算机生成的，可以迅速变化，这使得丰富多彩的演播室场景设计可以用非常经济的手段来实现，目前已被越来越多的节目制作及有关人员所关注。

参考图1，示出了本发明的一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法实施例的步骤流程图，具体可以包括以下步骤：

步骤101、在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框；

步骤102、摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

步骤103、在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

步骤104、依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵。

本发明实施例的实现需要预先在蓝箱的墙上涂覆一层特定大小的浅蓝色的矩形框。目前，蓝箱主要有一墙一底式、两墙一底(一角)式和三墙一底式3种。其中，三墙一底式能给出更大空间，摄像机机位限制小，摇摄范围大。蓝箱必须保证均匀的蓝色背景，特别是在墙墙、墙地交接处不能有接缝的痕迹。在具体实现中，采用任一种蓝箱都是可行的。将浅蓝色的矩形框设置在位于摄像机拍摄的正前方的位置。优选的是，矩形框的大小可以为0.5m*0.5m，这个浅蓝色需要比蓝箱的蓝稍微浅一些，为特定RGB值的浅蓝，并且这个浅蓝色的矩形框可以被色键器抠掉。

在实际中，虚拟演播室系统会将摄像机拍摄的前景图像(蓝箱)进行抠像，然后根据摄像机的运动参数实时生成三维虚拟场景的背景信号和掩模信号合成。色键的主要作用是将前景抠像然后和背景合成。其原理是，前景图像的色调与前景后边的蓝幕色调(与前景中人物区别极大的高饱和度彩色)之差值形成键控(抠像)电压波形，用此电压波形去抠虚拟背景图像，然后在抠掉的部分再填入蓝幕上的前景图像。这样，将前景图像从蓝幕中分离出来，与虚拟背景图像在色度键控制器(目前采用Ultimatte 8或Ultimatte 9色键发生器完成色键合成)中合成一幅完整的彩色图像。在本发明中，采用浅蓝色的矩形框的目的之一就是这种浅蓝色可以被色键扣掉，从而在拍摄过程中不需要撤走，由此简化拍摄过程中的操作。

可以理解，本发明中所述角点坐标即为矩形框的四个顶点坐标，在这种情况下，作为本发明的一种优选实施例，所述步骤103可以包括如下子步骤：

子步骤S1、采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

子步骤S2、根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

子步骤S3、依据所述外框提取四个顶点的坐标。

由于摄像机定位时需要提取矩形框的四个顶点坐标，即本发明通过采用图像分析技术在前景图像中分析出浅蓝的矩形框，同时将矩形框的四个顶点坐标提取出来。由于系统在设置浅蓝色的矩形框时颜色为固定RGB，故可以采用特定的阈值将图像进行二值化处理，根据二值化的结果寻找黑白交界的区域，确定标志点的外框，从而提取四个顶点的坐标。

根据上述得出的顶点坐标经迭代计算，即可获得当前摄像机的初始姿态矩阵，公知的是，所述姿态矩阵可以包括旋转矩阵R和平移矩阵T。由于本部分涉及公知技术，本发明对此就不详述了。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

参考图2，示出了本发明的一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置实施例的结构框图，具体可以包括以下单元：

矩形框制作单元201，用于在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框；

前景图像获取单元202，用于用摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

角点坐标提取单元203，用于在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

初始姿态计算单元204，用于依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵。

在具体实现中，所述矩形框的浅蓝色为对前景图像进行色键抠像时能被抠除的特定RGB颜色，其浅于蓝箱的颜色。所述矩形框的大小为0.5m*0.5m。

在本发明的一种优选实施例中，所述角点坐标为矩形框的四个顶点坐标，所述角点坐标提取单元203可以包括如下子单元：

二值化处理子单元，用于采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

外框定位子单元，用于根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

顶点坐标提取子单元，用于依据所述外框提取四个顶点的坐标。

在具体应用中，所述摄像机的初始姿态矩阵可以包括摄像机的旋转矩阵和平移矩阵。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法及一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位方法，其特征在于，在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框，所述的方法包括：

摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵；

所述矩形框的浅蓝色为对前景图像进行色键抠像时能被抠除的特定RGB颜色，所述矩形框的大小为0.5m*0.5m。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角点坐标为矩形框的四个顶点坐标，所述提取角点坐标的步骤包括：

采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

依据所述外框提取四个顶点的坐标。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摄像机的初始姿态矩阵包括摄像机的旋转矩阵和平移矩阵。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矩形框的浅蓝色浅于蓝箱的颜色。

5.一种虚拟演播室系统中的摄像机初始定位装置，其特征在于，包括：

矩形框制作单元，用于在摄像机拍摄正前方的蓝箱墙上涂覆特定大小的浅蓝色矩形框；

前景图像获取单元，用于用摄像机对准所述矩形框进行拍摄获得前景图像；

角点坐标提取单元，用于在前景图像中提取出所述矩形框的角点坐标；

初始姿态计算单元，用于依据所述角点坐标迭代计算出当前摄像机的初始姿态矩阵；

所述矩形框的浅蓝色为对前景图像进行色键抠像时能被抠除的特定RGB颜色，所述矩形框的大小为0.5m*0.5m。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述角点坐标为矩形框的四个顶点坐标，所述角点坐标提取单元包括：

二值化处理子单元，用于采用特定阈值对所述前景图像进行二值化处理；

外框定位子单元，用于根据二值化结果寻找黑白交界的区域，确定所述矩形框的外框；

顶点坐标提取子单元，用于依据所述外框提取四个顶点的坐标。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述摄像机的初始姿态矩阵包括摄像机的旋转矩阵和平移矩阵。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述矩形框的浅蓝色浅于蓝箱的颜色。