CN102118568B - 一种用于体育比赛的图形生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体育比赛的图形生成系统，包括：第一图形工作站，第二图形工作站，播出控制模块，包括与所述第二图形工作站连接的关联子模块和播控信息生成子模块，所述模板关联子模块用于建立模板中替换单元与对应直播显示数据的关联关系，获得已配置好播出属性的三维图形显示数据；所述播控信息生成子模块，用于在控制播出时，生成相应三维图形显示数据的播出控制信息；色键器，与第一图形工作站连接，用于将所述混合输出信号作为色键背景，将相应的前景信号作为色键前景进行合成输出。本发明可以提高控制的灵活性、渲染的效率，以及，直播的安全性。

Description

一种用于体育比赛的图形生成系统

技术领域

本发明涉及电视节目制作的技术领域，特别是涉及一种用于体育比赛的图形生成系统。

背景技术

虚拟体育系统是从由虚拟演播室技术发展而来，它属于虚拟演播室技术的很重要的一个分支。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。相应地，虚拟体育技术就是将静态或动画3D图像迭加到体育竞赛直播节目的画面上。不管摄像机是否移动，都能让图形固定在某个位置不动，让视觉上觉得这些3D图形是直播画面的一部份。

虚拟体育系统的关键技术包括：三维图形生成技术和摄像机定位技术。现有技术中，这两个技术通常在一个图形工作站中完成，即在一个图形工作站中，通过实时获取摄像机跟踪用的传感装置返回相关的摄像机参数，将背景图形的三维图元按照当前摄像机参数进行渲染，以使当前的虚拟三维图元就和当前真实摄像机相匹配。

现有技术中，色键合成通常是将摄像机采集的前景图像与计算机产生的三维虚拟场景简单叠加，即其合成画面的显示仅仅有前景图像和三维场景两层，然而，在虚拟体育系统的直播画面中，往往需要将虚拟三维场景置于两层前景图像之间，例如，需要显示为，运动员以及裁判等人员在虚拟物体上面，同时这些虚拟物体又是在草地或者水面等场地上面，而采用现有技术则很难达到这种虚实结合的效果。

然而，在实际中可能出现的一种情形为在赛事直播时，一方面要渲染三维场景播出，另一方面要实时计算当前越位线这些需要人工干预的项目的实时三维数据，从而影响渲染的效率和直播的安全性。

此外，在赛事直播时，往往还需要相关技术人员针对不同的比赛修改相应的显示模板，不仅使得操作繁琐，还有可能因为技术人员的误操作影响直播。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于体育比赛的图形生成系统，以提高控制的灵活性、渲染的效率，以及，直播的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种用于体育比赛的图形生成系统，包括：

摄像机，用于采集前景图像的视频信号，并传送至色键合成器、第一图形工作站和第二图形工作站；

传感装置，用于获取摄像机的定位信息以及传感器参数，并传送至第一图形工作站和第二图形工作站；

第一图形工作站，包括渲染模块和信号混合输出模块，所述渲染模块用于依据所述摄像机的定位信息以及传感器参数渲染三维图形的播出模板，所述播出模板中包括描述不同播出属性的多个替换单元；所述信号混合输出模块用于依据所述播出控制信息将相应的直播显示数据及前景信号进行混合输出；

第二图形工作站，包括数据处理模块和数据传输模块，所述数据处理模块用于依据所述摄像机定位信息以及传感器参数计算赛事直播中的相关显示数据；所述数据传输模块用于将所述直播显示数据传输至播出控制模块；

播出控制模块，包括与所述第二图形工作站连接的关联子模块和播控信息生成子模块，所述模板关联子模块用于建立模板中替换单元与对应直播显示数据的关联关系，获得已配置好播出属性的三维图形显示数据；所述播控信息生成子模块，用于在控制播出时，生成相应三维图形显示数据的播出控制信息；以及，与所述第一图形工作站连接的传送子模块，用于将所述播出控制信息发送至第一图形工作站；

色键器，与第一图形工作站连接，用于将所述混合输出信号作为色键背景，将相应的前景信号作为色键前景进行合成输出。

优选的，所述的系统，还包括：

转换器，连接在所述传感装置与第一图形工作站及第二图形工作站之间。

优选的，所述传感装置与第一图形工作站及第二图形工作站之间采用双轴线传输。

优选的，所述播出控制模块采用以太网与所述第二图形工作站和第一图形工作站连接。

优选的，所述色键器通过数字视频线与第一图形工作站连接。

优选的，所述三维图形播出模板根据不同种类的比赛设置。

优选的，所述播出控制模块的关联子模块包括：

命令接收单元，用于接收预先配置的命令；

关联执行单元，用于依据所述命令将模板替换单元与相应的直播显示数据进行关联。

优选的，所述合成输出的显示形式为三层叠加的画面，其中，最上层和最底层为摄像机采集的实时图像，中间层为虚拟三维图形数据。

优选的，所述虚拟三维图形数据具有固定的显示位置。

优选的，所述摄像机的定位信息包括标定获得的摄像机内参数和摄像机外参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用将渲染的虚拟三维图形和摄像机信号混合输出的模式，将混合输出的信号作为色键的背景，同时将当前摄像机采集的前景信号作为色键的前景信号，针对虚拟三维图形的体育场地进行抠像，这样摄像机采集的运动员以及裁判等人员可以在虚拟三维图形的上面，同时虚拟三维图形又可以在场地的上面，即虚拟三维图形位于两层摄像机前景信号的中间，从而达到了“以假乱真”的虚实结合效果。

再者，本发明通过分离用于摄像机定位和三维场景渲染的图形工作站，即采用两个图形工作站分别处理摄像机定位和三维场景渲染，从而提高控制的灵活性，同时这种各司其职的工作模式也提高了渲染的效率以及直播的安全性。

并且，本发明通过关联赛事直播中的相关显示数据及预置播出模板中相应的替换单元，不需要相关技术人员手动修改模板，即可实现直播显示数据的自动替换，从而大大方便了用户，同时进一步提高了直播的安全性。

附图说明

图1是本发明的一种用于体育比赛的图形生成系统实施例的结构框图。

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。

本发明实施例主要应用在基于虚拟演播室技术进一步发展起来的虚拟体育技术中。虚拟体育技术就是将静态或动画3D图像迭加到体育竞赛直播节目的画面上。不管摄影机是否移动，都能让图形固定在某个位置不动，让视觉上觉得这些3D图形是直播画面的一部份。虚拟体育系统具有实况赛事跟踪功能，可以展示草地、田径场、足球场、雪地、水域或者3D空间内的实际距离、高度和速度，同时可以在广告牌上、运动场内和(或)运动场周边展示广告，并且可以将新的电视广告或动画电视广告覆盖在现场实际广告上。虚拟体育系统也可以用于赛事分析，在回放过程增加分析信息，让观众更直观的看到比赛情况。

参考图1，示出了本发明的一种用于体育比赛的图形生成系统实施例的结构框图，具体可以包括以下部件：

摄像机11，用于采集前景图像的视频信号，并传送至色键器16、第一图形工作站13和第二图形工作站14；

传感装置12，用于获取摄像机的定位信息以及传感器参数，并传送至第一图形工作站13和第二图形工作站14；

第一图形工作站13，包括渲染模块和信号混合输出模块，用于依据所述摄像机的定位信息以及传感器参数渲染三维图形的播出模板，所述播出模板中包括描述不同播出属性的多个替换单元；所述信号混合输出模块用于依据所述播出控制信息将相应的直播显示数据及前景信号进行混合输出；

第二图形工作站14，包括数据处理模块和数据传输模块，所述数据处理模块用于依据所述摄像机定位信息以及传感器参数计算赛事直播中的相关显示数据；所述数据传输模块用于将所述直播显示数据传输至播出控制模块；

播出控制模块15，包括与所述第二图形工作站14连接的关联子模块和播控信息生成子模块，所述模板关联子模块用于建立模板中替换单元与对应直播显示数据的关联关系，获得已配置好播出属性的三维图形显示数据；所述播控信息生成子模块，用于在控制播出时，生成相应三维图形显示数据的播出控制信息；以及，与所述第一图形工作站13连接的传送子模块，用于将所述播出控制信息发送至第一图形工作站；

色键器16，与第一图形工作站13连接，用于将所述混合输出信号作为色键背景，将相应的前景信号作为色键前景进行合成输出。

应用本发明实施例进行一场体育赛事的直播涉及以下步骤：

步骤S1、摄像机实时采集前景图像的视频信号，传感装置实时获取摄像机的定位信息；

步骤S2、第一图形工作站的渲染模块依据所述摄像机的定位信息以及当前传感器的参数渲染三维图形的播出模板，所述播出模板中包括描述不同播出属性的多个替换单元；

步骤S3、第二图形工作站的数据处理模块依据所述摄像机定位信息计算赛事直播中的相关显示数据；并且，由数据传输模块将所述直播显示数据传输至播出控制模块；

步骤S4、播出控制模块建立模板中替换单元与对应直播显示数据的关联关系，获得已配置好播出属性的三维图形显示数据；并在控制播出时，生成相应三维图形显示数据的播出控制信息；以及，将所述播出控制信息发送至第一图形工作站；

步骤S5、第一图形工作站的信号混合输出模块依据所述播出控制信息将相应的直播显示数据及前景信号进行混合输出，并将混合输出信号传送给色键器；

步骤S6、色键器将所述混合输出信号作为色键背景，将相应的前景信号作为色键前景进行合成输出。

由于体育赛事的摄像机一般都在比赛场固定的房间或者在观众席的高台上面，同时转播车以及转播设备安放在体育场外，这样系统的传感装置的数据线将会很长达到二三百米左右。为保证传输数据不损失，在具体实现中，本发明的系统可以采用双轴线传输，双轴线传输距离为两公里，在传感装置和图形工作站相连接的部分采用转换器，转换为PC对应的传输协议。从而有效解决远距离传输高波特率的传感数据传输问题。

在虚拟体育节目制作过程中，确定摄像机的状态信息非常关键。虚拟体育系统中设置的摄像机配有运动检测和识别系统，即摄像机跟踪器。其跟踪方式有光学识别系统和机械传感式系统两种。其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“传感装置”装置传输到“校准器”，这样，理想情况下，现场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现场摄像机保持同步。

通过实时计算传感装置返回的数据，即可获得当前的摄像机定位信息。所述摄像机定位信息包括摄像机成像的几何模型参数，具体可以包括摄像机内参数和摄像机外参数。外参数包括摄像机的位置、姿态等几何信息，内参数包括摄像机的焦距，主点、以及镜头变形参数等光学参数。

在实际中，为减少重复劳动，通常需要预先生成用于定义播出属性的播出模板，根据体育赛事直播的需求，往往在一套播出模板内，包括多个针对不同直播显示数据进行属性定义的替换单元，例如，对于一场足球赛事，可能需要定义比赛阵容的替换单元、比分的替换单元、发球位置及距离的替换单元等。由于同一种类比赛所需直播显示数据的相似性，在本发明的一种优选实施例中，所述播出模板可以根据不同种类的比赛设置，如针对足球比赛设置一套播出模板、针对乒乓球比赛设置一套播出模板、针对篮球比赛设置一套播出模板等。并且，这些模板可以存储在第一图形工作站中。

所述第二图形工作站可以用于摄像机的定位，并在赛事直播时，通过其实时定位的摄像机参数，根据当前赛事情况实时计算当前发球区、世界记录线以及发球距离等直播显示数据，即计算相应模板替换单元的空间位置及具体的标注信息，作为实时的数据发送给播出控制模块。在实际中，为保证第一图形工作站和第二图形工作站工作的同步，摄像机所采集的视频信号可以经视频延时器延时后，再传送至第一图形工作站。

在本发明的一种优选实施例中，所述第二图形工作站可以通过预先配置好的命令，将相应的直播显示数据以及相应模板替换单元的提取路径发送给当前播出控制模块，即所述播出控制模块的关联子模块可以包括如下单元：

命令接收单元，用于接收预先配置的命令；

关联执行单元，用于依据所述命令将模板替换单元与相应的直播显示数据进行关联。

例如，当前需要播出一场足球比赛中从发球点到射门位置的箭头数据，在第二图形工作站中，通过描绘的当前发球点的起始位置以及箭头长度、距离的相关数据，以配置好的命令A的方式发送给当前播出控制单元，当前播出控制单元依据该命令控制第一图形工作站中读取相应的箭头数据及关联的模板替换单元，以及，根据第二图形工作站发送的直播显示数据进行组合，即使得直播显示数据具有相应替换单元定义的播出属性，在相关技术人员的控制下，则播出该具有相应播出属性的直播显示数据。

在这种情况下，摄像机采集的前景信号会进入第一图形工作站，同时，第一图形工作站会根据当前摄像机的定位参数以及传感器实时参数渲染直播显示数据的三维图元，然后依据播出控制模块传送的播出控制信息，将虚拟三维图元的背景信号和摄像机采集的前景信号进行混合输出。

色键技术是虚拟体育系统中的关键技术。用摄像机的位置和镜头等变化来控制计算机中的“虚拟摄像机”，使它的位置和镜头变化与“实际”同步，这样它所拍摄的“虚拟场景”的镜头变化和实际摄像机拍摄的物体镜头变化一致，通过对它们进行色键效果处理之后，得到的画面才真实自然。

色键制作的质量对虚拟体育节目质量影响相当大，通过把前景键在背景上，即将生成的背景图像与前景图像混合后，才最终完成了虚拟体育的节目制作。在本发明实施例中，色键的背景是虚拟三维图形数据及前景信号的混合输出信号，色键的前景是摄像机采集的前景图像。前景与背景的混合是通过色键合成器来完成的。

通常在虚拟体育节目中，色键合成器可以针对虚拟三维图形的体育场地进行抠像，这样摄像机采集的运动员以及裁判等人员可以在虚拟三维图形的上面，同时虚拟三维图形又可以在场地的上面，即虚拟三维图形位于两层摄像机前景信号的中间，即所述合成输出的显示形式为：三层叠加的画面，其中，最上层和最底层为摄像机采集的实时图像，中间层为虚拟三维图形数据，从而达到了“以假乱真”的虚实结合效果。

由于虚拟体育系统是将虚拟的物体叠加在当前直播的赛事画面上，不管摄像机是否移动，虚拟物体都固定不动，视觉上让观众认为这是赛事的一部分，因而在本发明的一种优选实施例中，所述虚拟三维图形数据具有固定的显示位置。

在具体实现中，所述播出控制模块和第一、第二图形工作站之间可以采用以太网连接，所有的命令均可以采用网络发送的方式进行交互。所述色键器可以通过数字视频线与第一图形工作站连接。

以上对本发明所提供的一种用于体育比赛的图形生成系统进行了详细介绍，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 (10)

1.一种用于体育比赛的图形生成系统，其特征在于，包括：

摄像机，用于采集前景图像的视频信号，并传送至色键合成器、第一图形工作站和第二图形工作站；

传感装置，用于获取摄像机的定位信息以及传感器参数，并传送至第一图形工作站和第二图形工作站；

第一图形工作站，包括渲染模块和信号混合输出模块，所述渲染模块用于依据所述摄像机的定位信息以及传感器参数渲染三维图形的播出模板，所述播出模板中包括描述不同播出属性的多个替换单元；所述信号混合输出模块用于依据播出控制信息将相应的直播显示数据及前景信号进行混合输出；

第二图形工作站，包括数据处理模块和数据传输模块，所述数据处理模块用于依据所述摄像机定位信息以及传感器参数计算赛事直播中的相关显示数据；所述数据传输模块用于将所述直播显示数据传输至播出控制模块；

播出控制模块，包括与所述第二图形工作站连接的关联子模块和播控信息生成子模块，所述第二图形工作站连接的关联子模块用于建立模板中替换单元与对应直播显示数据的关联关系，获得已配置好播出属性的三维图形显示数据；所述播控信息生成子模块，用于在控制播出时，生成相应三维图形显示数据的播出控制信息；以及，与所述第一图形工作站连接的传送子模块，用于将所述播出控制信息发送至第一图形工作站；

色键器，与第一图形工作站连接，用于将所述混合输出信号作为色键背景，将相应的前景信号作为色键前景进行合成输出。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

转换器，连接在所述传感装置与第一图形工作站及第二图形工作站之间。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述传感装置与第一图形工作站及第二图形工作站之间采用双轴线传输。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述播出控制模块采用以太网与所述第二图形工作站和第一图形工作站连接。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述色键器通过数字视频线与第一图形工作站连接。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维图形播出模板根据不同种类的比赛设置。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述播出控制模块的关联子模块包括：

命令接收单元，用于接收预先配置的命令；

关联执行单元，用于依据所述命令将模板替换单元与相应的直播显示数据进行关联。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述合成输出的显示形式为三层叠加的画面，其中，最上层和最底层为摄像机采集的实时图像，中间层为虚拟三维图形数据。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述虚拟三维图形数据具有固定的显示位置。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像机的定位信息包括标定获得的摄像机内参数和摄像机外参数。