CN108513414B - 一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，包括一追光灯；一图像采集装置，用于实时获取舞台场景图像；一图像处理器，用于将舞台场景图像进行处理得到演员的图像区域，提取出演员的质心；二PID控制器，用于接收所述图像处理器测量出演员质心位置和初始位置的偏差信息，并计算输出伺服装置的旋转角度输出值；一伺服装置，用于控制并调整所述追光灯的旋转角度；所述图像处理器根据所述图像采集装置获取的舞台场景图像确定演员质心的实时位置和初始位置，并将两者的位置偏差送入二所述PID控制器计算并输出旋转角度输出值，所述伺服装置接收旋转角度输出值控制所述追光灯旋转动作，从而实现所述追光灯对演员的实时跟踪。

Description

一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统及方法

技术领域

本发明涉及舞台照明技术领域，具体涉及一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统。

背景技术

舞台灯光的运用是舞台艺术中不可缺少的重要手段，达到突出重点、塑造人物形象、烘托环境气氛的目的。追光灯作为一种演员在表演时能够及时进行灯光补偿的设备，可在舞台全场黑暗的情况下用光柱突出演员或其他特殊效果，其特点是追光灯的灯光要跟随演员移动，一般仍需要人为遥控操作，要耗费大量的人力，且会存在控制不精准的情形出现，有的通过计算机控制的追光灯控制系统，虽不再需要大量人力，但是需要专业的监控人员在线实时操作，自动化程度不高且成本较高，因此需要一种控制精准、成本较低且能实时跟踪演员的追光灯系统来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的公开了一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，可精准且实时地跟踪演员。

第一方面：

本发明的提供一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，包括

一追光灯；

一图像采集装置，用于实时获取舞台场景图像；

一图像处理器，用于将舞台场景图像进行处理得到演员的图像区域，提取出演员的质心；

二PID控制器，用于接收所述图像处理器测量出演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息，并计算输出伺服装置的旋转角度输出值；

所述伺服装置，用于根据所述旋转角度输出值控制并调整所述追光灯的旋转角度，从而实现所述追光灯对演员的实时跟踪。

进一步地，所述图像采集装置为摄像头，所述摄像头的拍摄间隔为100ms。

进一步地，所述图像处理器内包含，

灰度化处理模块，用于将舞台场景图像进行灰度化处理；

类间方差模块，按下列公式计算得出灰度化处理后的图像中的每一个像素的灰度值的类间方差，得出使得类间方差最大的灰度值，计算公式如下：

g＝ω₁×ω₂×(μ₁-μ₂)² (2)

其中，g为类间方差，ω₁为属于前景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₁，ω₂为属于后景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₂；

二值化处理模块，用于将使得类间方差最大的灰度值作为分割阈值，将灰度化处理后的图像进行二值化处理，得到演员的图像区域，并提取演员的质心。

进一步地，以所述舞台场景图像的左上角建立图像uv坐标系，所述图像处理器通过下列公式可计算出演员质心的实时位置(u，v)和初始位置(u₀，v₀)，其计算公式为：

其中:u为所求取演员质心的横坐标，v为所求取演员质心的纵坐标，i、j为所统计像素的横坐标和纵坐标，I(i,j)为该点的像素值，S为整个待求区域的像素点总数，即像素面积，m是待求区域u轴方向总长度，n是待求区域v轴方向总长度。

进一步地，所述演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息包括员在u轴方向上移动的偏差信息e_u和演员在v轴方向上移动的偏差信息e_v，所述偏差信息e_u和偏差信息e_v按下列公式计算得出：

e_u＝u-u₀

e_v＝v-v₀

其中：u为演员质心的实时位置的横坐标，u₀为演员质心的初始位置的横坐标，v为演员质心的实时位置的纵坐标，v₀为演员质心的初始位置的纵坐标。

进一步地，二所述PID控制器包括第一PID控制器和第二PID控制器，所述第一PID控制器用于接收所述偏差信息e_u并计算输出yaw轴旋转角度的输出值，所述第二PID控制器用于接收所述偏差信息e_v并计算输出pitch轴旋转角度的输出值，其计算公式如下：

其中：K_pu代表yaw方向比例系数，T_iu代表yaw方向的积分时间系数，T_du代表yaw方向微分时间系数，K_pv代表pitch方向比例系数，T_iv代表pitch方向的积分时间系数，T_dv代表pitch方向微分时间系数，u_u(t)为yaw轴旋转角度的输出值，u_v(t)为pitch轴旋转角度的输出值。

进一步地，所述伺服装置包括一yaw轴伺服装置和一pitch轴伺服装置，所述yaw轴伺服装置根据其接收的所述yaw轴旋转角度的输出值来控制所述追光灯左右转动，所述pitch轴伺服装置根据其接收的所述pitch轴旋转角度的输出值来控制所述追光灯前后转动。

第二方面：

本发明公开了一种焦点自跟踪的舞台追光灯控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，图像采集装置实时获取舞台场景图像信息；

步骤二，图像处理器对上述舞台场景图像进行处理，获取演员质心；

步骤三，对每一个舞台场景图像建立图像坐标系，计算出演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息；

步骤四，将上述偏差信息送入二PID控制器进行计算，并输出与追光灯连接的伺服装置的旋转角度输出值；

步骤五，伺服装置接收上述旋转角度输出值并驱使追光灯旋转跟踪。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过图像采集装置获取的舞台场景图像信息来获取演员质心的实时位置，并将上台拍摄的第一帧图像中的演员质心作为初始位置，通过两者之间的偏差信息分别导入至第一PID控制器和第二PID控制器中计算出相应的旋转角度输出值，并控制yaw轴伺服装置和pitch轴伺服装置来调整追光灯的旋转角度，可实现追光灯对演员的精准且实时地跟踪。

附图说明

图1是本发明一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统工作流程图；

图2是本发明的系统结构示意图。

图中：

1、追光灯 2、图像采集装置 3、演员质心 4、yaw轴伺服装置 5、pitch轴伺服装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例公开了一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，包括一追光灯1、一图像采集装置2、一图像处理器、二PID控制器、一伺服控制装置，所述伺服装置包括一yaw轴伺服装置4和一pitch轴伺服装置5，所述图像采集装置2实时采集舞台的图像信息，并通过所述图像处理器处理后得到演员质心的实时位置和初始位置，将演员质心3的实时位置和演员质心3的初始位置的偏差信息传递至二所述PID控制器，二所述PID控制器计算出旋转角度输出值并控制所述伺服装置来调整所述追光灯1的转动角度。

所述图像采集装置2不断地获取舞台场景图像，进而获取实时的舞台场景图像信息，所述图像采集装置2可为摄像头，在进行图像采集的过程中，摄像头一般位于舞台正面中心的正前方位置，也可以位于舞台正面前方的其他位置，犹如观众的视角来进行拍摄，这样可以最清晰将舞台的全景拍摄出来，摄像头每间隔100ms拍摄一次，这样可以尽可能地拍摄出演员移动的每一个位置的舞台场景图像信息，每个舞台场景图像信息内均记载着演员实时的位置信息，便于后续的处理分析，舞台场景图像拍摄为RGB彩色图片。

所述图像处理器包含有灰度化处理模块、类间方差模块和二值化处理模块，所述图像处理器通过信号线来接收所述图像采集装置采集舞台场景图像并处理，首先灰度化处理模块对采集的舞台场景图像采用下列公式(1)计算进行灰度化处理以降低舞台场景图像信息的计算量，灰度化处理的计算公式如下：

Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114 (1)

其中Gray为灰度图的像素值，R、G、B分别为彩图中红、绿、蓝所对应的像素值。

经过灰度化处理之后的舞台场景图像像素大幅降低，随后将灰度化处理后的图像进行二值化分割并处理，为了提取出舞台场景图像中的演员目标，需要对舞台场景图像进行分割，为了适应不同光线强度环境，本实施方式采用基于大津法动态阈值处理的二值化分割方法，假定图像大小为m*n，设定分割阈值为T，图像中像素的灰度值小于阈值T的像素个数记作N0，像素灰度值大于阈值T的像素个数记作N1，所述类间方差模块遍历舞台场景图像中每个像素点的灰度值，通过下列公式(2)可计算出每个像素点的类间方差g，其计算公式如下：

ω₁＝N1/m*n

ω₂＝N2/m*n

ω₁+ω₂＝1

N1+N2＝m*n

g＝ω₁×ω₂×(μ₁-μ₂)² (2)

其中，g为类间方差，ω₁为属于前景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₁，ω₂为属于后景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₂。

所述二值化处理模块将得到使g数值最大的灰度值作为所求分割阈值，之后进行二值化处理，其中演员图像设为前景，二值化设为“1”，背景图像设为后景，二值化设为“0”，最后通过腐蚀将灰度值小的区域增强扩展，去除比较亮的噪点，同时通过膨胀将灰度值大的区域增强扩展，连通相似颜色或强度的区域，以此来滤除背景噪声，得到演员实时的图像区域。

以每一张舞台场景图像的左上角为原点建立图像uv坐标系，根据上述得到的演员实时图像区域来确定演员质心3实时的坐标，以u轴坐标为演员左右移动方向的横坐标，v轴坐标为演员前后移动方向的纵坐标，通过下列公式(3)和公式(4)可计算出演员的质心坐标(u，v)，则演员质心3的坐标公式为：

其中u为所求取演员质心的横坐标，v为所求取演员质心的纵坐标，i，j为所统计像素的横坐标和纵坐标，I(i,j)为该点的像素值，S为整个待求区域的像素点总数，即像素面积，m是待求区域u轴方向总长度，n是待求区域v轴方向总长度。

同时以演员上场时拍摄的第一帧舞台场景图像中的演员质心3位置作为初始位置坐标，记为(u₀，v₀)；

当演员在舞台上表演移动时，演员质心3的实时位置坐标(u，v)会跟着演员的移动而变化，所述图像处理器采集演员质心3的实时位置坐标(u，v)并将其和演员质心3初始位置坐标(u₀，v₀)对比会产生偏差，并分解为u坐标偏差信息e_u和v坐标偏差信息e_v，其中u坐标偏差信息e_u为演员当前演员质心3实时位置横坐标的坐标值u和演员质心3初始位置横坐标的坐标值u₀数值之差，即

e_u＝u-u₀

同理v坐标偏差信息e_v为演员当前的演员质心3实时位置纵坐标的坐标值和演员质心3初始位置纵坐标的坐标值v₀数值之差，即

e_v＝v-v₀

将上述u坐标偏差信息e_u送入第一PID控制器中通过下列公式(5)计算得到yaw轴旋转角度的输出值并输出，将上述v坐标偏差信息e_v送入第二PID控制器中通过公式(6)计算得到pitch轴旋转角度的输出值并输出，计算公式如下：

其中：K_pu代表yaw方向比例系数，T_iu代表yaw方向的积分时间系数，T_du代表yaw方向微分时间系数，K_pv代表pitch方向比例系数，T_iv代表pitch方向的积分时间系数，T_dv代表pitch方向微分时间系数，u_u(t)为yaw轴旋转角度的输出值，u_v(t)为pitch轴旋转角度的输出值。

当演员在舞台上表演左右走动时，偏差信息e_u和偏差信息e_v产生并分别送入至第一PID控制器和第二PID控制器内，所述第一PID控制器实时计算出yaw轴旋转角度的输出值之后，输出控制所述yaw轴伺服装置4带动追光灯1左右转动，所述第二PID控制器实时计算出pitch轴旋转角度的输出值之后，同时控制所述pitch轴伺服装置5带动追光灯1上下转动，很精确地控制追光灯1的旋转量，实现追光灯1对于演员质心3的实时跟踪。

以下为该焦点自跟踪的舞台追光灯系统的实现方法的具体内容。

一种焦点自跟踪的舞台追光灯控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，图像采集装置实时获取舞台场景图像信息；

步骤二，图像处理器对上述舞台场景图像进行处理，获取演员质心；

步骤三，对每一个舞台场景图像建立图像坐标系，计算出演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息；

步骤四，将上述偏差信息送入二PID控制器进行计算，并输出与追光灯连接的伺服装置的旋转角度输出值；

步骤五，伺服装置接收上述旋转角度输出值并驱使追光灯旋转跟踪。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，其特征在于：包括

一追光灯；

一图像采集装置，用于实时获取舞台场景图像；

一图像处理器，用于将舞台场景图像进行处理得到演员的图像区域，提取出演员的质心；

其中，所述图像处理器内包含：

灰度化处理模块，用于将舞台场景图像进行灰度化处理；

类间方差模块，按下列公式计算得出灰度化处理后的图像中的每一个像素的灰度值的类间方差，得出使得类间方差最大的灰度值，计算公式如下：

g＝ω₁×ω₂×(μ₁-μ₂)² (2)

其中，g为类间方差，ω₁为属于前景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₁，ω₂为属于后景的像素点数占整幅图像的比例，其平均灰度为为μ₂；

二值化处理模块，用于将使得类间方差最大的灰度值作为分割阈值，将灰度化处理后的图像进行二值化处理，得到演员的图像区域，并提取演员的质心；

其中：所述二值化处理模块将得到使g数值最大的灰度值作为所求分割阈值，之后进行二值化处理，其中演员图像设为前景，二值化设为“1”，背景图像设为后景，二值化设为“0”；

通过腐蚀将灰度值小的区域增强扩展，去除比较亮的噪点，同时通过膨胀将灰度值大的区域增强扩展，连通相似颜色或强度的区域，以此来滤除背景噪声，得到演员实时的图像区域；

二PID控制器，用于接收所述图像处理器测量出演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息，并计算输出伺服装置的旋转角度输出值；

所述伺服装置，用于根据所述旋转角度输出值控制并调整所述追光灯的旋转角度，从而实现所述追光灯对演员的实时跟踪；

以所述舞台场景图像的左上角建立图像uv坐标系，所述图像处理器通过下列公式可计算出演员质心的实时位置(u，v)和初始位置(u₀，v₀)，其计算公式为：

其中:u为所求取演员质心的横坐标，v为所求取演员质心的纵坐标，i、j为所统计像素的横坐标和纵坐标，I(i，j)为该点的像素值，S为整个待求区域的像素点总数，即像素面积，m是待求区域u轴方向总长度，n是待求区域v轴方向总长度；

所述演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息包括员在u轴方向上移动的偏差信息e_u和演员在v轴方向上移动的偏差信息e_v，所述偏差信息e_u和偏差信息e_v按下列公式计算得出：

e_u＝u-u₀

e_v＝v-v₀

其中：u为演员质心的实时位置的横坐标，u₀为演员质心的初始位置的横坐标，v为演员质心的实时位置的纵坐标，v₀为演员质心的初始位置的纵坐标；

二所述PID控制器包括第一PID控制器和第二PID控制器，所述第一PID控制器用于接收所述偏差信息e_u并计算输出yaw轴旋转角度的输出值，所述第二PID控制器用于接收所述偏差信息e_v并计算输出pitch轴旋转角度的输出值，其计算公式如下：

其中：K_pu代表yaw方向比例系数，T_iu代表yaw方向的积分时间系数，T_du代表yaw方向微分时间系数，K_pv代表pitch方向比例系数，T_iv代表pitch方向的积分时间系数，T_dv代表pitch方向微分时间系数，u_u(t)为yaw轴旋转角度的输出值，u_v(t)为pitch轴旋转角度的输出值。

2.如权利要求1所述一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，其特征在于：所述图像采集装置为摄像头，所述摄像头的拍摄间隔为100ms。

3.如权利要求1所述一种焦点自跟踪的舞台追光灯系统，其特征在于：所述伺服装置包括一yaw轴伺服装置和一pitch轴伺服装置，所述yaw轴伺服装置根据其接收的所述yaw轴旋转角度的输出值来控制所述追光灯左右转动，所述pitch轴伺服装置根据其接收的所述pitch轴旋转角度的输出值来控制所述追光灯前后转动。

4.一种焦点自跟踪的舞台追光灯控制方法，采用权利要求1-3任一项所述的焦点自跟踪的舞台追光灯系统，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，图像采集装置实时获取舞台场景图像信息；

步骤二，图像处理器对上述舞台场景图像进行处理，获取演员质心；

步骤三，对每一个舞台场景图像建立图像坐标系，计算出演员质心的实时位置和初始位置的偏差信息；

步骤四，将上述偏差信息送入二PID控制器进行计算，并输出与追光灯连接的伺服装置的旋转角度输出值；

步骤五，伺服装置接收上述旋转角度输出值并驱使追光灯旋转跟踪。