CN108519067A - 摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术的不足之处，提供一种摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，是在有移轴操作功能的摄像机承托系统中确定拍摄目标坐标的方法，包括以下步骤：在移轴系统中建立坐标系，控制摄像机指向目标，根据系统的传感器和其它参数计算摄像机的光轴方程，以此光轴方程为基础，通过移动摄像机再次获取光轴方程或结合其它已知条件计算出目标坐标。此方法可以快速准确地得到移轴系统中拍摄目标的坐标值，从而提高移轴系统在目标追踪和确定焦距方面的操作效率。

Description

摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法

技术领域

本发明涉及影像采集技术领域，尤其涉及通过移轴操作采集目标影像，具体涉及一种摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法。能够确定目标相对于摄像机的方位、角度和距离。

背景技术

在视频素材的采集过程中，有可能需要移动摄像机的位置并转换拍摄的角度，为了实现该功能，摇臂的使用非常普遍。摇臂，一般是在一个基座上(通常为三脚架)架设一根具有一定强度的长杆，即臂身，在长杆中后部设置一个可使长杆在水平和竖直方向上转动的装置，在长杆前端安装一部遥控云台，云台上安装摄像机，可实现摄像机相对于长杆的水平方向及竖直方向的转动；长杆后端安装一定量的配重，使长杆前后重量平衡，保持摇臂整体结构的稳定；同时，后端还安装了用于控制云台的遥控装置和摄像机监视器。

操作时，操作者在摇臂后端摇动摇臂，驱动摇臂带动位于其前端的摄像机位置和拍摄角度发生改变，摄像机与目标(例如电视节目主持人)的距离也在不断变化。操作者在摇动摇臂的同时，还可根据摄像机监视器上的画面，用遥控装置控制云台转动，使目标始终在监视器画面上的某特定位置。同时，操作者还需控制摄像机镜头的焦距，从而得到动态的清晰的视频画面。

由上述描述可以看出，摇臂操作是一项对操作技术要求很高的工作，操作者需要长期练习才能胜任。稍有不慎，就会出现目标移出画面或焦距不实的情况。另外在电视节目中，摇动过程也是需要的素材之一，故要求画面平顺且一次到位，不能出现反复调整的画面。

像摇臂实现的诸如上述在操作过程中驱动摄像机位置发生变化的功能业内称之为“移轴”。具有移轴功能的摄像机承托设备(下称移轴系统)除摇臂外，还有滑轨、气压云台、轨道摄像机、飞猫系统等等。移轴操作与传统的将摄像机安装在固定三脚架上的操作方式不同，当摄像机安装在固定三脚架上时，摄像机只能作水平、俯仰转动，摄像机的位置则相对固定；而移轴操作除了实现摄像机的水平俯仰转动外，还能够控制摄像机的位置也发生了变化，这个位置变化，既可以是直线的变化，也可以是空间中的任意曲线变化。

为解决摇臂操作难度大的问题，国外一些厂商给出了解决方案。可将其方案可从两方面拆分为设备方案和操作方法方案。

设备方案例如为：在摇臂的臂身的水平转轴和仰俯转轴上各安装一个角度传感器，并以这两个转轴的交点为原点建立坐标系，则可以确定臂身在该坐标系中的水平、仰俯转动角度。臂身的长度可以通过测量获取或预先设计为某定值，进而结合转动角度确定云台的具体位置。为便于描述，可以假设云台的位置即为摄像机的位置，在云台上再为摄像机的水平、俯仰转轴安装角度传感器，并安装驱动摄像机水平俯仰转动的电机。

同时配置能够采集数据并进行运算处理的计算机系统，可以根据臂身长度，臂身转动角度和目标坐标计算出此时云台的相对目标的水平俯仰角度，输出角度数据，驱动摄像机指向目标。同时还能给出摄像机与目标的距离，为自动或手动调焦提供数据。

方法方案为：在前述设备方案的支持下，一般先以摇臂的臂身的水平、仰俯转动的转轴交点为原点建立坐标系，再用测量工具测量目标在该坐标系中的坐标。具体来说，先以摇臂的水平、仰俯转轴的交点在地面的投影点为原点，以与该原点相交的竖直方向的直线为z轴，以摇臂在出厂时确立的某方向(公知)为x轴建立直角坐标系，用卷尺测量目标的高度、及其与x轴和y轴的距离，从而得到目标的坐标。

将此坐标输入前述的计算机系统，由计算机系统计算出云台的水平俯仰角度。这样，当摇臂摇动时，只要目标位置不变，系统就可以实时地计算出云台的各个角度，驱动摄像机始终指向目标，从而实现了定点追踪的功能。

发明内容

如上所述，要实现移轴系统在摄像机移动时始终能够自动指向目标，确定目标位置非常重要。背景技术中描述的方案实施的过程比较繁琐，一般只用在电影拍摄中。因此，本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，能够快速准确地得到目标在以基于移轴设备参数确定坐标系统中的坐标值，从而提高移轴操作的效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，包括以下步骤：

根据摄像机移轴系统的设备参数建立一空间坐标系；

使摄像机指向拍摄目标，根据进行移轴操作的设备参数计算拍摄方向在该空间坐标系中的第一光轴方程；

获取一变化参考数据，根据变化参考数据确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标。

进一步地，所述设备参数包括：移轴设备驱动摄像机进行水平转动及仰俯转动的半径及转动角度，摄像机相对拍摄目标的水平角度及仰俯角度。

进一步地，所述设备参数通过设置于移轴设备中的足够多的数据采集装置。

进一步地，所述变化参考数据选自：移动摄像机位置后重新计算的拍摄方向在该空间坐标系中的第二光轴方程；拍摄目标所在平面或曲面方程；摄像机在空间坐标系中坐标及摄像机与拍摄目标之间的距离。

进一步地，以所述第二光轴方程作为变化参考数据确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

移动摄像机到另一位置，重新使摄像机指向拍摄目标，根据移轴系统的设备参数计算拍摄方向在该空间坐标系中的第二光轴方程；

进一步地，根据第一光轴方程和第二光轴方程的位置关系确定拍摄目标的坐标：当两个光轴相交时，交点坐标即为目标坐标；当不相交时，以其公垂线段为基础确定目标坐标。

进一步地，以所述拍摄目标所在平面或曲面方程确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

当已知了目标所在的面时，若摄像机不在该面内，则以第一光轴方程与目标所在面的交点作为目标坐标。

进一步地，以摄像机在空间坐标系中坐标及摄像机与拍摄目标之间的距离确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

当在采集第一光轴方程的设备参数时，同时采集到了摄像机与拍摄目标的距离d，则以在第一光轴方程上摄像机前方距离为d的点的坐标作为目标坐标。

一种服务器，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，该计算机程序被配置为由处理器执行，计算机程序包括用于执行前述方法中各步骤的指令。

一种存储计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括指令，所述指令当由服务器的处理器执行时使得所述服务器执行前述方法中的各个步骤。

通过采取上述技术方案，可以快速通过自动算法确定拍摄目标在根据设备参数构建的空间坐标系中的坐标，从而作为操作移轴设备及摄像机云台拍摄的依据，为实现自动化控制及智能化操作提供了前提和基础，具有广泛推广的价值。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明的核心技术构思即在于在摄像机可以进行移轴操作的系统中，设置足够多的数据采集装置获取设备参数，并据此建立确定的空间坐标系，确保能够得到摄像机光轴所在直线的直线方程及摄像机的坐标。然后通过特定的算法自动获取拍摄目标在坐标系中的坐标。

上述数据采集装置例如为角度传感器，距离传感器，位移传感器等等，“足够多”即能够确保采集到能够建立确定坐标系的数据，可以视为本领域的公知技术，本领域技术领域可以根据不同的移轴系统布置适当的数据采集装置，并进而建立空间坐标系。而且，坐标系的建立方式也不局限于一种或几种，对不同类型的移轴系统，理论上存在非常多的坐标系建立方法，本领域技术人员可以根据需要取舍。

以摇臂为例，

在摇臂系统中，当知道了臂身长度、臂身水平俯仰角度，摄像机的水平俯仰角度(此角度可以是相对于臂身的)，则可以得到摄像机光轴的方程。光轴的曲线都是基于前述的方式针对摇臂系统建立的坐标系，摄像机光轴可以理解为摄像机镜头上透镜的轴线，此轴线上的物体将在监视器画面的中心。

在本实施例中，本发明的方法的操作步骤为：在臂身的水平转轴和俯仰装置各装一角度传感器，在云台上摄像机的水平轴和俯仰轴各装一角度传感器，在摄像机上装一测距仪。根据这4个角度传感器的数据结合系统的特定固定参数(如臂身长度等)计算出摄像机在任意位置、任意指向时的光轴所在直线的方程(下称光轴方程)，并以这些直线方程为基础，根据不同的情况可选择用下列不同的方法确定目标坐标。

确定目标坐标值方法一：用操纵杆控制云台使摄像机指向目标，采集此时摇臂和云台的各个角度数据，得到一个光轴方程L1。摇动摇臂改变摄像机的位置，再用操纵杆控制云台，使摄像机再次指向目标，采集摇臂和云台的各个角度，得到光轴方程L2。L1和L2在空间有两种情况：L1与L2相交时，交点坐标即为目标坐标；L1与L2不相交时(舍弃平行情况)，可以取两直线的公垂线上某一点坐标为目标坐标。L1和L2为空间两条直线，其位置关系有三，相交、平行、异面。方法一中要求摄像机在移动后要再次指向目标，但若两直线平行则说明第二次没有指向第一次的目标，实际操作中应属误操作，故舍弃。当两空间直线异面，即不平行也不相交，则存在它们的公垂线。公垂线在两直线的垂足连线为公垂线段。实际操作中不大可能出现两直线相交的情况。

确定目标坐标值方法二：若已知目标所在的平面或任意曲面，则当摄像机不在此面内时，控制摄像机指向目标，采集此时摇臂和云台的各个角度数据，得到一个光轴方程L3，那么L3与上述已知面的交点坐标即为目标坐标。此种方法的典型应用为：当歌唱演员在平的舞台上走动时，以略低于演员身高的高度且平行于舞台的平面为已知平面，则一次测试即可得到演员的坐标位置。

确定目标坐标值方法三：在云台上加装一个能够测量距离的装置，可以测量摄像机与目标的距离，例如焦距。先调节云台使摄像机指向目标，采集传感器数据，得到光轴方程L4和摄像机当前位置C，再用测量距离装置测量摄像机与目标的距离d1，则L4上在点C前方距离为d1的点的坐标为目标坐标。

其中，方法一是针对两条空间直线的位置关系进行计算的。方法二是计算一空间直线与一已知空间面(平面或曲面)的交点。方法三是求已知直线上与已知点的距离为某定值的点的坐标。

上述方法仅用于确定目标坐标，确定目标坐标后，再摇动摇臂时就可以控制摄像机自动地指向目标，计算目标与摄像机的距离可以得到焦距，驱动数字马达可自动将焦距调实。一般情况下这些方法仅适用于目标不动的情况，即定点追踪。当目标移动时原则上应重新进行定位。但有一种情况可以例外：当已知目标在某个确定的面内移动，且摄像机不在此面内时。

需说明的是，在上述操作中，当目标移动时，控制摄像机始终指向目标，则可得到移动中的目标坐标。而当再次移动摄像机时，以得到的目标坐标为基础计算摄像机的方向。用得到的目标坐标计算摄像机与目标的距离。

为方便描述将摇臂操作分为两部分，手动控制云台转动和摇动摇臂。两部分可同时进行。当确定目标后，仅摇动摇臂时云台可自动转动使摄像机指向目标，手动控制云台转动将使系统失去目标。但当目标所在的面一定时，不论如何手动控制云台转动，只要光轴与目标所在面有交点，则可实时地计算这个交点坐标，并以这个坐标为目标坐标。再摇动摇臂时可对这个坐标进行追踪。

具体地讲，在得到目标坐标后，若已知目标所在的面Ω的方程，且摄像机不在Ω面内，则当手动调节云台转动时，只要摄像机光轴所在直线与Ω面有唯一交点，则以这个交点坐标为目标坐标。在调节摄像机指向目标时，可以将目标调节到摄像机光轴上，也可以使目标不在光轴上。得到目标坐标后，再移动摄像机时，可以控制摄像机自动地指向目标。在控制摄像机指向目标时，可以以目标坐标为中心，也可以在目标坐标上加一个偏移量得到新的坐标或区域，并控制摄像机指向此坐标或区域。得到目标坐标后，根据摄像机坐标和目标坐标或带有偏移量的新坐标计算出摄像机与目标的距离，以此距离为基础计算出当前聚焦数据。其中输出摄像机与目标的距离数据可用于手动的聚焦操作。用得到的摄像机与目标的距离数据可控制自动调焦装置进行调焦。

综上所述，在一个有足够多传感器和执行装置的移轴系统中，摄像机的位置和姿态都是可以感知并接受控制的。如果有目标坐标，则系统可以根据摄像机的位置，计算出当前摄像机适当的方位角，控制摄像机指向目标，同时，同等重要地，计算出摄像机与目标的距离，自动控制或给出数据指导手动控制使焦距调实。在某些应用场合，如拍电影，将摄像机指向目标(行业内称构图)和将焦距调实(行业内称跟焦)是由摄影师和跟焦员两个人协作完成的。在摇臂的应用中，即使目标不动，仅摇动摇臂，同时实现构图理想且焦距调实都是很困难的。移轴系统所需要的传感器和执行装置在技术上都很成熟，市场上产品也很丰富。将这些传感器和执行装置整合到移轴系统中并加以灵活控制也不困难，但如何快速获得目标坐标，目前还没有理想的方法，本发明就是针对这一问题给出的解决方法。

操作中，在确定光轴方程和得到目标坐标后进行追踪时均可引进偏移量。如前所述，确定光轴方程时需要将摄像机指向目标，“指向”的意思即可以是将目标调到监视器画面中央，也可以调到某其它位置。在得到目标坐标后，移动摄像机时可以控制摄像机自动指向目标，同样这里的“指向”的意思即可以是将目标调到监视器画面中央，也可以调到某其它位置。例如若目标是电视节目主持人，在得到主持人坐标后，追踪时可将目标固定在画面偏左位置，即在目标坐标上加一个偏移量得到一个新的坐标，并以这个新坐标为中心进行追踪。

需要说明的是，上述以摇臂为例进行建立坐标系及确定目标坐标过程的说明，在其他移轴设备例如滑轨、气压云台、轨道摄像机、飞猫系统等中，同样适用。也就是说，前述实施例所描述的方法也可以推广到一般移轴系统。在其它移轴系统中，建立坐标系的方法和计算光轴方程的参数会有所差异，但只要能够在其系统中某一坐标系内确定摄像机光轴方程，均可应用本办法确定目标坐标。

另外，上述方法可通过可执行程序的形式实现，程序可以存储于计算机可读存储介质，也可以通过处理器执行。

显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，包括以下步骤：

根据摄像机移轴系统的设备参数建立一空间坐标系；

使摄像机指向拍摄目标，根据进行移轴操作的设备参数计算拍摄方向在该空间坐标系中的第一光轴方程；

获取一变化参考数据，根据变化参考数据确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标。

2.如权利要求1所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，所述设备参数包括：移轴设备驱动摄像机进行水平转动及仰俯转动的半径及转动角度，摄像机相对拍摄目标的水平角度及仰俯角度。

3.如权利要求1所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，所述设备参数通过设置于移轴设备中的足够多的数据采集装置。

4.如权利要求1所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，所述变化参考数据选自：移动摄像机位置后重新计算的拍摄方向在该空间坐标系中的第二光轴方程；拍摄目标所在平面或曲面方程；摄像机在空间坐标系中坐标及摄像机与拍摄目标之间的距离。

5.如权利要求4所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，以所述第二光轴方程作为变化参考数据确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

移动摄像机到另一位置，重新使摄像机指向拍摄目标，根据移轴系统的设备参数计算拍摄方向在该空间坐标系中的第二光轴方程；

根据第一光轴方程和第二光轴方程的位置关系确定拍摄目标的坐标：当两个光轴相交时，交点坐标即为目标坐标；当不相交时，以其公垂线段为基础确定目标坐标。

6.如权利要求4所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，以所述拍摄目标所在平面或曲面方程确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

当已知了目标所在的面时，若摄像机不在该面内，则以第一光轴方程与目标所在面的交点作为目标坐标。

7.如权利要求4所述的摄像机移轴操作过程中确定拍摄目标坐标的方法，其特征在于，以摄像机在空间坐标系中坐标及摄像机与拍摄目标之间的距离确定第一光轴方程中的一确定的点的坐标为拍摄目标坐标包括：

当在采集第一光轴方程的设备参数时，同时采集到了摄像机与拍摄目标的距离d，则以在第一光轴方程上摄像机前方距离为d的点的坐标作为目标坐标。

8.一种服务器，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，该计算机程序被配置为由处理器执行，计算机程序包括用于执行权利要求1至7任一项所述方法中各步骤的指令。

9.一种存储计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括指令，所述指令当由服务器的处理器执行时使得所述服务器执行权利要求1至7任一项所述方法中的各个步骤。