CN1085927C - 使用一组图像拾取摄像机的多方向图像拾取装置 - Google Patents
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Abstract
图像拾取状态参数获取部分(100)可取得表示三维主摄像机单元图像拾取状态的图像拾取主状态参数。地址发生部分(200)根据来自图像拾取主状态参数获取部分的图像拾取主状态参数得到地址。图像拾取辅助状态参数存储器(300)根据从地址发生部分得到的地址输出一组三维辅助摄像机(11至14)的图像拾取辅助状态参数,并将图像拾取辅助状态参数送至三维辅助摄像机,因此来设定三维摄像机的图像拾取状态。
Description
本发明涉及一种多方向图象拾取装置,它使用了包括可在露天体育场或各种场合下从多角度方位用二维摄像机、三维立体摄像机以获得立体图像或立体磁带录相机以录制立体图像的技术的一组拾取图像的摄像机。
例如,在电视摄影棚里,环绕着演员设置了若干个电视摄像机,演员同时被若干个电视摄像机从若干个方向拍摄。通常二维摄像机被用作电视摄像机。换景员从这些摄像机拍摄的图像信号中选出一个,输出作为广播信号。当这些信号中的一个被选中时,会出现下述情况。
当第一和第二摄像机正在拍摄不同的目标时,将选中的第一摄像机的输出信号切换到选中的第二摄像机的输出信号,也就是进行换景,不会感觉到太大的不协调,即使两台摄像机的变焦比不同。
但是下面的情况有时会造成不协调的感觉。假设第一和第二摄像机被用来从不同的角度方位拍摄同一目标,第一摄像机的图像拾取状态的变焦比与第二摄像机的图像拾取状态的变焦比不同。在这种图像拾取状态下将选中的第一摄像机的输出信号切换到选中的第二摄像机的输出信号时,尽管视角即第一和第二摄像机相对于目标的拍摄角度不同,在显示图像上目标的尺寸会发生突然的变化。这就导致了不自然的结果,使观众感到不协调。
因此,电视节目导演使用了一种专门技术。在这种技术中,对第一和第二摄像机设置了相同的图像拾取状态(变焦比),在这种情况下将选中的第一摄像机的输出信号切换到选中的第二摄像机的输出信号,然后再改变作为第二摄像机的图像拾取状态之一的变焦比,给观众以自然的效果。
另外一种情况是,假定使用一组可拍摄立体图像的三维摄像机拍摄足球比赛或棒球比赛,设在第一方向的第一摄像机用变焦方式拍摄了一位运动员的图像并作为输出。当图像切换到设在第二方向的第二摄像机所拍摄的图像时,显示的图像是从第一方向拍摄的运动员图像变换到从第二方向上拍摄的图像。在这种情况下,当屏幕显示从第一摄像机的图像变换到第二摄像机的图像时,使显示的目标即运动员的图像尺寸不变是很重要的。
在从不同角度方位拍摄同一目标时,若要将选中的第一摄像机输出信号切换到选中的第二摄像机输出信号,导演通过无线电或电缆系统向第一和第二摄像机操作者发布变焦比或类似参数的指令。根据指令第一和第二摄像机操作者分别调整摄像机的变焦机构设定变焦比,使第一和第二摄像机所拍摄的目标的图像在屏幕上的显示尺寸相同。如果两个拍摄图像尺寸相同,换景员即可将选中的第一摄像机输出信号转换到选中的第二摄像机的输出信号。
但根据这一技术,从导演向摄像机操作者发出指令到每个操作者根据指令将合适的图像拾取状态调整好需要相对较长时间。尤其是假定在宽阔的露天体育场或类似场合不只是在两个位置上设置第一和第二摄像机,而是在环绕场地的许多地点设置了许多摄像机来进行拍摄,操作者被安排在每台摄像机旁,在这种情况下向操作者发布指令时,需要更加长得多的时间才能将每一台摄像机都按指令调整好。
在上面改进中所提到的都是容易操作的二维摄像机。现在看一下使用三维摄像机(立体摄像机)的情况。在这种情况下,每个三维摄像机的变焦比必须调整此外,左右摄像机光学轴线的交叉角必须同步调整以获得解表现透视效果的立体感。尤其是对目标的距离感须彼此一致。如果使用这类三维摄像机,每一摄像机的操纵是复杂的。从导演向有关的摄像机操作者发出指令到摄像机操作者根据指令将他们的摄像机调整好需要较长时间。具体地说就是立体摄像机设在许多的位置上,操作者被安排在相应的立体摄像机旁,有关图像拾取状态的指令发出后,需要较长时间才能完成根据指令对相应的立体摄像机的调整。
本发明的第一目的是提出一种多方向图像拾取装置,它使用了一组图像拾取摄像机,在从不同角度方位拍摄同一目标时能对这组摄像机的图像拾取状态做整体的方便的控制。
本发明的另一目的是提出一种能整体地获得一组摄像机图像拾取状态的装置。
本发明的再一个目的是提出一种能方便地整体地控制一组立体摄像机图像拾取状态的装置。
本发明的又一个目的是提出一种能整体地获得一组立体摄像机图像拾取状态的装置。
根据本发明,提供了一种多方向图像拾取装置,使用了一组图像拾取摄像机,包括:用于获取二维或三维之摄像机的图像拾取状态的图像拾取主状态参数获得装置;可根据来自图像拾取主状态参数获得装置的图像拾取主状态参数产生地址的地址发生装置;以及它可根据由地址发生装置得到的地址输出二维或三维辅助摄像机的图像拾取辅助状态参数以设定其图像拾取状态的图像拾取辅助状态存储装置,其中,每个三维主摄像机单元和三维辅助摄像机单元包括:(i)左、右二维摄像机,(ii)分别控制左、右二维摄像机变焦比的变焦控制机构,(iii)控制摄像机间隔距离以在前后方向上调整左右摄像机光学轴线交叉点位置的摄像机间距控制机构,每个三维主摄像机单元和三维辅助摄像机单元的特征在于,包括根据变焦控制机构的调整情况向摄像机间距控制机构提供控制参数的参数处理装置,上述摄像机间距控制机构具有一个可根据需要进行更换的参数转换ROM,并将控制参数转换成控制摄像机间距的间距控制参数。
根据上述的图像拾取装置,用一组摄像机在譬如一个露天体育场里拍摄某个运动员,读出第一摄像机的图像拾取状态即可得到与第一摄像机的图像拾取状态相一致的第二摄像机的图像拾取状态,并将其写进并存储在存储器中。当某个运动员正被第一摄像机拍摄时,从存储器中读出与正在拍摄同一目标的第一摄像机的图像拾取状态相一致的第二摄像机的图像拾取状态。具体地说操作者无需根据导演的指令调整和设定图像拾取状态,第二摄像机的图像拾取状态是根据第一摄像机的图像拾取状态而设定。因此,第一摄像机的图像可以平滑地切换到第二摄像机的图像。
本发明的其他目的和优点将在后文中叙述,某些在叙述中很容易理解,或通过实践本发明才能清楚。借助于后附权利要求书特别指明的方法和综合可实现本发明的目的和优点。
加进本文并构成本文一部分的附图是对本发明的优选实施例的图解说明,它与前面的基本叙述及后面对优选实施例的详细叙述一起对本发明的基本原理做了解释。
图1为本发明一个实施例的基本形式;
图2为在该实施例中获取控制参数的一个例子;
图3为装置操作流程图;
图4是用于实施例的三维摄像机外形的立体图;
图5为相应于本发明的三维摄像机内部结构的方框图;
图6是用来说明本发明的第二实施例;
图7A、7B和7C是用来说明获得立体图像的技术;
图8是用来说明用设在距目标不同距离处的摄像机拍摄立体图像的技术;
图9A是用来说明可使摄像机拾取立体图像的控制部分结构的方框图;以及
图9B的曲线是用来说明摄像机间距与变焦比的关系以解释重现效应。
对本发明的描述将结合附图进行。图1说明了图像拾取现场的基本布置情况。图1示出了在正在举行一场球类比赛比如足球赛的体育场内进行电视转播的图像拾取系统。一组电视摄像机环绕体育场布置。在这个实施例中使用的是可以表现立体图像的三维摄像机。
三维主摄像机单元10设在体育场的主看台。另外还设置了辅助三维摄像机单元11至14。具体地说,三维主摄像机单元10设在与体育场正面相对的观众区,三维辅助摄像机单元11至14设在体育场的四角。
在转播体育场中进行的比赛时,操作者根据导演的指令将三维主摄像机单元10对准特定图像拾取区域内的一个目标,也就是某个球员,然后将图像拾取状态包括变焦比按预先的设定调好。表明图像拾取状态的图像拾取主状态参数被输进图像拾取主状态参数获得部分100。图像拾取状态参数包括与组成三维摄像机单元的一对左右摄像机光学轴线交叉角相关的参数D11,与变焦状态相关的参数D12,和与摄像机角度相关的参数D13。这些参数D11至D13被送至地址发生部分200。
地址发生部分200由ROM或RAM构成,相应于参数D11、D12和D13分别输出地址A11,A12和A13。当参数D11、D12和D13的值超过某一许可范围时,相应于这些参数的地址A11、A12和A13的值也发生变化。
地址A11至A13被送到图像拾取辅助状态参数存储器300并起到读地址的作用(例如高位地址)。图像拾取状态参数存储器300事先存储了与图像拾取主状态参数一致的每个三维辅助摄像机单元的图像拾取状态参数作为辅助状态参数。因而地址A11至A13被送到图像拾取辅助状态参数存储器300。在从控制部分400收到一个低地址(例如时钟计数值)的同时也得到了三维辅助摄像机单元11至14的图像拾取辅助状态参数。这些图像拾取状态参数同时发送相应的三维辅助摄像机单元11至14。
三维辅助摄像机单元11至14的图像拾取状态自动设定在与三维主摄像机单元10的图像拾取状态相一致的最佳图像拾取状态。三维主摄像机单元的图像拾取状态的设定由遥控操作或操作者通过控制部分400来实现。摄像机单元10至14的图像拾取输出分别送至0至4监视器,由操作者监视。0至4监视器的每一个都可选择显示组成相应三维摄像机单元的两个摄像机其中一个的图像拾取输出。摄像机单元10至14的图像拾取输出被送到选择器500。根据操作者的控制,一个三维摄像机单元的输出被选中作为输出。
图2所示为三维辅助摄像机单元的地址发生部分200和图像拾取辅助状态参数存储器300的参数准备系统。在确定了用在体育场内的摄像机数量和它们的安放位置后,体育场实际已被事先分成若干个区域。在每个区域内设一个标志如带编号的小旗子。下一步,摄像机单元10至14的图像拾取信号就可用监视器0至4进行监视。
首先,操作控制部分400使状态参数准备部分600调节控制参数。控制参数最先通过选择器700送到三维主摄像机单元10。控制参数包括控制摄像机单元10镜头摇动和俯仰动作的参数,与变焦比有关的参数,和与左右摄像机光学轴线交叉点前后方位调整相关的参数。这些参数最先送到三维主摄像机单元10。
在这个系统中,当与变焦比有关的参数被控时,这一点下面还将详述,与三维摄像机单元两光学轴线的交叉点相关的参数(主要是左右摄像机的间隔控制参数)会自动地从事先存储了与变焦比相应的参数的ROM中读出并被使用。
操作顺序结合图3说明。在S1步骤,操作者在观测0监视器的同时将三维主摄像机单元10对准欲拍摄区域并进行各种调整操作。在完成了三维摄像机单元10的设定后,就获得了三维主摄像机单元10的控制参数如图中S2步骤,并根据控制部分400的操作将控制参数送至主参数存储器800,这是S3步骤。这些参数被记录在主参数存储器800中,相应地第一个时钟脉冲也被送到地址发生器200。地址发生部分200在接收到时钟脉冲后,在例如高位地址端产生第一个标明参数存储器300写地址的地址。
在完成三维主摄像机单元10的调整后,对三维辅助摄像机单元11至14逐一进行调整。在调整三维辅助摄像机单元11时,它作为第二摄像机对准欲拍摄区域,这是S4步骤。通过控制部分400令选择器700将控制参数送至三维辅助摄像机单元11。状态参数准备部分600的控制参数是通过控制部分400进行调整的。操作者将0监视器与1监视器的拍摄内容进行比较(S5步骤。如果两个监视器的变焦比几乎相同,也就是说尽管角度不同也已获得几近相同的立体效果,在S6步骤操作者操作控制部分400获取当时的控制参数,然后在S7步骤进行将控制参数写进参数存储器300的操作。这时低位地址端的一个地址被送到参数存储器300。
同样在调整三维辅助摄像机单元12时,通过控制部分400令选择器700将控制参数送至三维辅助摄像机单元12。状态参数准备部分600的控制参数通过控制部分400进行调整。操作者将0监视器与2监视器的拍摄内容进行比较。如果两台监视器的变焦比接近相同(如果在切换摄像机时,可获得几近相同的立体效果),操作者操纵控制部分400,进行将当时的控制参数写进辅助参数存储器300的操作。
这样,相应的摄像机的图像拾取状态参数被顺序地准备以使三维辅助摄像机单元11至14的图像拾取状态与对准第一区域拍摄的三维主摄像机单元10的状态相一致,并将图像拾取状态参数存储在存储器300中。在完成第一区域各摄像机单元图像拾取状态参数的准备后,将三维主摄像机单元10对准第二区域。如同第一区域一样,将各摄像机单元的图像拾取状态参数进行准备。
下面叙述的是三维摄像机单元的安装方式。如图4所示,一对左右摄像机90L和90R分别通过销轴(图中未示)在其前部下端与第一和第二支承板911L和911R相连接,彼此分开一定距离。例如,在摄像机90L的前部通过销轴(图中未示)与支承板911L相连接,摄像机90L的后部在电动机912的推动下绕销轴做水平转动。电动机912可调整光学轴线的交角。当电动机912进行旋转调节时,左摄像机90L可在由箭头a1或a2标注的方向上旋转。在这样的安装方式下,左右摄像机90L和90R的光学轴线XL和XR的交点位置X可在前后方向上移动。
电动机912固定在第一支承板911L的上表面。电动机912的旋转轴913与安装在摄像机90L后端部的轴承914为螺旋啮合。因此,左右摄像机90L和90R的光学轴线XL和XR的交点X可在电动机912的控制下沿前后方向移动。
如果电动机912的调整量不够大,也就是说交点X还要移到更远的位置,可将第一支承板911L在滑轨板920上沿图4中箭头a3所标的方向移动。具体地说,支承板911L与滑轨板920的连接方式使其可以沿箭头a3或a4标注方向移动。这个移动的控制是通过控制一个电动机(未示出)来实现的。
滑轨板920安装在转动板930上方并与之间距一定距离。滑轨板920通过铰链921和922将其前端与转动板930边缘的两端部相连接。在这种结构形式中,滑轨板920可绕铰链921和922的转轴在箭头a5或a6标注的方向上转动。在箭头a5或a6标注方向上的转动由电动机923控制。具体地说,电动机安装在旋转板930的下表面。电动机923的旋转轴924装配在滑轨板920的轴承中。
旋转板930在其几乎中心位置处与基座940连接,并可以水平转动。在箭头a7或a8标注方向上的转动可由一个电动机(未示出)来控制。在这种安装方式中,可以控制立体摄像机单元的镜头摇动和俯仰运动。此外,为取得立体效果的摄像机间隔距离可以自由调整和控制。
图5所示为左右摄像机90L和90R的内部结构,具体地说是与本发明相关部分的内部结构。左右摄像机具有相同的结构,这里只讨论其中之一(摄像机90L)。图像信号处理部分102L对来自图像拾取装置(CCD)101L的图像拾取信号进行处理,并根据设定的标准转换成视频信号,再将信号送到输出端子103L。摄像机包括光圈机构104L,调焦机构105L,和变焦机构106L,这些机构分别由电动机107L,08L和109L驱动和调整。电动机107L,108L和109L的驱动信号分别来自驱动器111L,112L和113L。
前述用于调整光学轴线交角的电动机912由电动机驱动器121控制。调整俯仰运动的电动机923由驱动器122控制。改变摄像机方向的电动机951由驱动器123控制。改变摄像机间距的电动机952由驱动器124控制。
驱动器111L至113L,111R至113R,121,122,123,和124接收来自控制参数处理部分130的对应参数。实际上,控制参数处理部分130包括一个微处理器,将地址分配给每个驱动器。在微处理器的控制下驱动器接收到相应的参数。
在图1所示的工作方式中,控制参数处理部分130由图像拾取辅助状态参数存储器300获得相应的控制参数,并将控制参数送到相应的驱动器。在图2所示的工作方式中,控制参数处理部分130由选择器700获得控制参数并将控制参数送到相应的驱动器。
在这样的摄像机系统中,可对一组摄像机的图像拾取状态进行整体地、方便地控制。此外,还可以整体地获取一组摄像机的图像拾取状态。因而,操作者可方便地获取多角度方位的摄制信息。
在设定图2所示的控制参数时,与第一摄像机单元相一致的第二摄像机单元的图像拾取状态可根据操作者作为摄像师的经验和感觉自由选择和设定。
上面对三维摄像机单元做了阐述。本发明的系统当然也可用于二维摄像机单元。具体地说,如图6所示二维摄像机单元11a至14a取代了三维辅助摄像机单元11至14。状态参数准备部分600不再准备与左右摄像机光学轴线交叉有关的参数。
下面将叙述用三维摄像机单元所获取的立体效果。
如图7A所示,当摄像机以交角θ聚集于目标时,交叉点X位于目标之后,立体的拾取图像看起来浮凸在屏幕上。假定在拍摄时将屏幕分开与摄像机和目标之间距离W相同的距离。如图7B所示,当摄像机以交角θ聚集于目标时,交叉点X落在目标上,在屏幕上形成立体图像。如图7C所示,当摄像机以交角θ聚集于目标时,交叉点X位于似乎从目标退后的操作者上,在屏幕之后形成立体图像。
根据这个技术可对图像进行大致地选择,可形成向屏幕内回缩的图像,恰好在屏幕上的图像,或是浮凸的图像,对每一摄像机的图像拾取环境参数也进行处理,如图2所示。这些参数可根据制片人的喜好来设定。
图8所示为与目标距离不同的立体摄像机之间的关系。立体摄像机单元10与目标距离为W2。立体摄像机单元14与目标距离为W3。假设将用立体摄像机单元10拾取的图像切换到用立体摄像机单元14拾取的图像。为平衡摄像机单元10和14所摄图像的立体效果,两个摄像机应以同样的交角θ聚集于目标,并进行变焦。
即使在与目标距离不同的情况下,保持相同的交角θ并进行变焦用立体摄像机也可获得几乎完全相同的立体效果。这时立体摄像机10的摄像机间距与立体摄像机14的不同。立体摄像机14的摄像机间距比立体摄像机10的要大。摄像机间距按图4和图5所示方式调整。这样立体摄像机10和14聚集在目标上。
当两个摄像机以相同交角聚集于目标,并进行变焦,立体摄像机单元14拾取目标图像,就好像是将它移到了立体摄像机10的位置,尽管相对于目标的图像拾取方向不同。
对于图1及图2中所述的图像拾取状态参数,每个摄像机单元的摄像机间距或变焦比的控制要考虑到上述状态。在这种布置方式中,在切换摄像机单元时用各个摄像机都能得到相同的立体图像拾取效果。
如图8所示,在摄像机单元与目标的距离和左右摄像机的间距之间有密切关系。摄像机单元与目标的距离正比于变焦比。在这个系统中,在调整变焦时,变焦调整参数自动转换成摄像机间距控制参数。
图9A所示为变焦控制的电路方框图(变焦控制装置)和摄像机间距控制电路方框图(摄像机间距控制装置)。变焦调整驱动器113L包括控制参数锁存电路3a和将锁存电路3a的输出转换成模拟电流的D/A转换器3b。变焦调整控制参数也被驱动器124的锁存电路4a锁存并通过总线作为关联方式。锁存的参数由专业摄像师事先设定,并送到参数转换ROM4b。ROM4b的输出送给D/A转换器4c,它将这个输出转换为模拟电流。这个电流被用作间距电动机的控制电流。图9B所示变焦控制装置的变焦比和摄像机间距控制装置调整的摄像机间距之间的关系。这个关系可由参数转换ROM4b来设定。
图9A所示为基本配置。实际上提供了一个前/后旋转开关信号。此外为得到对应于锁存的控制参数的旋转角度,设置了反馈控制器,比较器,和类似的电路。
根据变焦比和摄像机间距之间的关系,可知当变焦比有很小的变化时,摄像机间距几乎不变。但是当变焦比增大到2.5X或更大时,摄像机间距大大增加并按1∶1的比率线性变化。尽管曲线的斜率不是唯一确定的,因为它还包括了职业摄像师设计的影像效果,并且与待用摄像机镜头性能或摄像机性能相关的特性数据存储在ROM中。不同的立体图像影像效果可根据这一变化曲线来设定。ROM也可根据需要更换。例如,ROM可根据足球场地的影像要求或赛车路线的影像要求来更换。当然,ROM也可根据不同个人的喜好来更换。
对于本领域的一般技术人员。很容易想到其他优越之处和改进之处。因而,本发明从广义上讲并不局限于这里图示和叙述的特定结构和典型实施例。因此,种种修改在不偏离后附权利要求书和其等同物所规定的本发明基本原理的精神和范围都是可以做到的。
Claims (3)
1.一种多方向图像拾取装置,使用了一组图像拾取摄像机,包括:
图像拾取主状态参数获得装置(100,400),用于获取二维或三维之摄像机(10)的图像拾取状态;
地址发生装置(200),它可根据来自图像拾取主状态参数获得装置的图像拾取主状态参数产生地址;以及
图像拾取辅助状态存储装置(300),它可根据由地址发生装置得到的地址输出二维或三维辅助摄像机(11-14)的图像拾取辅助状态参数,并将图像拾取状态设定。
其中,每个三维主摄像机单元和三维辅助摄像机单元包括:(i)左、右二维摄像机(90R,90L),(ii)分别控制左、右二维摄像机变焦比的变焦控制机构(106R,106L),(iii)控制摄像机间隔距离以在前后方向上调整左右摄像机光学轴线交叉点位置的摄像机间距控制机构(124,953),其特征在于,每个三维主摄像机单元和三维辅助摄像机单元包括根据变焦控制机构的调整情况向摄像机间距控制机构提供控制参数的参数处理装置,
上述摄像机间距控制机构具有一个可根据需要进行更换的参数转换ROM,并将控制参数转换成控制摄像机间距的间距控制参数。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,摄像机间距控制机构具有以下特点,在变焦控制装置将变焦比设定在某一预定值之前表明摄像机间距变化情况的倾斜度较小,当变焦比超过预定角度时倾斜度增大。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,每一三维主摄像机单元和三维辅助摄像机单元包括可分别调整左右二维摄像机镜头摇动的摄像机方向控制机构和可分别调整左右二维摄像机俯仰运动的俯仰控制机构。
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