CN110445982B - 一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法 - Google Patents

一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法，所述六自由度设备包括第一旋转部和第二运动部，摄像机对应的安装在第一旋转部上，摄像机上对应设置有红外激光摄像头、摄像头、SLAM单元及IMU单元，摄像头能够在红外激光摄像头、SLAM单元及IMU单元构建的第一坐标系和RGB视频数据的基础上，通过第一旋转部和第二运动部六个自由度调整摄像头的坐标，完全模拟高级摄像师视角和拍摄移动方式，并可追踪到单人不可能追踪到的多点追踪和及时切换，确保摄像头能够追踪拍摄到视窗范围内的运动人体。

Description

一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法
技术领域
本发明涉及摄影设备及方法技术领域，特别是涉及一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法。
背景技术
现有整体市场已有基于人工智能的图像识别基础技术人脸识别的人脸智能跟踪云台，但人脸识别达不到影视拍摄中，对人体局部位置特写的需求。例如脚部，手部以及其他部位的特写拍摄需求。
另外，虽然红外线发射追踪的信号追踪可以追踪局部固定单点位置，但无法实现镜头的跳转，以及多点变化追踪。并且，利用红外线传感器追踪只能获得单点信息，并需要被拍摄物体佩戴相应的发射器会影响拍摄效果，违背影视拍摄的基本原则，不干扰被拍摄物体。
发明内容
基于此，有必要针对当前影视拍摄无法实现追踪拍摄情况，提供一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法，能够实现摄像头能够连续跳转追踪拍摄物体的不同部位，并且不会干扰被拍摄物体的正常运作。
一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法，所述六自由度设备包括第一旋转部和第二运动部，所述第二运动部通过所述第一旋转部与摄像机活动连接，所述摄像机包括红外激光摄像头、摄像头、SLAM单元及IMU单元，所述红外激光摄像头与所述摄像头的拍摄方向相同，所述追踪拍摄方法包括以下步骤，
S1：基于所述红外激光摄像头获取其视窗范围内的3D物理空间数据和RGB2D视频数据，并通过SLAM单元和IMU单元定位基于红外激光摄像头的第一笛卡尔空间坐标系；
S2：通过人体姿态识别算法识别RGB2D视频数据中人体关节点，并在2D画面中标注出人体关节点的二维坐标；
S3：根据人体关节点的二维坐标映射获得人体关节点在摄像头的视窗空间内的三维坐标；
S4：根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备的移动向量；
S5：根据PID调节方法调节六自由度设备的移动向量误差；
S6：基于IMU单元位置反馈检测在RGB2D视频数据的人体关节点的二维坐标，确认六自由度设备的移动向量是否到位。
优选的，所述S3根据人体关节点坐标映射获得人体关节点在摄像头的视窗空间内的三维坐标，包括以下步骤，
S3.1：所述人体关节点的二维坐标是基于所述红外激光摄像头第一空间笛卡尔坐标系的；
S3.2：通过矩阵变换算法将第一空间笛卡尔坐标系转换为基于摄像头的第二空间笛卡尔坐标系。
优选的，所述S4根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备整体移动向量，包括以下步骤，
S4.1：预设所述摄像机在所述第一旋转部上的移动向量阈值；
S4.2：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第一旋转部的第三空间笛卡尔坐标系；
S4.3：分解所述人体关节点在所述第三空间笛卡尔坐标系中的移动向量，若该移动向量小于或等于所述预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，对应调整第一旋转部的移动向量；若该移动向量大于所述预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，所述第一旋转部不做调整，调整第二运动部的移动向量；
S4.4：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第二运动部的第四空间笛卡尔坐标系；
S4.5：分解所述人体关节点在所述第四空间笛卡尔坐标系中的移动向量，对应调整第二运动部的移动向量。
优选的，还包括S7，根据摄像头拍摄的运动人体使用人体姿态识别算法优化构图模式。
优选的，所述人体关节点为十八至二十五个。
本发明的有益之处在于：1、被拍摄物体无附加设备，可多点追踪，任意切换，并辅以摄像机六轴空间移动，完全模拟高级摄像师视角和拍摄移动方式，并可追踪到摄像师不可能追踪到的多点追踪和及时切换，摄像机拍摄时各部位点切换时间仅为1秒以内；2、基于六自由度设备进行全自动拍摄，并能完成对拍摄人体的姿态追踪，极大的降低了拍摄效率并降低拍摄成本。
附图说明
图1为一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法框图；
图2为其中一实施例一种六自由度设备立体示意图；
图3为摄像机的示意框图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法，所述六自由度设备1包括第一旋转部11和第二运动部12，所述第二运动部12通过所述第一旋转部11与摄像机2活动连接，所述摄像机2包括红外激光摄像头21、摄像头22、SLAM单元23及IMU单元24，所述红外激光摄像头21与所述摄像头22的拍摄方向相同，所述追踪拍摄方法包括以下步骤，
S1：基于所述红外激光摄像头21获取其视窗范围内的3D物理空间数据和RGB2D视频数据，并通过SLAM单元23和IMU单元定位基于所述红外激光摄像头21的第一笛卡尔空间坐标系；
S2：通过人体姿态识别算法识别RGB2D视频数据中人体关节点，并在2D画面中标注出人体关节点的二维坐标；
S3：根据人体关节点的二维坐标映射获得人体关节点在摄像头22的视窗空间内的三维坐标；
S4：根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备的移动向量；
S5：根据PID调节方法调整六自由度设备的移动向量误差；
S6：基于IMU单元位置反馈检测在RGB2D视频数据的人体关节点的二维坐标，确认六自由度设备整体移动向量是否到位。
具体在本实施例当中，所述的六自由度设备的第一旋转部11可以是云台11，第二运动部12可以是小车组件12，所述小车组件12是由小车和升降杆组成，摄像机2可以在云台11的控制下，围绕笛卡尔坐标系的X，Y，Z轴旋转，完成摄像机2在三个维度上的位移，小车通过升降杆和云台11是连接，可以使得摄像机2在笛卡尔坐标系中，沿着X，Y，Z轴移动，从而实现摄像机在六个维度上的位移。同时，在其他实施例当中，摄像机2还可以由其他设备实现六自由度的位移，比如，七轴的机械臂，七轴机械臂的成本较高，但是也在本领域技术人员容易想到的范围之内。
所述摄像机2包括红外激光摄像头21、摄像头22、SLAM单元23及IMU单元24，所述IMU单元24位于所述红外激光摄像头21内，且红外激光摄像头21和摄像头22的拍摄方向一致。
SLAM单元23为软件程序，为即时定位与地图构建，配合红外激光摄像头21收集的数据确认所述六自由度设备的地理位置信息，确保所述六自由度设备能够不受障碍的在当前环境中自由位移。
在红外激光摄像头21内设置有IMU单元24，IMU单元24指的是惯性测量单元，红外激光摄像头21向外发出探测光脉冲，确认其探测范围的运动人体的方位，形状等数据。SLAM单元23和IMU单元24配合创建以红外激光摄像头21为原点的第一笛卡尔坐标系。
进一步的，所述红外激光摄像头21和摄像头22的拍摄方向相同，红外激光摄像头21和摄像头22在同一垂直线上，一般相差3cm～10cm，因此以红外激光摄像头21为原点构建的第一笛卡尔坐标系和摄像头22的视窗空间存在一定偏差。基于此，首先，技术人员通过人体姿态识别算法确认在红外激光摄像头21拍摄的RGB2D视频中的运动人体关节点，具体在本实施例当中，人体关节点数量为二十一个，在其他实施例当中，人体关节点也可以为其他数量。然后在RGB2D画面中标注运动人体二十一关节点的二维坐标，并将该二维坐标通过映射转化为摄像头22视窗空间内的三维坐标，进一步的，六自由度的设备根据人体在摄像头的视窗空间内的三维坐标变化，对应的调整云台11和小车组件12的移动向量，确保人体运动位移时，不会超出到摄像头22的视窗空间外，保证了摄像头22追踪拍摄的摄影效果，且无需人工操作，智能化程度高。
同时，为了确保云台11和小车组件12的移动向量正确无误，还可以根据PID调节方法调整云台11和小车组件12的移动向量误差，所述PID调节方法为工业领域常用的零部件移动向量调节方法，在此不做赘述。基于IMU单元的反馈检测，通过检测调整后的RGB2D视频中人体关节点的二维坐标，确认其是否在第一笛卡尔空间坐标系的预设位置，如果是，则六自由度设备的调整完成，若否，需重新调整。
进一步的，所述S3根据人体关节点坐标映射获得人体关节点在摄像头22的视窗空间内的三维坐标，包括以下步骤，
S3.1：所述人体关节点的二维坐标是基于所述红外激光摄像头21第一空间笛卡尔坐标系的。具体的，红外激光摄像头21可以采集其拍摄范围内的物理空间3D数据和RGB格式的2D视频数据，该RGB视频数据已经含有每个2D像素所对应的红外激光摄像头所扫描的3D数据，因此被拍摄人体的关节点的空间3D坐标是由红外激光摄像头直接扫描采集获得，所以被拍摄人体的第一次坐标属性是基于红外激光摄像头21的第一空间笛卡尔坐标系的。
S3.2：通过矩阵变换算法将第一空间笛卡尔坐标系转换为基于摄像头22的第二空间笛卡尔坐标系。具体的，矩阵变换算法属于现有技术，将该人体关节点按照红外激光摄像头21的采集获取基于第一空间笛卡尔坐标系坐标后，既可以获得人体关节点基于红外激光摄像头21的第一空间笛卡尔坐标系的坐标，进一步的，按照矩阵变换算法将根据该坐标变换为基于摄像头22的第二空间笛卡尔坐标系，既可以根据光学成像原理改变摄像头22的特写焦距以及拍摄角度设定。
所述S4根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备整体移动向量，包括以下步骤，
S4.1：预设所述摄像机2在所述第一旋转部上的移动向量阈值；
S4.2：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第一旋转部12的第三空间笛卡尔坐标系；
S4.3：分解所述人体关节点在所述第三空间笛卡尔坐标系中的移动向量，若该移动向量小于或等于预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，对应调整第一旋转部的移动向量；若该移动向量大于所述预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，所述第一旋转部不做调整。
S4.4：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第二运动部11的第四空间笛卡尔坐标系；
S4.5：分解所述人体关节点在所述第四空间笛卡尔坐标系中的移动向量，对应调整第二运动部的移动向量。
具体的，确认人体关节点在所述第一笛卡尔坐标系中的坐标后，因为摄像头22和红外激光摄像头21在垂直方向上存在一定的间距，需通过矩阵变换算法确认人体关节点基于摄像头22的第二笛卡尔坐标系坐标，当需要对应的第一旋转部11和第二运动部12对应调整移动时，将第二笛卡尔坐标系通过矩阵换算为基于第一旋转部11的第三笛卡尔坐标系和基于第二运动部的第四笛卡尔坐标系，第一旋转部11和第二运动部12根据人体关节点对应在第三笛卡尔坐标系和第四笛卡尔坐标系中的坐标变化，调整自身的移动向量，完成追踪拍摄。同时，因为第一旋转部11的运动范围较小，当运动人体做出大范围运动后，第一旋转部11不能追踪到被拍摄人体的运动轨迹，因此，需要及时将第二笛卡尔坐标系通过矩阵转换算法将其转换为基于小车组件的第四笛卡尔坐标系，确保摄像头22能够在水平面以及竖直方向上位移，及时追踪到运动人体。
还包括S7，根据摄像头2拍摄的运动人体使用人体姿态识别算法优化构图模式。具体的，所述的优化保护确认拍摄人体处于摄像头22拍摄画面的九宫格中心位置，以及对拍摄人体背景图案进行虚化等处理。
可以理解的是，所述人体关节点为十八至二十五个。具体的，在本发明中优选人体关节点为二十一个。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于六自由度设备的追踪拍摄方法，其特征在于：所述六自由度设备包括第一旋转部和第二运动部，所述第二运动部通过所述第一旋转部与摄像机活动连接，所述摄像机包括红外激光摄像头、摄像头、SLAM单元及IMU单元，所述红外激光摄像头与所述摄像头的拍摄方向相同，所述追踪拍摄方法包括以下步骤，
S1：基于所述红外激光摄像头获取其视窗范围内的3D物理空间数据和RGB2D视频数据，并通过SLAM单元和IMU单元定位基于红外激光摄像头的第一笛卡尔空间坐标系；
S2：通过人体姿态识别算法识别RGB2D视频数据中人体关节点，并在2D画面中标注出人体关节点的二维坐标；
S3：根据人体关节点的二维坐标映射获得人体关节点在摄像头的视窗空间内的三维坐标；所述S3根据人体关节点坐标映射获得人体关节点在摄像头的视窗空间内的三维坐标，包括以下步骤，
S3.1：所述人体关节点的二维坐标是基于所述红外激光摄像头第一空间笛卡尔坐标系的；
S3.2：通过矩阵变换算法将第一空间笛卡尔坐标系转换为基于摄像头的第二空间笛卡尔坐标系；
S4：根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备的移动向量；
所述S4根据人体关节点的三维坐标的移动向量调整六自由度设备整体移动向量，包括以下步骤，
S4.1：预设所述摄像机在所述第一旋转部上的移动向量阈值；
S4.2：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第一旋转部的第三空间笛卡尔坐标系；
S4.3：分解所述人体关节点在所述第三空间笛卡尔坐标系中的移动向量，若该移动向量小于或等于所述预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，对应调整第一旋转部的移动向量；若该移动向量大于所述预设的所述第一旋转部上的移动向量阈值，所述第一旋转部不做调整，调整第二运动部的移动向量；
S4.4：通过矩阵变换算法将第二空间笛卡尔坐标系转换为基于第二运动部的第四空间笛卡尔坐标系；
S4.5：分解所述人体关节点在所述第四空间笛卡尔坐标系中的移动向量，对应调整第二运动部的移动向量；
S5：根据PID调节方法调节六自由度设备的移动向量误差；
S6：基于IMU单元位置反馈检测在RGB2D视频数据的人体关节点的二维坐标，确认六自由度设备的移动向量是否到位；
还包括S7，根据摄像头拍摄的运动人体使用人体姿态识别算法优化构图模式；所述人体关节点为十八至二十五个。
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