CN113890988B - 基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法 - Google Patents

基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法。在该方法中，多纬度纵深自由视角系统根据自由视角涉及的中心场景大小，计算其所适用的半球空间；通过空间活动高度来确定纵深空间的最小切面圆；将半球空间切面圆设置为最大切面圆；根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置；根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置。通过不同纵深切面圆上摄像机形成不同纵深的自由视角视频组，满足用户在不同纵深空间的多纬度自由视角体验。

Description

基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法
技术领域
本发明涉及自由视角的拍摄方法，尤其涉及基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法。
背景技术
目前的自由视角体验，用户主要是通过同一固定水平面按一定的旋转弧度，往顺时针、或逆时针方向旋转，通过不同视频帧的切换来实现自由视角的变化。基于同一固定水平面的模式，不一定是用户的最佳自由视角的观察角度；尤其是对一些存在纵深变化的中心场景，比如很多马戏表演、或有空中表演动作的舞台戏，纵深空间的变化需要纵深变化的自由视角才能获得良好的体验。传统的同一固定水平面自由视角已经无法满足具有纵深空间活动变化情况的自由视角体验，用户如果仍在同一水平面的中心场景多角度观察，会错过很多纵深空间的视角观察体验。
因此，如何在存在纵深变化活动的中心场景，提供不同纬度的多自由视角视频的拍摄方法，满足用户纵深多纬度的自由视角体验是值得进一步优化解决的问题。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
根据本发明的一个实施例，提供了一种基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法，包括：根据自由视角涉及的中心场景大小，计算所述中心场景所适用的半球空间；将所述半球空间切面圆设置为最大切面圆；通过所述中心场景的空间活动高度来确定纵深空间的最小切面圆；根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，并计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置；以及根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统，包括：中心场景的半球空间计算模块，所述中心场景的半球空间计算模块被配置为根据自由视角涉及的中心场景大小，计算所述中心场景所适用的半球空间的球半径和球原点坐标；最小圆切片空间计算模块，所述最小圆切片空间计算模块被配置为通过所述中心场景的空间活动高度来计算纵深空间的最小切面圆的半径并确定空间坐标；经度等弧间距圆心角计算模块，所述经度等弧间距圆心角计算模块被配置为计算经度等弧间距的等分圆心角；各层切面圆的半径计算模块，所述各层切面圆的半径计算模块被配置为计算各层切面圆的半径；各层切面圆的空间位置计算模块，所述各层切面圆的空间位置计算模块被配置为计算各层切面圆的圆心空间坐标位置；纬度等弧间距摄像头数计算模块，所述纬度等弧间距摄像头数计算模块被配置为计算同层切面圆上所需摄像头数量；纬度等弧间距圆心角计算模块，所述纬度等弧间距圆心角计算模块被配置为计算同层切面圆上等弧间距圆心角大小；以及同层切面圆上摄像机空间坐标计算模块，所述同层切面圆上摄像机空间坐标计算模块被配置为计算同层切面圆上各个摄像机的空间坐标位置。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种多纬度纵深自由视角系统，包括：如上所述的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统；以及视频处理模块，所述视频处理模块被配置为将从多个摄像机拍摄的视频片段进行合成，使得针对同一场景，用户能够选择多个不同的视角来进行查看。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄的计算设备，包括：处理器；存储器，所述存储器存储有指令，所述指令在被所述处理器执行时能执行如上所述的方法。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。
图1示出了根据现有技术的固定水平面自由视角系统100的示意性框图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的多纬度纵深自由视角系统200的示意性框图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的图2中示出的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统201的详细示意性框图；
图4示出了本根据本发明的一个实施例的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法400的流程图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的等弧经度间距、等弧纬度间距计算过程图500；
图6示出了根据本发明的一个实施例的经度等弧间距的不同切面圆的半径和圆心坐标结构图600；
图7示出了根据本发明的一个实施例的纬度等弧间距的不同切面圆的摄像机数目和各自的空间坐标位置结构图700；
图8示出了根据本发明的一实施例的可应用于本发明的各方面的硬件设备的计算设备800的框图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。
本发明提出的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法，根据观察的中心场景空间大小，动态计算多组摄像机在纵深空间多纬度的位置，通过不同空间摄像机的视频拍摄，形成不同纬度的自由视角，能满足中心场景空间具有纵深空间变化的自由视角体验需求。
图1示出了根据现有技术的固定水平面自由视角系统100的示意性框图。一般而言，为了使得用户能够从多个角度来观看视频，在前端拍摄中，需要获得从拍摄空间中的多个适当位置处拍摄的视频。在现有技术中，前端拍摄一般采用固定水平面等距多角度拍摄模块101，该模块101被配置为实现同一固定水平面的自由视角拍摄。在后续处理阶段，视频处理模块102一般被配置为将从多个角度拍摄的视频片段进行合成和拼接，使得针对同一场景，用户可以选择多个不同的视角来进行查看，获取关于该场景更为丰富的信息。但是，现有技术中的固定水平面等距多角度拍摄模块101仅采用对同一水平面的中心场景多角度观察，会错过很多纵深空间的视角观察体验。
图2示出了根据本发明的一个实施例的多纬度纵深自由视角系统200的示意性框图。相较于描述现有技术的图1，系统200对前端拍摄中采用的模块进行了改进，采用了基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统201。本发明的拍摄系统201能够根据中心场景空间的纵深活动变化，多纬度拍摄纵深角度的自由视角。具体而言，本发明的拍摄系统201考虑了纵深空间活动变化的因素，结合中心场景的长度和宽度，计算半球模型的原点和球半径，以此为最大切面圆。本发明的拍摄系统201首先通过纵深空间活动高度计算最小切面圆半径大小和确定其空间坐标位置。在最小切面圆和最大切面圆之间，根据经度等弧间距切分不同纬度的切面圆，计算各个切面圆的半径和确定各自圆心的空间坐标位置。依次从最小切面圆到最大切面圆之间，对不同纬度切面圆，根据纬度等弧间距计算同一切面圆上所需的摄像机数目，并计算各个摄像机的空间坐标位置，从而实现多纬度不同纵深空间的自由视角的视频拍摄。
图3示出了根据本发明的一个实施例的图2中示出的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统201的详细示意性框图。其中，该系统201中的各个模块可采用软件和/或硬件的方式来实现，各个模块之间的通信方式可采用本领域技术人员熟知的方式来进行，其不在本发明的保护范围之内。
根据本发明的一个实施例，基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄系统201包括以下模块：中心场景的半球空间计算模块202，最小圆切片空间计算模块203，经度等弧间距圆心角计算模块204，各层切面圆的半径计算模块205，各层切面圆的空间位置计算模块206，纬度等弧间距摄像头数计算模块207，纬度等弧间距圆心角计算模块208以及同层切面圆上摄像机空间坐标计算模块209。本领域的技术人员完全可以理解，以上模块仅仅是示意性的，多个模块可被合并为一个模块或者一个模块也可被拆分成多个模块。
根据本发明的一个实施例，中心场景的半球空间计算模块202被配置为计算半球空间的球半径和确定球原点坐标。最小圆切片空间计算模块203被配置为计算最小切面圆的半径和确定空间坐标。经度等弧间距圆心角计算模块204被配置为计算经度等弧间距的等分圆心角。各层切面圆的半径计算模块205被配置为计算各层切面圆的半径。各层切面圆的空间位置计算模块206被配置为计算各层切面圆的圆心空间坐标位置。纬度等弧间距摄像头数计算模块207被配置为计算同层切面圆上所需摄像头数量。纬度等弧间距圆心角计算模块208被配置为计算同层切面圆上等弧间距圆心角大小。同层切面圆上摄像机空间坐标计算模块209被配置为计算同层切面圆上各个摄像机的空间坐标位置。
图4示出了本根据本发明的一个实施例的基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法400的流程图。
在步骤401，根据自由视角涉及的中心场景大小，计算所述中心场景所适用的半球空间。根据本发明的一个实施例，以中心场景的中心为半球坐标原点，并且根据中心场景的长与宽，计算中心场景所适用的半球半径。
在步骤402，将半球空间切面圆设置为最大切面圆。根据本发明的一个实施例，将计算的半球半径设为最大切面圆的半径，以半球坐标原点和半球半径建立对应的半球空间模型。
在步骤403，通过中心场景的空间活动高度来确定纵深空间的最小切面圆。根据本发明的一个实施例，根据中心场景空间的活动高度，计算确定纵深空间的最小切面圆的半径，并确定圆心的空间坐标位置。
在步骤404，根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，并计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置。
根据本发明的一个实施例，首先，根据经度等弧间距在最小切面圆和最大切面圆之间，计算所需切分的切面圆数量。具体计算方面请参见下文中针对图6描述的经度等弧间距的不同切面圆的半径和圆心坐标的计算过程说明中的第四个步骤。
图5示出了根据本发明的一个实施例的等弧经度间距、等弧纬度间距计算过程图500。参考图5，等弧经度间距、等弧纬度间距计算过程说明如下：
设摄像机的镜头可视范围直径AC长度为D，
镜头点C到拍摄的中心点O的距离为R,视场角∠ACB为ω
则视场角其中OA＝OD，
所以∠AOD＝π-2∠OAD，其中
所以∠DOE＝π-2∠AOD＝π-2*ω；
则弧长
设等弧经度间距为Δlv，摄像机的镜头在同一经度上的可视范围直径长度为dv,R为半球的半径，根据以上方法类推计算:
设等弧纬度间距为Δlh，摄像机的镜头在同一纬度上的可视范围直径长度为dh,Ri为不同切面圆半径，根据以上方法类推计算:
接着，在最小切面圆和最大切面圆之间，计算不同切面圆的半径和圆心的空间坐标位置。
图6示出了根据本发明的一个实施例的经度等弧间距的不同切面圆的半径和圆心坐标结构图600。现在参考图6描述经度等弧间距的不同切面圆的半径和圆心坐标计算方法。
其中，参数说明：设中心场景长度为L，宽度为W,球半径为R，纵深空间活动高度为H；设AB，BC，CD，DE的等弧经度间距为Δlv，O1A、O2B、O3C、O4D的半径依次为r1、r2、r3、r4；设OA与Z轴的夹角为α，等弧经度间距Δlv对应的圆心角为Δα；round为四舍五入函数。
经度等弧间距的不同切面圆的半径和圆心坐标的计算过程说明：
1、半球半径
2、最小切面圆的O1A半径
3、计算最小切面圆球OA与Z轴的夹角α：
4、计算切分的切面圆个数为
5、根据等弧经度间距为Δlv计算夹角增量：Δα＝Δlv/R；
6、以O2B为半径的切面圆，
其切面圆半径计算为r2＝R*sin(α+Δα)；
其圆心O2的纵坐标为z2＝R*cos(α+Δα)；
7、依次类推第i个切面圆的半径ri＝R*sin(α+(i-1)*Δα)；第i个切面圆的纵坐标zi＝R*cos(α+(i-1)*Δα)；
i的取值范围i＝1,2,…c。
在步骤405，根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置。
根据本发明的一个实施例，首先，依次从最小切面圆到最大切面圆，对每个切面圆根据纬度等弧间距计算所需的自由视角摄像机数。其次，依次计算每层切面圆上各个摄像机的空间坐标位置。
图7示出了根据本发明的一个实施例的纬度等弧间距的不同切面圆的摄像机数目和各自的空间坐标位置结构图700。现在参考图7来描述等弧纬度间距的不同切面圆的摄像机数目和各自的空间坐标位置计算方法。
参数说明：设等弧纬度间距为Δlh，从最小切面圆到最大切面圆各自的半径依次为r1、r2、r3、r4…R；设第i层切面圆各个摄像机空间坐标为Ai,j(xi,j,yi,j,zi,j)；round为四舍五入函数，Δβi为每层切面圆的等弧圆心夹角。
等弧纬度间距的不同切面圆的摄像机数目和各自的空间坐标位置计算过程说明：
1、计算第i层切面圆的摄像机数ni＝round(2*π*ri/Δlh)；
2、计算等弧纬度圆心角Δβi＝2*π/ni；
3、计算第i层切面圆各个摄像机的具体空间坐标，
xi,j＝ri*cos(j*Δβi)；
yi,j＝ri*sin(j*Δβi)；
j的取值范围为j＝1,2,…,ni。
综上，本发明的主要优势在于：
1.多纬度纵深自由视角系统根据自由视角涉及的中心场景大小，计算其所适用的半球空间；通过空间活动高度来确定纵深空间的最小切面圆；将半球空间切面圆设置为最大切面圆；
2.根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置；
3.根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置。通过不同纵深切面圆上摄像机形成不同纵深的自由视角视频组，满足用户在不同纵深空间的多纬度自由视角体验。
图8示出了根据本发明的一实施例的可应用于本发明的各方面的硬件设备的计算设备800的框图。
参考图8，现在将描述一种计算设备800，该计算设备是可应用于本发明的各方面的硬件设备的一个示例。计算设备800可以是可被配置成用于实现处理和/或计算的任何机器，可以是但并不局限于工作站、服务器、桌面型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字处理、智能手机、车载计算机或者它们的任何组合。前述的各种方法/装置/服务器/客户端设备可全部或者至少部分地由计算设备800或者类似设备或系统来实现。
计算设备800可包括可经由一个或多个接口和总线802连接或通信的组件。例如，计算设备800可包括总线802、一个或多个处理器804、一个或多个输入设备806以及一个或多个输出设备808。该一个或多个处理器804可以是任何类型的处理器并且可包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器(例如，专门的处理芯片)。输入设备806可以是任何类型的能够向计算设备输入信息的设备并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、麦克风和/或远程控制器。输出设备808可以是任何类型的能够呈现信息的设备并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。计算设备800也可以包括非瞬态存储设备810或者与所述非瞬态存储设备相连接，所述非瞬态存储设备可以是非瞬态的并且能够实现数据存储的任何存储设备，并且所述非瞬态存储设备可以包括但不限于磁盘驱动器、光存储设备、固态存储器、软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其它磁介质、光盘或任何其它光介质、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、高速缓冲存储器和/或任何存储芯片或盒式磁带、和/或计算机可从其读取数据、指令和/或代码的任何其它介质。非瞬态存储设备810可从接口分离。非瞬态存储设备810可具有用于实施上述方法和步骤的数据/指令/代码。计算设备600也可包括通信设备812。通信设备812可以是任何类型的能够实现与内部装置通信和/或与网络通信的设备或系统并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组，例如蓝牙设备、IEEE 1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似设备。
总线802可以包括但不限于工业标准结构(ISA)总线、微通道结构(MCA)总线、增强型ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)局部总线和外部设备互连(PCI)总线。
计算设备800还可包括工作存储器814，该工作存储器814可以是任何类型的能够存储有利于处理器804的工作的指令和/或数据的工作存储器并且可以包括但不限于随机存取存储器和/或只读存储设备。
软件组件可位于工作存储器814中，这些软件组件包括但不限于操作系统616、一个或多个应用程序818、驱动程序和/或其它数据和代码。用于实现本发明上述方法和步骤的指令可包含在所述一个或多个应用程序818中，并且可通过处理器804读取和执行所述一个或多个应用程序818的指令来实现本发明的上述方法400。
也应该认识到可根据具体需求而做出变化。例如，也可使用定制硬件、和/或特定组件可在硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语音或其任何组合中实现。此外，可采用与其它计算设备、例如网络输入/输出设备等的连接。例如，可通过具有汇编语言或硬件编程语言(例如，VERILOG、VHDL、C++)的编程硬件(例如，包括现场可编程门阵列(FPGA)和/或可编程逻辑阵列(PLA)的可编程逻辑电路)利用根据本发明的逻辑和算法来实现所公开的方法和设备的部分或全部。
尽管目前为止已经参考附图描述了本发明的各方面，但是上述方法、系统和设备仅是示例，并且本发明的范围不限于这些方面，而是仅由所附权利要求及其等同物来限定。各种组件可被省略或者也可被等同组件替代。另外，也可以在与本发明中描述的顺序不同的顺序实现所述步骤。此外，可以按各种方式组合各种组件。也重要的是，随着技术的发展，所描述的组件中的许多组件可被之后出现的等同组件所替代。

Claims (6)

1.一种基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄方法，包括：
根据自由视角涉及的中心场景大小，计算所述中心场景所适用的半球空间，包括以所述中心场景的中心为半球坐标原点，并且根据所述中心场景的长与宽，计算所述中心场景所适用的半球半径；
将所述半球空间切面圆设置为最大切面圆，包括：将计算的半球半径设为最大切面圆的半径，以半球坐标原点和半球半径建立对应的半球空间模型；
通过所述中心场景的空间活动高度来确定纵深空间的最小切面圆；
根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，并计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置；以及
根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据经度等弧间距将最小切面圆和最大切面圆之间切分成不同纬度的切面圆，进一步包括：根据经度等弧间距在最小切面圆和最大切面圆之间，计算所需切分的切面圆数量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算各个切面圆的半径和确定空间坐标位置，进一步包括：在最小切面圆和最大切面圆之间，计算不同切面圆的半径和圆心的空间坐标位置。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置，进一步包括：依次从最小切面圆到最大切面圆，对每个切面圆根据纬度等弧间距计算所需的摄像机数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据纬度等弧间距计算每个切面圆所需的摄像机数目和各个摄像机的空间坐标位置，进一步包括：依次计算每层切面圆上各个摄像机的空间坐标位置。
6.一种用于基于半球模型的多纬度自由视角的拍摄的计算设备，包括：
处理器；
存储器，所述存储器存储有指令，所述指令在被所述处理器执行时能执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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