CN114332244A - 一种虚拟演播室的摄像机定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种虚拟演播室的摄像机定位方法及系统，包括：使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。本发明在不使用额外设备辅助的情况下，获取摄像机的准确位置和朝向，使屏幕获得虚拟场景的投影图像，提升摄像机的位置和投影模型的准确性。

Description

一种虚拟演播室的摄像机定位方法及系统

技术领域

本发明属于定位技术领域，涉及一种虚拟演播室的摄像机定位方法及系统。

背景技术

虚拟演播室是基于摄像机的姿态将已有的虚拟场景投影到屏幕上，在摄制过程中不需要额外的场景道具，就可以让使用者置身于虚拟场景中。区别于传统的道具场景布局或绿幕布场景，虚拟演播室在不使用道具场景的同时可以为使用者提供场景的互动与反馈。

近几年来虚拟演播室在节目制作，广告行业有着越来越广泛的应用。虚拟演播室使用多块屏幕搭建出立方体舞台。依据摄像机的位置和投影模型计算出虚拟场景在屏幕位置的投影图像，在不耗费资源搭建出现实场景的同时让使用者和观众有身临其境的互动体验。

而虚拟演播室技术依赖于摄像机的定位与投影模型，以保证在摄像机视角下，虚拟场景投影到屏幕上的物体投影关系的正确性。在传统方法中摄像机的定位或依赖于人工调整，或依赖于外部设备的定位(如动作捕捉系统，惯性测量单元和声学跟踪系统等)，前者无法保证定位的准确性而后者需要引入额外的高成本测量设备。在虚拟演播室中，以往的摄像机定位方法多是依赖于人工调整摄像机的位置，使摄像机的光心与虚拟场景中的观测点重合，从而在屏幕上获得正确的虚拟场景与图像的投影。该方法效率低下且准确性差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种虚拟演播室的摄像机定位方法及系统，解决摄像机初始位置和姿态定位的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种虚拟演播室的摄像机定位方法，其特征在于，包括：

使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

进一步地，所述配对使用PnP算法。

进一步地，还包括：将虚拟演播室的虚拟场景通过计算出的摄像机位置与相机的姿态矩阵投影到屏幕上。

本发明的另一目的在于提供一种虚拟演播室的摄像机定位系统，其特征在于，包括：

构建单元，用于使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

处理单元，用于获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

本发明的有益效果为：

实现简单，包括：使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。在不使用额外设备辅助的情况下，获取摄像机的准确位置和朝向，使屏幕获得虚拟场景的投影图像，提升摄像机的位置和投影模型的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的虚拟演播室的摄像机定位方法的流程图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

请参照图1，本发明的一种虚拟演播室的摄像机定位方法，包括：

步骤S101，使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

步骤S102，获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述配对使用PnP算法。

在本申请的一种实施例中，具体地，还包括：将虚拟演播室的虚拟场景通过计算出的摄像机位置与相机的姿态矩阵投影到屏幕上。

本发明的另一目的在于提供一种虚拟演播室的摄像机定位系统，其特征在于包括：

构建单元，用于使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

处理单元，用于获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

作为具体的实施例，本发明的方法包括：

使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置。使用标定好的摄像机采集标志点的图像。

在摄像机采取的图像中，使用检测图像边缘的方法，得到圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标。将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，并使用PnP算法计算摄像机的位置和姿态。

由投影矩阵：

其中，u,v为图像坐标，f_x、f_y为镜头像素焦距，c_x、c_y为镜头主点坐标。r_xy为旋转矩阵中对应元素，t_x为位移向量元素。X、Y、Z为点的世界坐标系中的其次坐标。

将上式旋转平移矩阵展开，并求取最小二乘的方式获得摄像机的位置和姿态。

使用PnP解算的摄像机位姿作为虚拟场景的观测点，将虚拟场景通过摄像机的内参投影到屏幕上，获得虚拟场景与图像正确的投影关系。至此算法结束。

投影使用针孔摄像机模型：

p_image＝K(RP+t)

其中p_image为虚拟场景点在图像中像素点坐标，K为摄像机内参，R为摄像机旋转(在本例中R为上式PNP计算出的旋转矩阵元素r_xy组成的旋转矩阵)，t为摄像机位置(在本例中为上式PNP计算出的位移向量元素t_x组成位移向量)，P为虚拟场景中点的位置。

实施流程：在测试场地搭建长度为576米，高3.86米的LED屏幕作为测试环境。拍摄的摄像机放置于距离正面大屏外5米远的位置，将标志点图案投影到正面大屏上，调整图案大小适合摄像机的FOV使图像尽量充满摄像机采集的图案。使用程序计算标志点的世界坐标。

使用程序计算使用摄像机采集到标志点的像素坐标，将标志点的世界坐标与采集图案标志点的像素坐标传给PnP(PERSPECTIVE-n-POINT)算法，计算摄像机在世界坐标系下的位置。最后将虚拟场景通过计算出的摄像机位置与摄像机的姿态矩阵投影到屏幕上。

本发明的有益效果为：

实现简单，包括：使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。在不使用额外设备辅助的情况下，获取摄像机的准确位置和朝向，使屏幕获得虚拟场景的投影图像，提升摄像机的位置和投影模型的准确性。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种虚拟演播室的摄像机定位方法，其特征在于，包括：

使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的虚拟演播室的摄像机定位方法，其特征在于，所述配对使用PnP算法。

3.根据权利要求1所述的虚拟演播室的摄像机定位方法，其特征在于，还包括：将虚拟演播室的虚拟场景通过计算出的摄像机位置与相机的姿态矩阵投影到屏幕上。

4.一种虚拟演播室的摄像机定位系统，其特征在于，包括：

构建单元，用于使用圆点为标志点，将数个标志点阵列投影到屏幕上，以屏幕中心点为原点建立世界坐标系，计算投影标志点在世界坐标系下的空间位置，使用标定好的摄像机采取标志点的图像；

处理单元，用于获取所述图像的圆点的边缘点，采用单应变换后的圆形拟合的方式计算边缘点所围成的圆形在图像上的像素坐标，将标志点的像素坐标与标志点的世界坐标配对，计算摄像机的位置和姿态。

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