CN116847193A - 基于方程拟合的变焦镜头校准方法、电子设备、介质 - Google Patents

基于方程拟合的变焦镜头校准方法、电子设备、介质 Download PDF

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Abstract

基于方程拟合的变焦镜头校准方法，包括：添加虚拟参照物，作为虚拟标记；同步跟踪相机、虚拟标记沿变焦位置的移动，将虚拟标记相对实际参照点漂移消失或最小时的焦距，作为样本点；基于样本点，使用多项方程式将其拟合成不同系数的拟合曲线、系数矩阵；确定与样本点匹配度最高的拟合曲线、系数矩阵，计算偏移量，得到结果。本发明通过样本点拟合出不同系数的镜头曲线文件和系数矩阵，将匹配度最佳的曲线拟合文件最为第一参考曲线；再将镜头其余非样本内变焦数据带入拟合曲线系数矩阵以计算物理相机变焦值对应的虚拟变焦匹配参数，解决了真实物理镜头焦段与虚拟相机焦段不匹配而导致跟踪变焦漂移无法同步的问题。

Description

基于方程拟合的变焦镜头校准方法、电子设备、介质
技术领域
本发明涉及虚拟制作、虚拟直播及虚拟发布会跟踪机位技术领域，具体地说是基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
背景技术
随着数字信息技术的发展，越来越多的节目在虚拟场景中录制。比如在虚拟制作、虚拟直播及虚拟发布会跟踪机位等场景中，会同时存在物理相机和虚拟相机。
然而由于物理相机镜头生产工艺的特性，不同型号的变焦镜头、甚至相同型号不同批次的变焦镜头，其变焦曲线也各不相同。变焦镜头传感器，镜头个体也存在着差异。在虚拟应用中绑定跟踪机位，物理相机镜头变焦与虚拟相机的焦段也是一一对应的关系。若变焦曲线不匹配，在透视、旋转、焦段、FOV均无法同步以及跟踪漂移等。
目前普遍的解决方案或通过光学设备、或提供外接校准装置、棋盘格等方式应用解决，但都相对或成本较高，或应用复杂度高、难度大、耗时久等问题。
发明内容
本发明为解决现有的问题，旨在提供一种基于方程拟合的变焦镜头校准方法。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括：
S1，在虚拟应用中添加至少一个虚拟参照物，作为与实际参考点成比例的虚拟标记；
S2，同步跟踪相机、虚拟标记沿变焦位置的移动，将其中虚拟标记相对实际参照点漂移消失或最小时的焦距，作为样本点；
S3，基于样本点，使用多项方程式将其拟合成若干不同系数的拟合曲线、及对应的系数矩阵；
S4，确定与样本点匹配度最高的拟合曲线、系数矩阵，作为第一参考拟合曲线、系数矩阵；计算偏移量，得到最终结果。
在一些实施例的S1中，将物理镜头的变焦范围归一化为0-1。
在一些实施例中，确定要进行多项式拟合前物理相机镜头焦段与对应虚拟相机焦段点作为原始焦段向量样本点。
在一些实施例中，虚拟标记在其大小、相机传感器中心点位距离地面高度、相对于相机的位置，与实际参考点成比例。
在一些实施例的S2中，虚拟标记沿变焦位置移动，并忽略焦点，同步跟踪相机和虚拟标记的平移/倾斜运动，将变焦拉到最广角位置，同时来回摇动相机。
在一些实施例中，将虚拟应用、跟踪设备输入时间码和同步锁相保持一致，并调整跟踪延迟，确保时间上的同步。
在一些实施例中，选择物理相机镜头的最小变焦->最大变焦->中变焦->1/4变焦->3/4变焦为原始焦段向量样本点。
在一些实施例的S3中，根据样本点使用多项式方程拟合将该样本点的数据拟合成平滑的曲线；通过不同的系数，进行二次多项式拟合、三次多项式拟合及四次多项式拟合，得到不同趋势变化的曲线。
在一些实施例中，根据多项式的最高次数，对样本数据输入特征向量做特征生成，对原来的每一个特征向量生成一个范特蒙德矩阵。
在一些实施例中，多项式拟合的表达式为：
其中，m是多项式的最高次数，xj代表的是z的j次幂，wj是xj的系数；
在一些实施例中，对原来的每一个特征向量而言，可以生成一个范特蒙德矩阵，其形式为：
[[1,x_1,x_1**2,x_1**3,...],
[1,x_2,x_2**2,x_2**3,...],
...]；
基于生成的范特蒙德矩阵，使用已有线性回归特征，实现多项式回归。
在一些实施例的S4中，确定与样本点匹配度最高的曲线系数，即距离每个样本点数据偏移最小、最贴合该曲线的系数曲线作为第一参考匹配曲线，获得其拟合最佳的系数矩阵。
在一些实施例中，通过确定物理相机归一化后的焦段所在点左右相邻的基于系数矩阵匹配后的焦段数据做插值，以计算其在该拟合曲线下的偏移量，最终确定所匹配的虚拟变焦最佳焦段数据。
在一些实施例的S4中，确定拟合系数矩阵并进行插值回归计算后，继续校验当物理相机镜头在变焦时，虚拟标记相对实际参照点是否过度平滑和漂移，即它们在空间上是否同步，再基于S2的确定变焦原始焦段向量样本点方法，添加额外的变焦原始焦段向量样本点，再继续进行多项式方程拟合及插值回归计算，最终实现最优的同步效果。
在一些实施例中，基于系数矩阵，根据方程式计算非样本点其余的物理相机镜头变焦数据x对应的虚拟相机变焦数据y。
在一些实施例中，在原始焦段向量样本点基于得出的系数矩阵中，分别向左右延展，并插入一个起点和一个终端点两个点，以保证后续的变焦过程中新的变焦点都在这条拟合曲线范围之内。
本发明还提供一种电子设备，包括处理器、以及用于存储处理器的可执行指令的存储器，所述处理器运行时执行基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理执行时，实现上述基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
和现有技术相比，本发明通过原始焦段向量样本点拟合出多个不同系数的镜头曲线文件和系数矩阵，将匹配度最佳的曲线拟合文件最为第一参考曲线；再将镜头其余非样本内变焦数据带入拟合曲线系数矩阵以计算物理相机变焦值对应的虚拟变焦匹配参数，解决了真实物理镜头焦段与虚拟相机焦段不匹配而导致跟踪变焦漂移无法同步的问题；解决应对纯线性焦段点位校准需要校准过多点位，耗时长，复用性差等问题，实现了高效快速的匹配物理镜头跟踪校准变焦同步。
附图说明
图1是本发明实施例的二次多项式方程拟合目标趋势图；
图2是本发明实施例的三次多项式方程拟合目标趋势图；
图3是本发明实施例的四次多项式方程拟合目标趋势图；
图4是本发明实施例的拟合流程结构图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本实施例提供了一种基于多项式方程拟合变焦镜头校准方法。参见图4，图4是本发明实施例的基于多项式方程拟合流程结构图，本发明实施例主要包括：步骤1，需要将虚拟应用及跟踪设备(跟踪摄像机)输入时间码和同步锁相保持一致，并调整跟踪延迟，确保时间上的同步。
跟踪摄像机和虚拟参照标记开始和停止移动，需要它们完全同时移动。当突然平移跟踪摄像机时，虚拟参照标记应与跟踪摄像机的真实空间同时移动。如果首先移动相机，现实空间和虚拟空间将相对于彼此滑动，因为尚未进行正确的校准，也就是它们在空间上并不同步。但同样的，它们不会暂时一起移动，比如一个动作比另一个动作晚。即它们在时间上不同步。所以需要将输入时间码和同步锁相保持一致，并调整跟踪延迟，确保时间上的同步。
步骤2，将物理镜头焦段范围归一化为0-1，作为虚拟相机变焦校准前置目标焦段范围。进一步地，根据归一化的范围，确定要进行多项式拟合前物理相机镜头焦段与对应虚拟相机焦段点作为原始焦段向量样本点。
随后，在虚拟应用中根据需要添加一个或多个虚拟参照物，作为与物理相机变焦镜头中实际参照物的虚拟标记，该虚拟标记应与实际参考点成比例，包括它的大小和相机传感器中心点位距离地面高度、相对于相机的位置。
步骤3，沿着变焦位置移动并忽略焦点，同步跟踪摄像机和虚拟标记的平移/倾斜运动，并将变焦拉到最广角位置；同时来回摇动相机。当虚拟标记的移动速度比现实空间的参考点快时，其焦距值为过低。当它的移动速度比现实空间的参考点慢时，其焦距值为过高。继而不断调整目标找到一个焦距，使虚拟标记相对于物理相机镜头中的实际参照点漂移消失或变得最小。
步骤4，根据上述样本点，使用多项式方程拟合将该样本点的数据拟合成平滑的曲线，以便观察该组数据下的内在联系及变化趋势，多项式拟合表达式：
其中，m是多项式的最高次数，xj代表的是x的j次幂，wj是xj的系数。
参见图1至图3，通过不同的系数，进行二次多项式拟合、三次多项式拟合及四次多项式拟合得到不同趋势变化的曲线。其中每项系数的多项试拟合可根据多项式的最高次数，对样本数据输入特征向量做特征生成，对原来的每一个特征向量而言，可以生成一个范特蒙德矩阵(Vandermonde matrix)，其形式为：
[[1,x_1,x_1**2,x_1**3,...],
[1，x_2，x_2**2，x_2**3，...]，
...]；
基于生成的范特蒙德矩阵，直接使用已有线性回归特征，实现多项式回归。步骤5，比较多条拟合曲线确定与样本点匹配度最高的曲线系数，即将曲线距离每个样本点数据偏移最小、最贴合该曲线的系数曲线，作为第一参考匹配曲线，及获得其拟合最佳的系数矩阵。
由于物理相机镜头变焦范围已经被归一化，为演示拟合流程，暂先拟定一组样本数据进行模拟拟合，为方便绘制多项式拟合趋势图，将归一化的物理变焦值乘以一个系数，比如*300作为变量x，对应虚拟焦段值y进行拟合，以(0，0)为绘制坐标原点，模拟拟合样本点数据如下；
Y X
17.10000038 0
17.79999924 4.499999899
18.70000076 8.69999975
19.89999962 14.09999952
23.5 29.69999984
25.79999924 39.59999979
29.50099945 54.00000215
35.70000076 70.80000043
39.90000153 82.79999793
42.90000153 90.90000093
48.59999847 105.3000033
54.09999847 118.7999994
64.80000305 142.2000021
70.19999695 152.9999971
根据给出的模拟拟合样本点数据，参见图2，可以得到一个三次多项式拟合曲线：
a＝17.1199185871706 b＝0.167533448739309，
c＝0.00140769290706411 d＝-1.56550222219547E-06
步骤6，基于拟合得出的系数矩阵，我们计算出了多项拟合方程式中a、b、c、d的参数，三次多项拟合方程式为：
Y＝a+b·x+cx2+dx3
根据拟合计算出的a、b、c、d参数，计算该方程式计算非样本点其余的物理相机镜头变焦数据x对应的虚拟相机变焦数据y。
步骤7，该物理相机镜头变焦x可能小于该拟合曲线的起始点，也可能大于该拟合曲线的终端点，所以还需要默认在原始焦段向量样本点基于得出的系数矩阵分别向左右延展，并就延展后的曲线插入一个起点和一个终端点两个点，以此来保证后续的变焦过程中，新的变焦点都在这条拟合曲线范围之内。
步骤8，无论是样本点焦段数据或是变焦过程中焦段数据的落点都不一定完全在曲线上，故还需要通过确定目标物理相机归一化后的焦段所在点in_XValue左右相邻的点，我们将目标焦段左相邻点为_left，右相邻点为_right，计算基于系数矩阵匹配后的焦段数据为leftY，rightY，做插值以计算其在该拟合曲线下的偏移量offset，则：
offset＝(rightY-leftY)*(in_XValue-_left)/(_right-_left)；步骤9，校验物理相机镜头在变焦过程中，虚拟参照物标记相对与实际参照点是否过度平滑和漂移，即它们在空间上是否同步，再基于前述步骤3确定变焦原始焦段向量样本点方法，根据需要添加额外的变焦原始焦段向量样本点，再继续进行多项式方程拟合及插值回归计算，实现最终的同步效果。
由于不同系数的多项式方程所拟合的曲线中，无论是原始焦段向量样本点焦段数据或是变焦过程中的焦段数据都不一定完全在曲线上，故还需要通过确定目标物理焦段所在点左右相邻焦段基于系数矩阵的匹配数据做插值以计算其在该拟合曲线下的偏移量，最终确定所匹配的虚拟变焦最佳焦段数据。
本发明还提供一种电子设备，包括处理器、以及用于存储处理器的可执行指令的存储器，所述处理器运行时执行基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理执行时，实现上述基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
上述实施例解决了相关技术中真实物理镜头焦段与虚拟相机焦段不匹配而导致跟踪变焦漂移无法同步的问题；解决应对纯线性焦段点位校准需要校准过多点位、耗时长、复用性差等问题，实现了高效快速的匹配物理镜头跟踪校准变焦同步。
上面结合附图及实施例描述了本发明的实施方式，实施例给出的并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员可依据需要做出调整，在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于包括：
S1，在虚拟应用中添加至少一个虚拟参照物，作为与实际参考点成比例的虚拟标记；
S2，同步跟踪相机、虚拟标记沿变焦位置的移动，将其中虚拟标记相对实际参照点漂移消失或最小时的焦距，作为样本点；
S3，基于样本点，使用多项方程式将其拟合成若干不同系数的拟合曲线、及对应的系数矩阵；
S4，确定与样本点匹配度最高的拟合曲线、系数矩阵，作为第一参考拟合曲线、系数矩阵；计算偏移量，得到最终结果。
2.根据权利要求1所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：S1中，将物理镜头的变焦范围归一化为0-1；和/或确定要进行多项式拟合前物理相机镜头焦段与对应虚拟相机焦段点作为原始焦段向量样本点；和/或虚拟标记在其大小、相机传感器中心点位距离地面高度、相对于相机的位置，与实际参考点成比例。
3.根据权利要求1所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：S2中，虚拟标记沿变焦位置移动，并忽略焦点，同步跟踪相机和虚拟标记的平移/倾斜运动，将变焦拉到最广角位置，同时来回摇动相机；和/或将虚拟应用、跟踪设备输入时间码和同步锁相保持一致，并调整跟踪延迟，确保时间上的同步；和/或选择物理相机镜头的最小变焦->最大变焦->中变焦->1/4变焦->3/4变焦为原始焦段向量样本点。
4.根据权利要求1所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：S3中，根据样本点使用多项式方程拟合将该样本点的数据拟合成平滑的曲线；通过不同的系数，进行二次多项式拟合、三次多项式拟合及四次多项式拟合，得到不同趋势变化的曲线；和/或根据多项式的最高次数，对样本数据输入特征向量做特征生成，对原来的每一个特征向量生成一个范特蒙德矩阵。
5.根据权利要求4所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：多项式拟合的表达式为：
其中，m是多项式的最高次数，xj代表的是x的j次幂，wj是xj的系数；
和/或对原来的每一个特征向量而言，可以生成一个范特蒙德矩阵，其形式为：
[[1,x_1,x_1**2,x_1**3,...],
[1,x_2,x_2**2,x_2**3,...],
...]；
基于生成的范特蒙德矩阵，使用已有线性回归特征，实现多项式回归。
6.根据权利要求1所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：S4中，确定与样本点匹配度最高的曲线系数，即距离每个样本点数据偏移最小、最贴合该曲线的系数曲线作为第一参考匹配曲线，获得其拟合最佳的系数矩阵；和/或通过确定物理相机归一化后的焦段所在点左右相邻的基于系数矩阵匹配后的焦段数据做插值，以计算其在该拟合曲线下的偏移量，最终确定所匹配的虚拟变焦最佳焦段数据。
7.根据权利要求1或5所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：S4中，确定拟合系数矩阵并进行插值回归计算后，继续校验当物理相机镜头在变焦时，虚拟标记相对实际参照点是否过度平滑和漂移，即它们在空间上是否同步，再基于S2的确定变焦原始焦段向量样本点方法，添加额外的变焦原始焦段向量样本点，再继续进行多项式方程拟合及插值回归计算，最终实现最优的同步效果。
8.根据权利要求1或7所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法，其特征在于：基于系数矩阵，根据方程式计算非样本点其余的物理相机镜头变焦数据x对应的虚拟相机变焦数据y；和/或在原始焦段向量样本点基于得出的系数矩阵中，分别向左右延展，并插入一个起点和一个终端点两个点，以保证后续的变焦过程中新的变焦点都在这条拟合曲线范围之内。
9.一种电子设备，其特征在于：包括处理器、以及用于存储处理器的可执行指令的存储器，所述处理器运行时执行权利要求1-8中任一所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
10.一种计算机可读介质，其特征在于：其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理执行时，实现权利要求1-8中任一所述的基于方程拟合的变焦镜头校准方法。
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